化學(xué)反應(yīng)工程答案

1、3 釜式反應(yīng)器3.1 在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：CH3cOOC2H5NaOHCH3cOONaC2H50H該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃CH2clCH2OHNaHCO3CH20HCH20HNaClCO2以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為 20kg/h,使用 15%(重量)的 NaHCOK 溶 730%(重量)的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為 1:1,混合液的比重為 1.02。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于 5.2l/mol.h,要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%(1)(1)若輔助時(shí)間為 0.5h,試計(jì)算反應(yīng)器的

2、有效體積；(2)(2)若裝填系數(shù)取 0.75,試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為 80.5,84 和 62kg/kmol,每小時(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h0.326680.5每小時(shí)需氯乙醇：0.9530%0.326684每小時(shí)需碳酸氫鈉：0.9515%反應(yīng)體積：Vr=Qo(tt)=275.8(2.9680.5)=956.51度均為試問(wèn)：(1)(2)0.02mol/l,反應(yīng)速率常數(shù)等于(1)(2)當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%1m 時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？2nt 所需的反應(yīng)時(shí)間又是

3、多少?解：(1)(2)2.83h0dXA6-=CA0(RA)0.95169.6min(2.83h)t=CA0XAfdXA0kAoCAod-XA)2kCA01-XA5.60.021-0.95因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)間仍為3.2擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng):=91.11kg/h=190.2kg/h原料體積流量:氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時(shí)間：XAft=CA091.11190.2二275.8l/hCA0dXA0kCACB1.020.326610001.231mol/10.95275.81kCA0XAfdXA10.952-2.968h0(1-XA)25.21.231

4、1-0.95(2)(2)反應(yīng)器的實(shí)際體積:Vr956.50.75=127513.3 丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：C2H5COONaHC1二C2H5COOHNaC1為二級(jí)可逆反應(yīng)（對(duì)丙酸鈉和鹽酸均為一級(jí)），在實(shí)驗(yàn)室中用間歇反應(yīng)器于 50C 等溫下進(jìn)行該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)開始時(shí)兩反應(yīng)物的摩爾比為 1,為了確定反應(yīng)進(jìn)行的程度，在不同的反應(yīng)時(shí)間下取出 10ml 反應(yīng)液用 0.515N 的 NaOHS 液滴定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)時(shí)間下，NaOH液用量如下表所示：時(shí)間，min010203050ocNaOFffl 量,ml52.232.123.518.914.410.5鈉的轉(zhuǎn)化率要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的 90%

5、試計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定（1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（50C）所需的時(shí)間為 20min,且在加熱過(guò)程中不進(jìn)行反應(yīng)；（2）卸料及清洗時(shí)間為 10min；（3）反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物密度恒定。解：用 A,B,R,S 分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸的濃度（也就是內(nèi)酸鈉的濃度，因?yàn)槠溆?jì)量比和投量比均為 1:1）為：-0.515CA=CB=05；-VNaoHmo1/110于是可求出 A 的平衡轉(zhuǎn)化率：CA0一CAe52.5-10.5XAe=0.8CA052.5XA=XAe90%=0.890%=0.720.515CA=CA0(1XA)一52.5(10.72)=0.0515

6、14.7mo1/110現(xiàn)以內(nèi)酸濃度對(duì)時(shí)間作圖：由上圖，當(dāng) CA=0.0515X14.7mol/l 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為 48min。由于在同樣條件下，間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間也是 48min。丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸鈉的量為：112.6/0.72=156.4mol/min原料處理量為：Q0=FA0/CA0=156.4/(0.051552.5)=57.841/min反應(yīng)器體積：Vr=Q0( (tt。) )=57.84(182010)=45121實(shí)際反應(yīng)體積：4512/0.8=564013.4 在間歇反應(yīng)器中，

7、在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：ABR14110003rA=1.11014exp（）（）CACBkmo1/m3.h其反應(yīng)速率方程為：T式中組分 A 及 B 的濃度 CA及 CB以 kmol/m3為單位，溫度 T 的單位為 K。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反應(yīng)開始時(shí)溶液不含 R,組分 A 和 B 的濃度均等于反應(yīng)混合物的平均熱容按 4.102kJ/m3.K 計(jì)算。反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)混 50Co試計(jì)算 A 的轉(zhuǎn)化率達(dá) 85%寸所需的反應(yīng)時(shí)間及此時(shí)的反應(yīng)溫度。如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物 R,是否可能？為什么？（由數(shù)值積分得出）T=32339.010.85=356.2K（2）若 A 全部轉(zhuǎn)化

8、為 R,即 X=1.0,則由上面的積分式知，t-8,這顯然是不可能的。30.04kmol/m,合物的溫度為(1)(D(2)(2)解：(1)T=T。CA0(HT)=(XA-XA0) )=3230.041-(-4000)1t=CA00CXAfdXF04.102XA=32339.01X(RA)J=CXA00Af1.11014exp(-dXAQACBdXA1100032339.01XA=91.32h)CA(1XA)23.5 在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng):ABCA=k1CACBD=I2CCCBA 的初始濃度為 0.1kmol/m3,C,D 的初始濃度為零，B 過(guò)量，反應(yīng)時(shí)間為 ti時(shí),CA=0.055km

9、ol/m3,C=0.038kmol/m3,而反應(yīng)時(shí)間為 t2時(shí)，CA=0.01kmol/m3,_3C=0.042kmol/m,試求：(D(2)(3)k2/ki;產(chǎn)物 C 的最大濃度；對(duì)應(yīng) C 的最大濃度時(shí) A 的轉(zhuǎn)化率。解：（1）因?yàn)?B 過(guò)量，所以：A=KCAJD=kzCcIC包容時(shí)：=AD=kiCA-k2CCdCA.AAKCAdtdCr.,寸=KCA-k2CC(A)(B)（B）式除以（A）式得：dCCk2cCT；dCAKCA解此微分方程得：將 tl,CA,Cc及 t2,CA,Cc數(shù)據(jù)代入(C)式化簡(jiǎn)得:0.420.55x-0.380.1x=0.420.55-0.380.1解之得：k?k?x

10、r-0.525=-k1k1先求出最大轉(zhuǎn)化率：i觸XA,max=1一(均)%=0.7425k2產(chǎn)物 C 的最大收率：1klYC,max=1|(1XAT1(1XA)=0.49051k.1k1產(chǎn)物 C 的最大濃度：_-3CCmax=CA0YCmax=00.4905=0.0491kmol/m3C.maxA0C.max3.6 在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)A1匕一國(guó) TA3初始的反應(yīng)物料中不含 4 和 A3,A 的濃度為 2mol/l,在反應(yīng)溫度下ki=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。試求：(1)(1)反應(yīng)時(shí)間為 1.0min 時(shí)，反應(yīng)物系的組成。(2)(2)反應(yīng)時(shí)間無(wú)

11、限延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)物系的組成。(3)(3)將上述反應(yīng)改為A-TA2。 &3TA3 反應(yīng)時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反應(yīng)情況，可分別列出微分方程，然后進(jìn)行求解。但仔細(xì)分析這兩種情況，其實(shí)質(zhì)是下述反應(yīng)的特例：A1-KTA2-KTA3(A).當(dāng)k2=0時(shí)，(A)式變?yōu)锳仁A2TA3(B)_.當(dāng)k1=0時(shí)，(A)式變?yōu)锳A2A3(C)當(dāng)月=0*2=0時(shí)，(A)式變?yōu)锳TA2TA3(D)其中式(D)即為書講的一級(jí)不可逆連串反應(yīng)?？梢?jiàn)只要得到(A)式的解，則可容易化簡(jiǎn)得到(B),(C)及(D)式的解。對(duì)于(A)式，可列出如下微分方程組：CC二kiICH3COCH3C6H50H生

12、產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于 0.08s-1,最終轉(zhuǎn)化率達(dá) 98.9%,試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。(1)(1)如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為 15min;(2)(2)如果是全混流反應(yīng)器；(3)(3)試比較上二問(wèn)的計(jì)算結(jié)果；(4)(4)若過(guò)氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？解：(1)0.81一0.989Vr=Q0(ttO)=QO(0.9415)=300lQ0=300/15.94=18.82l/min苯酚濃度C苯酚=CA0XA=3.20.989=3.165mol/1苯酚產(chǎn)量QOC苯酚=18.82父3.165=59.56mol/min=335

13、.9kg/h(2)全混流反應(yīng)器二CA0dXA0(RA)二CA00XAfdXAkA0cA0(1一XA)ln，k1XA=56.37s=0.94minVr二Q0cA0XAfQ0XAfkCA0(1XAf)k(1XAf)Vrk(1XAf)3000.08(1一0.989)=0.2669l/s=16.02l/minXAf0.989苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚=16.02父3.2父0.989=50.69mol/min=285.9kg/h(3)說(shuō)明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量， 這是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低， 反應(yīng)速度慢的原因。(4)由于該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，由上述計(jì)算可知，無(wú)論是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器，其原料處理量不變，

14、但由于 QB增加一倍，故 C 苯酚也增加一倍，故上述兩個(gè)反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.9 在間歇反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：3ABRrR=1.6CAkmol/m.h232ADrD=8.2C：kmol/m3.hrD及 rR分別為產(chǎn)物 D 及 R 的生成速率。反應(yīng)用的原料為 A 及 B 的混合液，其中 A 的濃度等于 2kmol/m3。(1)計(jì)算 A 的轉(zhuǎn)化率達(dá) 95%寸所需的反應(yīng)時(shí)間；(2)A 的轉(zhuǎn)化率為 95%寸，R 的收率是多少？(3)若反應(yīng)溫度不變，要求 D 的收率達(dá) 70%能否辦到？(4)改用全混反應(yīng)器操作，反應(yīng)溫度與原料組成均不改變，保持空時(shí)與(1)的反應(yīng)時(shí)間相同，A 的轉(zhuǎn)化率是

15、否可達(dá)到 95%(5)在全混反應(yīng)器中操作時(shí)，A 的轉(zhuǎn)化率如仍要求達(dá)到 95%其它條件不變，R 的收率是多少？(6)若采用半間歇操作，B 先放入反應(yīng)器內(nèi)，開始反應(yīng)時(shí) A 按(1)計(jì)算的時(shí)間均速加入反應(yīng)器內(nèi)。假如 B 的量為 1 吊，A 為 0.4m3,試計(jì)算 A 加完時(shí)，組分 A 所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率及 R 的收率。解：(1)第二章 2.9 題已求出 t=0.396h=24.23mindCRdCA.dCR一 1.6CA一1SR-()/()-2dtdtdCA1.6CA16.4CA110.25CACA=CA0(1一XA)=2(10.95)=0.1kmol/m31_12ln(110.25CA)lni10.

16、2553=0.2305kmol/mD 的收率:0.9532.8(1一XA)AdXA=0.83480.7034.4-32.8XACAcSRdCACA00.112110.25CACRCA00.2305=0.1153(3)若轉(zhuǎn)化率仍為 0.95,SD28.2CA1.616.4CA且溫度為常數(shù)，則 D 的瞬時(shí)選擇性為:32.8(1-XA)34.4一32.8XAYD二XAf0SDdXA這說(shuō)明能使 D 的收率達(dá)到 70%(4)對(duì)全混流反應(yīng)器，若使 T=t=0.3958h,則有0.3958;CA0-CA21.6CA16.4CA解之得：00.443300.4433XA=CA0-CA=0.77840.95所以：

17、CA0這說(shuō)明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到 95%(5)(5)對(duì)全混流反應(yīng)器，若 X=0.95，則 R 的收率為:(6)依題意知半間歇式反應(yīng)器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組 A的轉(zhuǎn)化率及 R 的收率，需要求出 A 及 R 的濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：采用間歇釜操作時(shí)，原料為 A 與 B 的混合物，A 的濃度為 2kmol/m3.現(xiàn)采用半間33歇釜操作，且VB=1m,VA=0.4m,故可算出原料 A 的濃度為：dt代入(1),(2)式則得如下一階非線性微分方程組:dCA7-CA2A=A1.6cA16.4CAYR=SXAfXAf0.95=0.4691110.25CAO(1-

18、XAf)110.252(1-0.95)d(VCA)對(duì) A：dt對(duì) R:d(VCR)dt2(1.6CA16.4CA)V=Q0CA01.6CAV=0(D(DV=VQtV0=1m3在反應(yīng)時(shí)間(t=0.4038h,為方便起見(jiàn)取 t(3)=0.4h)內(nèi)將 0.4m3的 A 均速加入反QO應(yīng)器內(nèi)，故04=1m3/h0.4CA0( (14kmol/m30.4由于：d(VCA)_5dVVdCAdtd(VC”dtdVdtdtY 喈dt1tAA(4)3.10 在兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進(jìn)行液相反應(yīng):2ABrA=68C；kmol/m3.h8-RrR=14CBkmol/m3.h加料中組分 A 的濃度為 0.2

19、kmol/m3,流量為 4n3/h,要求 A 的最終轉(zhuǎn)化率為 90%試問(wèn)：(1)(1)總反應(yīng)體積的最小值是多少？(2)(2)此時(shí)目的產(chǎn)物 B 的收率是多少？(3)(3)如優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改為 B 的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少？此時(shí)總反應(yīng)體積最小值是多少？解：(1)V5V=2Q0CA0XA12Q0cA0(XA2-XA；)k1CA(1XAI)2k2CA0(1XA2)23將 XA2=0.9 代入上式，則100(1-XA1) )=1XA1解之得 XA1=0.741所以總反應(yīng)體積的最小值為0.741+0.9-0.741168M0.21(10.741) )2(1-0.9)2一RB=34CA14CBCAI4(1

20、XAf)=0.05182RB1=34CA114cBi=0.0912314cBiVr1=CB1-CB0Q0RBdCR=1.6CAdtCRn(5)初始條件：t=0,CA=0,CR=0可用龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解。取步長(zhǎng)t=0.02h,直至求至 t=0.4h 即可。用 t=0.4h 時(shí)的 CA和 CR可以進(jìn)行 A 的轉(zhuǎn)化率和 R 的收率計(jì)算：NA0-NACAoVA-CAVXANAOCAOVA式中 VA為所加入的 A 的體積，且 VA=0.4m3;CA0為所加入的CA0=7kmol/m3;V 為反應(yīng)結(jié)束時(shí)物系的體積，V=1.4m3。A 的濃度，且YR=同理可以計(jì)算出 R 的收率：CRVCA0VA對(duì)上式

21、求 dVr/dXA1=0 可得:1XAI21XAI(1-XA2) )2二0Vr=V=1V=2=3.2494.676=7.925m3式中 CA0為常數(shù)。由題意，欲使 G2 最大，則需對(duì)上述二元函數(shù)求極值:鼻”J；112聯(lián)立上述兩個(gè)方程可以求出及P2。題中已給出 Q,故由Vr=Q0(Z+%) )可求出 CB2最大時(shí)反應(yīng)器系統(tǒng)的總體積。將，P2代入(5)式即可求出 B 的最高濃度，從而可進(jìn)一步求出YmaX將P2代入 0 x2,則由 XA2=(CA(TCA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率。3.11 在反應(yīng)體積為 490cm3的 CSTR 中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng):3.249CB1即40.09123

22、-14CB1解得 CBi=0.005992kmol/m34.676CB2CB1CB2-0.0059922同理一22434C；2-14CB234CA0( (1-XA2) )2-14CB23解得2=0.00126kmol/mCB220.00126YB=2Q-1.26%B 的收率：CA00.2目標(biāo)函數(shù)改為 B 的收率，這時(shí)的計(jì)算步驟如下：對(duì)于第衡算方程分別為：CAi一CAii 個(gè)釜, 組分 A,B 的對(duì) A:68cAiCBi-CBi對(duì) B:當(dāng) i=1C-2i34cAi14cBi時(shí)，A0-CA12二168CA(1)CB1234CA114CB1當(dāng) i=2 時(shí)，CA1-CA22二268CA2(2)(3)C

23、B2234CA2T4CB2二2(1)式解出 CAi代入(2)式可解出 CBi；由(1)式解出G2；將 CB1及 CA2代入(4)式可解出G2,其為 pB2=f(CA0,1,2) )CAi代入(4)(3)式可解1,P2的函數(shù)，即(5)Vr=Q0CA0XAf0CBQOCAOXAfkCA0(1XA) )(CB06-2-CAOXA)24即得:490=3XAf20.06447(1一XAf)(3.161.52.03XAf)2整理得：XAf3.075X；f3.162XAf1.077=0解得：XAf=0.821反應(yīng)器出口 A,B 得濃度分別為：CA=CA0(1一 XA)=2.03(10.821)=0.3634

24、mol/l-6一CB=CB0一CA0XA=3.161.52.030.821=0.66024mol/l3.12 在一多釜用聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h 的乙醇和 1.8kg.h 的醋酸進(jìn)行可逆反應(yīng)。各個(gè)反應(yīng)器的體積均為 0.01m3,反應(yīng)溫度為100C,酯化反應(yīng)的速率常數(shù)為 4.76x10-4l/mol.min,逆反應(yīng)（酯的水解）的速率常數(shù)為 1.63x10-4l/mol.min。反應(yīng)混合物的密度為 864kg/m3,欲使醋酸的轉(zhuǎn)化率達(dá) 60%求此用聯(lián)系統(tǒng)釜的數(shù)目。解：等體積的多釜用聯(lián)系統(tǒng)CAi7-CAik1CACB-k2CCCD(A)4NH36HCHO,(CENM6H2。式中(A)-NH3,(B)H

25、CH 或應(yīng)速率方程為：A=QACBmol/l.s3式中卜=1.42父10exp(-3090/T)o氨水和甲醛水溶液的濃度分別為1.06mol/l 和 6.23mol/l,各自以 1.50cm3/s 的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取為36C,假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率 XA及反應(yīng)器出口物料中氨和甲醛的濃度 G 及 CB0解：c4.06CAO2.03mol/1A02c6.32CB03.16mol/123Q0=21.5=3.0cm3/sCA0(1XA)_6CB=CBOCAOXA=3.16一1.52.03XA4k=1.42103exp(-3090/309)=0.06447A,B,C,D 分別代表

26、乙酸，乙酸乙酯和水。由計(jì)量關(guān)系得:CB=CB0-（CA0-CA）CC=CD=CA0-CA從已知條件計(jì)算出：3.13 以硫酸為催化劑， 由醋酸和丁醇反應(yīng)可制得醋酸丁酯。 倉(cāng)庫(kù)里閑置著兩臺(tái)反應(yīng)釜，一臺(tái)的反應(yīng)體積為 3m,另一臺(tái)則為 1 吊?，F(xiàn)擬將它們用來(lái)生產(chǎn)醋酸丁酯,初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的 0.濃度為 0.15kmol/m3,過(guò)剩，該反應(yīng)對(duì)醋酸為 2 級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于1.2m3/h.kmol,要求醋酸的最終轉(zhuǎn)化率不小于 50%這兩臺(tái)反應(yīng)釜可視為全混反應(yīng)器，你認(rèn)為采用怎樣的串聯(lián)方式醋酸丁酯的產(chǎn)量最大？為什么？試計(jì)算你所選用的方案得到量。如果進(jìn)行的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，這兩臺(tái)

27、反應(yīng)器的串聯(lián)方式又應(yīng)解：因?yàn)榉磻?yīng)級(jí)數(shù)大于 1,所以聯(lián)立方式應(yīng)當(dāng)是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進(jìn)行計(jì)算：22_QokCA0（1XA1）QOVr2_CAO（XA21）一3_22_QokCA0（1XA2）Qo二式聯(lián)立化簡(jiǎn)后得到：（將 XX2=0.5 代入）CA0CB034:6.484.0602.286410.33mol/1mol/14.0460.0186460129.6min4.0將上述數(shù)據(jù)代入（A）式，化簡(jiǎn)后得到：2CAI=0.04056CAi1.5113CAI-0.887若 i=1,則（B）式變?yōu)?解之得：CA1=4.36420.04056cAi1.5113cAi（B）一0.88

28、7=CA0=6.48若 i=2,則（B）式變?yōu)?解之得：CA2=3.20若 i=3,則（B）式變?yōu)椋航庵茫篊A3=2.53即：三釜串聯(lián)能滿足要求mo1/1,XA1=0.32620.04056CA21.5113cA20.887=CA1=4.364mo1/1,XA1=0.50620.04056CA31.5113cA30.887=CA2=3.2mo1/1,XA1=0.609丁酯則大量的醋酸丁酯產(chǎn)如何？VriCA0XA1230.52.75XA12.5XA1XA1=0解之得：XM=0.223QO-kCA0( (1XAI)QOVr2=CA0(XA2-XA1)=1_Q0kCA0(1一XA2)Q0解得 XA

29、I=0.39243k(IXAI)31.2(10.3924)5.575產(chǎn)量同前。說(shuō)明對(duì)此一級(jí)反應(yīng)，連接方式?jīng)]有影響。3.14 等溫下進(jìn)行 1.5 級(jí)液相不可逆反應(yīng)：ATB+C。5nT/kmol5.h,A 的濃度為 2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為 1.5m3/h,試分別計(jì)算下列情況下 A 的轉(zhuǎn)化率達(dá) 95%寸所需的反應(yīng)體積：(1)全混流反應(yīng)器;(2)兩個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)；(3)保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解：(1)全混流反應(yīng)器kCA0( (1XA1) )2V1.20.15(10.223)213fU二0.4873m/h醋酸丁酯產(chǎn)如果進(jìn)行的、A1=Q0CA0X

30、A20.223=0.48730.150.5=36.55級(jí)反應(yīng)，可進(jìn)行如下計(jì)算:mol/h(D(DVr1(1)小反應(yīng)器在前，大反應(yīng)器在后：CA0XA1Q0kCA0( (1XAI)QOVr2CA0( (XA2-XAI)3QOkCA0( (1XA2) )聯(lián)立二式，且將 XA2=0.5XA13XA10.5=0解得：XA1=0.1771Q0代入，化簡(jiǎn)后得到：所以有:k(1XA1) )XA1O71)=5.5760.1771/h醋酸丁酯產(chǎn)目_Q0CA0XA2=5.5760.150.5=0.4182=kmol/h(2)大反應(yīng)器在前，小反應(yīng)器在后：Vr1CA0 xA1m3/h所以有:XA10.3924反應(yīng)速率常

31、數(shù)等于Vr=Q0cA0XA1.520.95_151515kCA.5(1-XA)5M21M(1-0.95)元=18.02m3CA0XAkiCA0( (1XA)0.1(1-XA)所以：XA=0.80,CA=CA0(1XA)=0.02kmol/m3CR即為：100CACR0.08=0CR=0.02372kmol/m30.02372,0.23720.13.16 在全混流反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng):Vr1Q0cA0XA1V”kCA0(1-XA1) )1.5QCA0( (XA2-XA1) )kcA5( (1-XA2) )1.5由于Vr1=V2,所以由上二式得:XA1(XA2-XA1) )(1-XA1)

32、)1.5(1XA2) )1.5將 XA2=0.95 代入上式，化簡(jiǎn)后得到XAI=0.8245,所以:Vr1Q0cA0XA115=2.379kCA0(1-XA1) )1.5用聯(lián)系統(tǒng)總體積為：Vr=2Vr1=4.758(3)(3)此時(shí)的情況同( (1),即Vr=18.033.15原料以 0.5m3/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為 20m的全混流反應(yīng)器,進(jìn)行液相反應(yīng)：A=%CArD=k2cRCA,CR為組分 A 及 R 的濃度。rA為組分 A 的轉(zhuǎn)化速率，rD為 D 的生成速率。原料中 A的濃度等于 0.1kmol/m3,反應(yīng)溫度下，ki=0.1min-1,k2=1.25m3/kmol.min,試計(jì)

33、算反應(yīng)器出口處 A 的轉(zhuǎn)化率及 R 的收率。解：VrQ0網(wǎng):40min0.5XAYR=JCA02AuBACk3D360l/h,其中含 25%A,5%C 均按質(zhì)量百分率計(jì)算），料液密度等于若出料中 A 的轉(zhuǎn)化率為 92%試計(jì)算：所需的反應(yīng)體積；B 及 D 的收率。已知操作溫度下，k1=6.85X10-5l/mol.s;k2=1.296x10-9s1;k3=1.173X10-5l/mol.s;B 的分子量為 140;D 的分子量為140。解：因 MI=Ml=140,所以 M=M=702(%CAKCB)K3CACCk1CA一k2cB(4)1k3CA（5）式及上述數(shù)據(jù)代入（1）式，可整理為由,CBCC

34、0CCk3cAec(3)式分別得:_k1CA(3)=3.831X105s=106.4h(1)3(1)反應(yīng)體積Vr=Q0=106.4*360=38300l=38.30m(2)（2）將 p 代入（4）式得CB=1.016mol/l,所以 B 的收率為:YB2CBCA021.01682.60%2.46對(duì) A 作物料衡算:所以有：CA0-CA=2CBCD進(jìn)料速率為30.69g/cm(1)(1)(2)(2)FA0由;3600 690 25=0.8871kmol/hCA0MAFA0700.887110002.46mol/1360FC0Q0WCCA0MCC0.177410003600.690.050.177

35、4kmol/h70360CA0XA=0.4929mol/l(D(D(2)將（4）,（5）P 的代數(shù)方程式，解之得 TCD=CA0CA_2CB=CA0XA2CB=2.460.92-21.016=0.2312mo1/13.17在 CSTFfr 進(jìn)行下述反應(yīng)：C6H6C12k1C6H5C1HC1(B)(C)(M)(H)(I) )C6H5C1C12k2C6H4c12HC1(M)(C)(D)(H)(2)C6H4c12cl2k3C6H3c13HC1(D)(C)(T)(H)如果 ki/k2=8,k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯對(duì)苯的加料比=1.4,kir=1l/mol,(七為空時(shí))，試計(jì)算反

36、應(yīng)器出口 B,M,D,T,C 的濃度。各個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)。解：CB0=10kmo1/m3,k1/k2=8,k2/k3=30,Cco/CB0=1.4,k=1分別列出組分 B,M,D,T,C 的物料衡算式：By=CB0-CBC=CB0k1CBCC1cc(1)CM88cBecM:一,CM-k1CBCcFCMCC8CCN.CD30CCCMD:=，CD二卜2卻乂-k3CDCc240CCT：C,CT=-CCCDk3CcCD30C：Cc。2CD3CT由(5)式得：聯(lián)立(1),(2),(3),(4),(6)式(五個(gè)方程，五個(gè)未知數(shù))230CCCM240CBOCC240CC(240CC)(1CC)(8C

37、C)所以 D 的收率為:YD二以CA00.23122.46=9.40%(5)1.4CB0=CCCM2CD3CT=ce8cBec60CCCM1八八旦CeMCCCD8Cc240Cc10cD(6)由(2)式得:由(3)式得:CM8CBCC8CC8CB0CC(1CC)(8CC)CD(8)將(1),(7),(8)式代入(6)得:312_=33.51031.3710exp(-12628/T)CA0(1-XA)(CB0-CAOXA)2.65T-To二絕熱操作方程：由（3）式得：CAOLHr)XA(3)(4):CptCAO(-Hr)(T-TO)（4）代入（2）式得:_2_3-8CB0CC480CBOCC24C

38、B0CCBACBIBOCIBOCIBOC1.4CBO=CC(1CC)(8CC)(240CC)(1CC)(8CC)(240CC)(1%)(8CC)432整理得：CC475CC3562CC-9232CC-26880=0解得：CC=0.908kmol/m3即：1.410=3.3455.42722.23830.031214.0=14.03.18 根據(jù)例題 3.12 中規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，使用圖解法分析此反應(yīng)條件下是否存在多定態(tài)點(diǎn)？如果為了提高順丁烯二酸酊的轉(zhuǎn)化率，使原料以 0.001m/s 的流速連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，其它條件不變，試討論定態(tài)問(wèn)題，在什么情況下出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)？是否可能實(shí)現(xiàn)？解：由例 3.1

39、1,3.12 知：_12_3RA=KCACB=1.3710exp（12628/T）CACBkmol/m.sTO=326K,QO=0.01m3/h,Vr=2.65m333CAO=4.55kmol/m,CBO=5.34kmol/m3Hr=-33.5kJ/mol=33.510kJ/kmolEpt=1980kJ/m3.K移熱速率方程：qr=QoPCpt（T-TO）=19.8（T-326）（1）放熱速率方程：qg=（-Hr）（）（-RA）Vr代入（1）式得:代入（7）式得:代入（8）式得:代入（4）式得:驗(yàn)證:-103CB2.301kmol/m313.345CMCDCT82.3013.34583.345

40、35.427kmol/m3303.3455.4272403.3452.238kmol/m31X303.3452.238=0.0312kmol/m31.4CBO=CCCM2CD3g312_PCpt_qg=33.5x103黑1.37x10exp(12628/T)CA01p(T-T0)g-CAO(-AH/由上圖可知，此反應(yīng)條件下存在著兩個(gè)定態(tài)點(diǎn)。如果為了提高順丁烯二酸酊的轉(zhuǎn)化率，使Q=0.00lH7s,而保持其它條件不變，則這時(shí)的移熱速率線如 qr所示.、,一.、.、.一.一由圖可知，qr與 qg線無(wú)交點(diǎn)，即沒(méi)有定態(tài)點(diǎn)。這說(shuō)明米用上述條件是行不通的。從例 3.11 可知，該反應(yīng)溫度不得超過(guò) 373K

41、,因此從圖上知，不可能出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)的情況。3.19 根據(jù)習(xí)題 3.3 所規(guī)定的反應(yīng)及給定數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問(wèn)：(1)(1)在操作條件均不變時(shí)，丙酸的產(chǎn)量是增加還是減少？為什么？(2)若丙酸鈉的轉(zhuǎn)換率和內(nèi)酸產(chǎn)量不變，所需空時(shí)為多少？能否直接應(yīng)用 3.3中的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時(shí)？(3)若把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時(shí)間為(2)中單釜操作時(shí)平均停留時(shí)間的三分之一，試預(yù)測(cè)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。解：(1)在操作條件均不變時(shí)，用習(xí)題 3.3 中已算出的 Vr=4512l,Q0=57.84l/min,則可求出空時(shí)為 r=4512/57.84=78min0此即間歇操作時(shí)的(t+t。)

42、。當(dāng)改為連續(xù)操作時(shí)，轉(zhuǎn)化率下降了，所以反應(yīng)器出口丙酸的濃度也低于間歇反應(yīng)器的結(jié)果。因 Q 維持不變，故最后必然導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降。這是由于在連續(xù)釜中反應(yīng)速率變低的緣故。(2)若維持 X=0.72,則可由 3.3 題中的數(shù)據(jù)得出 X=0.72 時(shí)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率，進(jìn)而求出這時(shí)對(duì)應(yīng)的空時(shí) r=246.2min。因題意要求丙酸產(chǎn)量不變，故 Q 不能變，必須將反應(yīng)器體積增大至 14240l 才行。(3)這時(shí) r1=r/3=82.1min。利用 3.3 題中的數(shù)據(jù)，可求出 RAXA之關(guān)系，列表如下：XA00.10.20.40.60.8-RA0.17190.13910.10960.06016:0.0236

43、3:0故可用作圖法求此串聯(lián)三釜最終轉(zhuǎn)化率。第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為:XA3=0.787。3.20 根據(jù)習(xí)題 3.8 所規(guī)定的反應(yīng)和數(shù)據(jù)，在單個(gè)全混流反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率為 98.9%,如果再有一個(gè)相同大小的反應(yīng)釜進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，要求達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率時(shí)，生產(chǎn)能力各增加多少？T326330340350360362.5365367.5370qg44.163.87149.7314.8586.7670.81756.8851.8942.1-PCpt 1542CB0(T-T0)M2.65=553.3X10exp(-12628/T)(128.8-0.6291T+7.677父10-T)(-HJj1(5)由(1)式及

44、(5)式作圖得:解：(1)二個(gè) 300l 全混用聯(lián)釜，2=0.989,QOXAI-300k(1XAI)VQO( (XA2-XAI)Vr2二二300k(1-XA2)(2)解得：XAI=0.8951代入(1)式求出此系統(tǒng)的體積流量：3.8 題中已算出QO,1=16.02l/min。因?yàn)樽罱K轉(zhuǎn)化率相同，故生產(chǎn)能力增加168.7/16.02=10.53 倍。(2)二個(gè) 3001 釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時(shí)，Q 增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。3.21 在反應(yīng)體積為 0.75m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行醋酊水解反應(yīng)，進(jìn)料體積流量為 0.05m3/min,醋酊濃度為 0.22kmo1/油溫度為 25C,出料溫度

45、為 36C,該反應(yīng)為一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)等于-209kJ/mo1,反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：k=1.8義10-7exp(-5526/T),min-1反應(yīng)物料的密度為常數(shù)，等于 1050kg/m3,熱容可按 2.94kJ/kg.C 計(jì)算。該反應(yīng)器沒(méi)有安裝換熱器，僅通過(guò)反應(yīng)器壁向大氣散熱。試計(jì)算：(1)(1)反應(yīng)器出口物料中醋酊的濃度；(2)(2)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量。解：T0=298K,T=3O9K,QO=0.05m3/min_3Hr=-209103kJ/kmolk=1.8107exp(-5526/309)=0.308(1)(1)求轉(zhuǎn)化率：解得:XAf=0.8221反應(yīng)器出口物料中醋酊濃度:3CA=CAO(1一XA)=0.22(1一0.8221)=0.03914kmol/m3(2)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量：Q=QOCpt(TTO)(Hr)(RA) )Vr=0.0510502.94(309一298)(209103)0.3080.22(10.8221)0.75191kJ/min3.22 在反應(yīng)體積為 1m3的釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應(yīng)生產(chǎn)丙二醇-1,2:H2