反应动力学
- 一级
- ln(CA/CA0) = −kt
- 半衰期（一级）
- t½ = ln 2/k
- 二级
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- 阿伦尼乌斯
- k = A·e−Ea/(RT)
- 两个温度
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
化学反应工程：速成包
公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题，完整解答附在最后。
1公式与方法
反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）
- 空时
- τ = V/Q
- CSTR，一级反应
- τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
- PFR，一级反应
- τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
- 由体积求转化率
- CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
- N 个相同 CSTR 串联
- X = 1 − 1/(1 + kτi)N
化学平衡
- 平衡常数
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- ICE 表（三段式）
- 起始、变化（×化学计量数）、平衡
- 一元二次方程
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
方法
- 写出 Kc：产物比反应物，各自以其系数为幂次。
- 列 ICE 表：初始量、变化量（按系数乘以 x 变化）、平衡量。
- 把平衡时的表达式代入 Kc，解出 x。
- 检查 x 是否足够小可以近似；否则解一元二次方程。
物料衡算
- 稳态
- 输入 = 输出
- 总物料衡算
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- 组分衡算
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- 蒸发器
- F·xF = P·xP, W = F − P
2练习题
1.反应动力学中等
一个零级反应的 k = 0.025 mol/(L·min)，初始浓度为 0.8 mol/L。达到 90% 转化率需要多长时间？求 t。
k = 0.025 mol/(L·min)CA0 = 0.8 mol/LX = 90 %
t = min
2.反应动力学困难
两次实验测定反应 A → 产物的初始速率。CA0 = 0.4 mol/L 时速率为 0.02 mol/(L·s)；CA0 = 1.2 mol/L 时速率为 0.0346 mol/(L·s)。求对 A 的反应级数 n。
CA0,1 = 0.4 mol/Lr1 = 0.02 mol/(L·s)CA0,2 = 1.2 mol/Lr2 = 0.0346 mol/(L·s)
n =
3.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）中等
一个 k = 0.4 min⁻¹ 的液相一级反应 A → B 在进料流量为 5 L/min 的平推流反应器（PFR）中进行。 密度恒定，反应器处于稳态。求使 A 的转化率达到 75% 所需的反应器体积 V，以升计。
Q = 5 L/mink = 0.4 min⁻¹X = 75%
V = L
4.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）困难
一个液相一级反应（k = 0.12 min⁻¹）在进料流量为 5 L/min 的 50 L 平推流反应器（PFR）中进行。密度恒定，反应器处于稳态。求转化率 X，以百分比计。
V = 50 LQ = 5 L/mink = 0.12 min⁻¹
X = %
5.化学平衡中等
将 0.2 mol/L 的 H₂ 和 0.2 mol/L 的 I₂ 放入容器中发生反应：H₂ + I₂ ⇌ 2HI，Kc = 25。求平衡浓度 [HI]。
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
6.化学平衡困难
PCl₅ 发生分解：PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂，在反应温度下 Kc = 0.01。容器中起始时只有 0.8 mol/L 的 PCl₅。求平衡浓度 [PCl5]。
[PCl₅]₀ = 0.8 mol/LKc = 0.01
[PCl5] = mol/L
7.物料衡算中等
每小时需向物流 1 加入多少物流 2，才能使混合产品含 10% 的盐？求 ṁ2。
ṁ1 = 800 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
8.物料衡算困难
蒸发器通过蒸出纯水来浓缩盐溶液。求产品流量 P，单位为 kg/h。
F = 800 kg/hxF = 15 %xP = 40 %
P = kg/h
3溶液
1.反应动力学
答案: t = 28.8 min
Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).
转化的量
CA0·X = 0.8·0.9 = 0.72 mol/L
时间
t = CA0·X/k = 0.72/0.025 = 28.8 min
答案
t = 28.8 min
2.反应动力学
答案: n = 0.4989
初始速率法：对 r = k·Cⁿ，比较只有初始浓度不同的两次实验即可消去 k：r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ。C 加倍时，一级反应速率加倍，二级反应速率变为四倍。
比值
r2/r1 = 0.0346/0.02 = 1.73
C2/C1 = 1.2/0.4 = 3
级数
n = ln(1.73)/ln(3) = 0.4989
答案
n = 0.4989
3.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）
答案: V = 17.33 L
稳态下理想反应器中的一级反应（−rA = k·CA），空时 τ = V/Q。CSTR 是全混的，因此整个体积都在较低的出口浓度下反应：τ = X/(k·(1 − X))，CA = CA0/(1 + k·τ)。在 PFR 中，每一薄层流体都像一个小间歇反应器那样反应：τ = ln(1/(1 − X))/k，CA = CA0·e−k·τ。达到相同转化率时，CSTR 所需体积总是大于 PFR。
空时
τ = ln(1/(1 − 0.75))/0.4 = 1.386/0.4 = 3.466 min
体积
V = Q·τ = 5·3.466 = 17.33 L
答案
V = 17.33 L
4.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）
答案: X = 69.88 %
稳态下理想反应器中的一级反应（−rA = k·CA），空时 τ = V/Q。CSTR 是全混的，因此整个体积都在较低的出口浓度下反应：τ = X/(k·(1 − X))，CA = CA0/(1 + k·τ)。在 PFR 中，每一薄层流体都像一个小间歇反应器那样反应：τ = ln(1/(1 − X))/k，CA = CA0·e−k·τ。达到相同转化率时，CSTR 所需体积总是大于 PFR。
空时
τ = V/Q = 50/5 = 10 min, kτ = 0.12·10 = 1.2
转化率
X = 1 − e−kτ = 1 − e−1.2 = 69.88%
答案
X = 69.88%
5.化学平衡
答案: [HI] = 0.2857 mol/L
化学平衡：对于 aA + bB ⇌ cC + dD，平衡常数为 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)，其中使用平衡时的浓度。ICE 表（起始、变化、平衡，即三段式）通过一个未知数 x（按化学计量数缩放）把起始量与平衡量联系起来。
平衡表达式
25 = (2x)²/(0.2 − x)²
开平方
5 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·5/(2 + 5) = 0.1429 mol/L
平衡浓度
[HI] = 2x = 0.2857 mol/L
答案
[HI] = 0.2857 mol/L
6.化学平衡
答案: [PCl5] = 0.7154 mol/L
化学平衡：对于 aA + bB ⇌ cC + dD，平衡常数为 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)，其中使用平衡时的浓度。ICE 表（起始、变化、平衡，即三段式）通过一个未知数 x（按化学计量数缩放）把起始量与平衡量联系起来。
平衡表达式
0.01 = x²/(0.8 − x) → x² + 0.01·x − 0.008 = 0
解一元二次方程
x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.008))/2 = 0.08458 mol/L
平衡浓度
[PCl₅] = 0.8 − 0.08458 = 0.7154 mol/L
答案
[PCl5] = 0.7154 mol/L
7.物料衡算
答案: ṁ2 = 4000 kg/h
稳态物料衡算：总量和每个组分都满足输入 = 输出。混合问题同时用到两者。
衡算
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
盐: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
求解 ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(35 − 10)/(10 − 5) = 4000 kg/h
答案
ṁ2 = 4000 kg/h
8.物料衡算
答案: P = 300 kg/h
联结组分：只在一股物流中不变地通过的组分（这里是溶质）可直接关联各流量。其余由总衡算求出。
溶质衡算
F·xF = P·xP → P = 800·15/40 = 300 kg/h
答案
P = 300 kg/h
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