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化学反应工程例题

?一、引言

化学反应工程是一门研究化学反应过程中物质转化规律和反应设备中传递过程对反应结果影响的学科。通过对化学反应工程例题的分析与求解，可以帮助我们更好地理解和掌握化学反应工程的基本概念、原理和方法，提高解决实际问题的能力。本文将通过一系列典型例题，对化学反应工程的相关知识进行详细讲解。

二、例题讲解

（一）化学反应速率

1.例题

某气相反应\(A+B\longrightarrowC\)，在\(300K\)、\(101.3kPa\)下进行，实验测得反应速率方程为\(r=kc_Ac_B\)，其中\(k=2.0\times10^{-4}m^3/(mol\cdots)\)。若初始时\(c_A=0.1mol/m^3\)，\(c_B=0.2mol/m^3\)，求反应的初始速率\(r_0\)。

2.解答

根据反应速率方程\(r=kc_Ac_B\)，将初始浓度\(c_A=0.1mol/m^3\)，\(c_B=0.2mol/m^3\)和\(k=2.0\times10^{-4}m^3/(mol\cdots)\)代入可得：

\(r_0=kc_{A0}c_{B0}=2.0\times10^{-4}\times0.1\times0.2=4.0\times10^{-6}mol/(m^3\cdots)\)

（二）反应速率方程的确定

1.例题

在恒容间歇反应器中进行某气相反应\(A\longrightarrowB+C\)，实验测得不同时刻\(A\)的浓度如下：

|\(t/min\)|\(0\)|\(1\)|\(2\)|\(3\)|\(4\)|

|----|----|----|----|----|----|

|\(c_A/(mol/m^3)\)|\(1.0\)|\(0.8\)|\(0.64\)|\(0.512\)|\(0.4096\)|

试确定该反应的速率方程。

2.解答

首先假设反应为一级反应，其速率方程为\(-\frac{dc_A}{dt}=kc_A\)。

对该方程进行积分可得：\(\ln\frac{c_{A0}}{c_A}=kt\)

以\(\ln\frac{c_{A0}}{c_A}\)对\(t\)作图，若为直线，则假设成立。

计算不同时刻的\(\ln\frac{c_{A0}}{c_A}\)值：

|\(t/min\)|\(0\)|\(1\)|\(2\)|\(3\)|\(4\)|

|----|----|----|----|----|----|

|\(c_A/(mol/m^3)\)|\(1.0\)|\(0.8\)|\(0.64\)|\(0.512\)|\(0.4096\)|

|\(\ln\frac{c_{A0}}{c_A}\)|\(0\)|\(0.223\)|\(0.446\)|\(0.668\)|\(0.896\)|

作图可得为一直线，说明假设成立，该反应为一级反应，速率方程为\(-\frac{dc_A}{dt}=kc_A\)，通过直线斜率可求得反应速率常数\(k\)。

（三）理想间歇反应器

1.例题

在间歇反应器中进行某一级反应\(A\longrightarrowB\)，反应速率常数\(k=0.05min^{-1}\)，初始浓度\(c_{A0}=1mol/m^3\)。若要求\(A\)的转化率达到\(80\%\)，求所需反应时间。

2.解答

对于一级反应，在间歇反应器中的反应时间计算公式为\(t=\frac{1}{k}\ln\frac{1}{1-x_A}\)

已知\(k=0.05min^{-1}\)，\(x_A=0.8\)，代入可得：

\(t=\frac{1}{0.05}\ln\frac{1}{1-0.8}=\frac{1}{0.05}\ln5=32.18min\)

（四）理想连续流动釜式反应器（CSTR）

1.例题

某液相反应\(A+B\longrightarrowC\)，在连续流动釜式反应器中进行，反应速率方程为\(r=kc_Ac_B\)，\(k=1.0m^3/(mol\cdotmin)\)。进料流量\(v_0=1m^3/min\)，进料浓度\(c_{A0}=1mol/m^3\)，\(c_{B0}