反應(yīng)工程答案精品文檔15

1、4管式反應(yīng)器4.1在常壓及800 c等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列氣相均相反應(yīng)： 在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：式中G及G分別為甲苯及氫的濃度，mol/l ,原料處理量為2kmol/h ,其中甲苯與氫的摩爾比等于 1。若反應(yīng)器的直徑為50mm試計(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn) 化率為95%外的反應(yīng)器長(zhǎng)度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過(guò)程，原料甲苯與氫的摩爾比等于1,即：XTVr QoCto 0dXT1.5Ctc0.5CT0 CH0,則有：CT CH CT0（1 Xt ） 示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中： 所以，所需反應(yīng)器體積為：ccXT dXTQc)Ct0150 T0 0 1.5CT0.278 1

2、0 30.95dXT0 1.5(5.68 10 3)1.5(1Xt)1.50.4329(1 0.95)133.006m1.5 1所以，反應(yīng)器的長(zhǎng)度為:3.00620.052 3.14/41531.1m根據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn) 乙二醇，試計(jì)算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。解：題給條件說(shuō)明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過(guò)程，在習(xí)題 3.2中已算出： 所以，所需反應(yīng)器體積：由計(jì)算結(jié)果可知，活塞流反應(yīng)器的反應(yīng)體積小，間歇釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積大，這是由于間歇式反應(yīng)器有輔助時(shí)間造成的。1.013 X105Pa及20c下在反應(yīng)體積為 0.5m3的活塞流反應(yīng)器進(jìn)行

3、一氧化氮氧化反應(yīng)：式中的濃度單位為 kmol/m3。進(jìn)氣組成為 10%NO,1%NO%O,80%N,若進(jìn)氣流量為0.6m3/h （標(biāo)準(zhǔn)狀況下），試計(jì)算反應(yīng)器出口的氣體組成。解：由NO氧化反應(yīng)計(jì)量方程式可知此過(guò)程為變?nèi)葸^(guò)程，其設(shè)計(jì)方程為：Vr p XA dXA八 CA0 c42Q00 1.4 10 CaCb（a）示中A,B分別代表NO和Q。由題意可知，若能求得出口轉(zhuǎn)化率，由（2.54）式得：便可求出反應(yīng)器出口氣體組成。已知：所以，反應(yīng)速率為：再將有關(guān)數(shù)據(jù)代入（A）式：30.5 14 4.159 10 341.789 10Xa0 (1(1 0.05Xa)32Xa) (3.743 2.078Xa)d

4、XA(B)用數(shù)值積分試差求得:Xa 99.7%A因此，另：本題由于惰性氣體 Nb占80%故此反應(yīng)過(guò)程可近似按恒容過(guò)程處理, 也不會(huì)有太大的誤差。4.4在內(nèi)徑為76.2mm的活塞流反應(yīng)器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：反應(yīng)壓力及溫度分別為 2.026 X 105Pa及815CO進(jìn)料含50%(mol)C2H,其余 為水蒸汽。進(jìn)料量等于 0.178kg/s 。反應(yīng)速率方程如下：1式中pa為乙烷分壓。在815c時(shí)，速率常數(shù)k 1.0s ,平衡常數(shù) 4K 749 10 Pa ,假定其它副反應(yīng)可忽略，試求：(1)此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率；(2)乙烷的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50%外，所需的反應(yīng)管長(zhǎng)。解：(1)設(shè)下標(biāo)A一

5、乙烷，B一乙烯，H一氫。此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求?。喝粢?摩爾GH為基準(zhǔn)，反應(yīng)前后各組分的含量如下：反應(yīng)前 1001 2平衡時(shí) 1-X e X e X e 1 2+ X e因此，平衡時(shí)各組分分壓為: 將其代入平衡式有： 解此一元二次方程得：Xe 0.61(2)(2)所需的反應(yīng)管長(zhǎng)：首先把反應(yīng)速率方程變?yōu)橐员ＷC速率方程的單位與物料衡算式相一致。已知：代入物料衡算式有其反應(yīng)管長(zhǎng)：4.5于277C, 1.013 X105Pa壓力下在活塞流反應(yīng)器進(jìn)行氣固相催化 反應(yīng)：催化劑的堆密度為700kg/m3,在277c時(shí)，B的轉(zhuǎn)化速率為：式中的分壓以Pa表示，假定氣固兩相間的傳質(zhì)阻力可忽略不計(jì)。加料組

6、成為23%B,46%A,31%Q均為重量 衿，加料中不含酯，當(dāng) 入=35%寸，所需的催化劑量是多少？反應(yīng)體積時(shí)多少？乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。解：由反應(yīng)計(jì)量方程式知反應(yīng)過(guò)程為恒容過(guò)程，將速率方程變?yōu)锽組分轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，其中：為求各組分初始分壓，須將加料組成的質(zhì)量百分比化為摩爾百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q。于是有：將上述有關(guān)數(shù)據(jù)代入設(shè)計(jì)方程：采用數(shù)值積分便可得到所需的催化劑量：W 1.01 10 kg 其反應(yīng)體積為：二氟一氯甲烷分解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)：流量為2kmol/h的純CHC1F2氣體先在預(yù)熱器預(yù)熱至 700 C,然后在一活塞 流反應(yīng)器中700c等溫下反應(yīng)。在

7、預(yù)熱器中 CHC1E已部分轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率為 20%若反應(yīng)器入口處反應(yīng)氣體的線(xiàn)速度為20m/s,當(dāng)出口處 CHC1F2的轉(zhuǎn)化率為40.8%時(shí)，出口的氣體線(xiàn)速度時(shí)多少？反應(yīng)器的長(zhǎng)度是多少？整個(gè)系統(tǒng)的壓力均為1.013 xi05Pa, 700c時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)等于 0.97s-1。若 流量提高一倍，其余條件不變，則反應(yīng)器長(zhǎng)度是多少？解：反應(yīng)歷程如下圖所示：_預(yù)熱器溫度斤;T線(xiàn)速度U0u轉(zhuǎn)化率Xao=0X該反應(yīng)為變?nèi)葸^(guò)程，其中yA0由(2.50)式知：inTf=TiNinufA,inXA,f1, A 1/2由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的線(xiàn)速度: 其出口處氣體線(xiàn)速度為： 由設(shè)計(jì)方程計(jì)算出

8、反應(yīng)器長(zhǎng)度：那么需求出以反應(yīng)器入口為基準(zhǔn)的出口轉(zhuǎn)化率 據(jù)Xa=FalFJFa0,可求 出 FA,in =1.6kmo1/h,F Af=1.184kmo1/h,所以，XAf=(1.6-1.184)/1.6=0.26 。 因而有：這是由于反應(yīng)器的截面積沒(méi)有固定，固定的是反應(yīng)氣體的線(xiàn)速度等條件， 因此，當(dāng)流量提高一倍時(shí)，而其余條件不變，則反應(yīng)器的長(zhǎng)度并不變，只 是其截面積相應(yīng)增加。擬設(shè)計(jì)一等溫反應(yīng)器進(jìn)行下列液相反應(yīng)：目的產(chǎn)物為R,且R與B極難分離。試問(wèn)：(1)在原料配比上有何要求？(2)若采用活塞流反應(yīng)器，應(yīng)采用什么樣的加料方式？(3)如用間歇反應(yīng)器，又應(yīng)采用什么樣的加料方式？解：對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，選擇

9、的原則主要是使目的產(chǎn)物R的最終收率或選擇性最大，根據(jù)動(dòng)力學(xué)特征，其瞬時(shí)選擇性為：由此式可知要使S最大，。越小越好，而Cb越大越好，而題意又給出 R與B極難分離，故又要求 G不能太大，兼顧二者要求：(1)原料配比，如果 R與B極難分離為主要矛盾，則除去第二個(gè)反應(yīng)所 消耗的A量外，應(yīng)按第一個(gè)反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比配料，而且使B組分盡量轉(zhuǎn)化。(2)若采用PFR應(yīng)采用如圖所示的加料方式，即A組分沿軸向側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料，而B(niǎo)則在入口處進(jìn)料。(3)如用半間歇反應(yīng)器，應(yīng)采取 B 一次全部加入，然后慢慢加入 A組分， 直到達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率為止。在管式反應(yīng)器中400 c等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該 反應(yīng)的活化能等

10、于39.77kJ/mo1?，F(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下 （采用等溫操作），增產(chǎn)35%請(qǐng)你擬定一具體措 施（定量說(shuō)明）。設(shè)氣體在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：可知，Q與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，而改變反應(yīng)溫度又只與k有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。具體值為：解此式可得：T2=702.7K。即把反應(yīng)溫度提高到 702.7K下操作，可增產(chǎn)35%根據(jù)習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計(jì)算 苯酚的產(chǎn)量，并比較不同類(lèi)型反應(yīng)器的計(jì)算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：將已知數(shù)據(jù)代入得：3解得：Qo 0.319m /min所

11、以苯酚產(chǎn)量為：由計(jì)算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反應(yīng)器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式反應(yīng)器的產(chǎn)量。但間歇式反應(yīng)器若不計(jì)輔助時(shí)間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同（當(dāng)然要在相同條件下比較）。根據(jù)習(xí)題3.9所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，反應(yīng)溫 度和原料組成均保持不變，而空時(shí)與習(xí)題 3.9 （1）的反應(yīng)時(shí)間相同，A的 轉(zhuǎn)化率是否可達(dá)到95% R的收率是多少？解：對(duì)于恒容過(guò)程，活塞流反應(yīng)器所需空時(shí)與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間相同，所以A的轉(zhuǎn)化率是可以達(dá)到 95%勺o(hù) R的收率與間歇反應(yīng)器時(shí)的收 率也相同，前已算出收率為11.52%。根據(jù)習(xí)題3.14所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計(jì)算：（1）所需的

12、反應(yīng)體積；（2）若用兩個(gè)活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積 是多少？解：（1）用PFR時(shí)所需的反應(yīng)體積：（2）若用兩個(gè)PFR串聯(lián)，其總反應(yīng)體積與（1）相同。在管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相基元反應(yīng)：A B C,加入物料 A為氣相，B為液體，產(chǎn)物C為氣體。B在管的下部，氣相為 B所飽和，反 應(yīng)在氣相中進(jìn)行。已知操作壓力為1.013 X 105Pa, B的飽和蒸汽壓為2.532 X 104Pa,反應(yīng)溫 度340C,反應(yīng)速率常數(shù)為 102吊/mol.min ,計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)50%寸，A 的轉(zhuǎn)化速率。如 A的流量為0.1m3/min ,反應(yīng)體積是多少？解：此反應(yīng)為氣相反應(yīng)，從化學(xué)計(jì)量方程式看，是變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程，但 氣

13、相中Pb為常數(shù)，故可看成恒容過(guò)程。假定為理想氣體，其中： 當(dāng)X=50%寸，A的轉(zhuǎn)化速率為：533RA kCACB 105 4.97 10 3 0.0149 （1 0.5） 3.7kmol /m3.min33當(dāng) Q0A 0.1m /min 時(shí) Q0B 0.1 0.2532/0.7598 0.033m /min3所以 Q0 Q0A Q0B 0.133m /min此時(shí)蘇需反應(yīng)體積為：在一活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列反應(yīng)：兩反應(yīng)均為一級(jí)，反應(yīng)溫度下，ki=0.30min-1, k2=0.10min-1。A的進(jìn)料流量 為3m7h,其中不含P和Q,試11算P的最高收率和總選擇性及達(dá)到最大收 率時(shí)所需的反應(yīng)體積。

14、解：對(duì)一級(jí)連串反應(yīng)可得如下關(guān)系是：Yp11 k2 / k1(1XA)k2/k1(1 Xa)(A)若求最高收率，即令:YP / X a 0 ,可得到：將(XA)m代入(A)式得最高收率：P的總選擇性：達(dá)到最大收率時(shí)的反應(yīng)體積為：液相平行反應(yīng)：式中a為化學(xué)計(jì)量系數(shù)。目的產(chǎn)物為Po(1)寫(xiě)出瞬時(shí)選擇性計(jì)算式。(2)若a 1 ,試求下列情況下的總選擇性。(a)活塞流反應(yīng)器 Cx0=G0=10kmol/m3,CAf=Gf=1kmol/m3;(b)連續(xù)釜式反應(yīng)器，濃度條件同(a);(c)活塞流反應(yīng)器，反應(yīng)物 A和B的加入方式如下圖所示。反應(yīng)物A從反應(yīng)器的一端連續(xù)地加入，而 B則從不同位置 處分別連續(xù)加入，

15、使得器內(nèi)處處B的濃度均等于1kmol/m3,反應(yīng)器進(jìn)出口處A的濃度分別為19和1kmol/m3。解：(1)設(shè)A為關(guān)鍵組分，目的產(chǎn)物 P的瞬時(shí)選擇性為：(2)若a 1 ,求下列情況下的總選擇性。(a)活塞流反應(yīng)器，因?yàn)镚o=G。,其化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，所以 Ca=G,則有Sp0.5Ca ,因此(b)連續(xù)釜式反應(yīng)器SpPFR,且B側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料，器內(nèi)B的濃度均等于1kmol/m3,則0.5CA4.15在活塞流反應(yīng)器中等溫等壓(5.065 X 104Pa)下進(jìn)行氣相反應(yīng)式中R為A的分壓Pa,原料氣含量 A10%(mol),其余為惰性氣體。若原 料氣處理量為1800標(biāo)準(zhǔn)m/h ,要求A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%計(jì)

16、算所需的反應(yīng) 體積及反應(yīng)產(chǎn)物 Q的收率。解：此反應(yīng)為復(fù)合反應(yīng)系統(tǒng)，一般需要多個(gè)物料衡算式聯(lián)立求解，方 能解決問(wèn)題。但這里三個(gè)平行反應(yīng)均為一級(jí)，可簡(jiǎn)化處理。其組分 A的總 轉(zhuǎn)化速率為： 又為變?nèi)葸^(guò)程:其中i 0, 23 2,所以有a 0.6875所需反應(yīng)體積為：A1.一rQ1 1.777 10 5 PAYq250.5626產(chǎn)物Q的收率：Ra1.5794 10 5 Pa在充填鈕催化劑的活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行苯(B)氧化反應(yīng)以生產(chǎn)順丁烯二酸酊(MA：這三個(gè)反應(yīng)均為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)活化能( kJ/mol )如下：E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子(kmol/kg.h.Pa )分

17、別為A=0.2171,A 2=1.372 X 108,A3=470.8反應(yīng)系在1.013 X105Pa和704K等溫進(jìn)行。原料氣為苯蒸汽與空氣的混合氣，其中含苯1.8% (mol)?，F(xiàn)擬生產(chǎn)順丁烯二酸酊 1000kg/h,要求其最終 收率為42%假設(shè)(1)可按恒容過(guò)程處理；(2)可采用擬均相模型。試計(jì) 算(1)苯的最終轉(zhuǎn)化率；(2)原料氣需用量；(3)所需的催化劑量。解：(1)由題意知：dCB/d (K k3)CB,解之得：或：且：解此一階線(xiàn)性微分方程有：已知：代入上式化簡(jiǎn)得到：通過(guò)試差求出：XB 8345%(2)原料氣需用量。由收率定義知：YMA nMA/nB0 FMA /FB0總原料氣為

18、Ft 24.295/ 0.018 1349.75kmol /h(3)欲使紿達(dá)到83.45%,所需催化劑量由物料衡算式求得：(1)寫(xiě)出絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系的微分方程；(2)在什么情況下該方程可化為線(xiàn)性代數(shù)方程，并寫(xiě)出方程?；卮饐?wèn)題(1), (2)時(shí)必須說(shuō)明所使用的符號(hào)意義；(3)計(jì)算甲苯氫解反應(yīng)C6H 5cH 3 H2 C6H 6 CH4的絕熱溫升。原 料氣溫度為873K,氫及甲苯的摩爾比為 5。反應(yīng)熱 H98=-49974J/mol 。熱 容(J/mol K )數(shù)據(jù)如下：印Cp=20.786CH4: C p=0.04414T+27.87GH: C p=0.1067T+103.

19、18 C eHCH: C p=0.03535T+124.85(4)在(3)的條件下，如甲苯最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%試計(jì)算絕熱反應(yīng)器的出口溫度。解：(1)絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度 T與轉(zhuǎn)化率 兄的微分方程：dTWA0(H r)TrMACptdXA(A)式中(Hr)Tr為基準(zhǔn)溫度下的熱效應(yīng)；Cpt為反應(yīng)物料在基準(zhǔn)溫度下與反應(yīng)溫度T之間的熱容；WA0為組分A的初始質(zhì)量分率；MA為組分A的分子量(2)如果不考慮熱容 d隨物料組成及溫度的變化，即用平均溫度及平均 組成下的熱容C 代替，則積分(A)式得：T To (Xa Xao)(B)式中：To為反應(yīng)入口； Xao為初始轉(zhuǎn)化率：此時(shí)(A)式化為線(xiàn)性方程。當(dāng)

20、 0=0時(shí)，又可寫(xiě)成：(3)求絕熱溫升。已知 飛=873K,Xa0=0,A表示關(guān)鍵組分甲苯，其初始摩爾分率yA0=1/6,為計(jì)算方便將(B)式改寫(xiě)成：T T0yA0( H r )T0C pt(C)此時(shí)C pt是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的。選入口T0為基準(zhǔn)溫度，需求出反應(yīng)熱(H r )873 5以轉(zhuǎn)化1mol甲苯為計(jì)算基準(zhǔn)，則有：298(Hr )873 49974 20.786(298 873)(0.03535T 124.85)dT TOC o 1-5 h z 873 29829880468.2J / mol(0.04414T 27.87)dT(0.1067T 103.18)dT873873從基準(zhǔn)溫度To

21、到出口溫度反應(yīng)物料的平均熱容為：T7 4 -1 -1 C pt CpH2 CpCH4 CpC6H 6(D)666式中各組分熱容為各組分從基準(zhǔn)溫度至出口溫度的平均熱容。其絕熱溫 升：yA0(Hr)8731/ 6 f0468.2C ptC pt(E)因?yàn)榉磻?yīng)出口未知，所以需將(C),(D)及(E)式聯(lián)立試差求解得：222K(4)在(3)的條件下，當(dāng)XA=0.7時(shí)，絕熱反應(yīng)器的出口溫度：4.18氨水(A)與環(huán)氧乙烷(B)反應(yīng)以生產(chǎn)一乙醇胺(M),二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反應(yīng)如下：反應(yīng)速率方程為：該反應(yīng)系在等溫下進(jìn)行，目的產(chǎn)物為一乙醇胺。(1)請(qǐng)你提出原料配比的原則，并說(shuō)明理由。(2)選定一種合適的

22、反應(yīng)器型式和操作方式。(3) 根據(jù)(2)的結(jié)果，說(shuō)明原料加入方式。(4)反應(yīng)時(shí)間是否有所限制？為什么？解：(1)若提出原料配比原則，應(yīng)分析其動(dòng)力學(xué)特征。這里以 B為關(guān) 鍵組分，目的產(chǎn)物M的瞬間選擇性：由此看出Ca增大時(shí)，則S也增大，無(wú)疑，相對(duì)來(lái)說(shuō) CB減少。也就是說(shuō)配比 原則是：允許的條件下，盡量使 A過(guò)量。(2)根據(jù)(1)的結(jié)果，可選活塞流反應(yīng)器，并使B從側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料，而A從進(jìn)口進(jìn)料，采用連續(xù)操作，如圖所示：(3)加料方式如(2)中的圖示。(4)反應(yīng)時(shí)間即停留時(shí)間有限制，因?yàn)槟康漠a(chǎn)物 M為中間產(chǎn)物，存在最 佳收率，為達(dá)到最大收率，須控制最佳反應(yīng)時(shí)間。4.19現(xiàn)有反應(yīng)體積為im的活塞流反應(yīng)器兩

23、個(gè)，擬用來(lái)分解濃度為3.2kmol/m 3的過(guò)氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)不可 逆反應(yīng)，并在86 c等溫下進(jìn)行，此時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1。過(guò)氧化氫異丙苯溶液處理量為 2.4m3/min。試計(jì)算下列各種情況下過(guò)氧化氫異丙 苯溶液的轉(zhuǎn)化率。(1)兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作；(2)兩個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)操作，且保持兩個(gè)反應(yīng)器的原料處理量相同，即均等于1.2 m 3/min ;(3)兩個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)操作，但兩者原料處理量之比為1: 2,即一個(gè)為 0.8 m 3/min ,另一個(gè)則為 1.6 m 3/min ;(4)用一個(gè)反應(yīng)體積為2 m3的活塞流反應(yīng)器替代；(5)若將過(guò)氧化氫異丙苯的濃度提高

24、到4 kmol/m3,其余條件保持不變，那么，上列各種情況的計(jì)算結(jié)果是否改變？相應(yīng)的苯酚 產(chǎn)量是否改變？(6)比較上列各項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果并討論之，從中你得到哪些結(jié)論？解：(1)兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作如圖示：總反應(yīng)體積為：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入即得：(2)結(jié)果同(1)。3(3)第一個(gè)反應(yīng)器，Q01 0.8m /min ,3而第二個(gè)反應(yīng)器，Q02 1.6m /min ,兩個(gè)反應(yīng)器出口混合后：(4)用一個(gè)反應(yīng)體積為2m代替，其結(jié)果同(1)(5)當(dāng)C。提高到4kmool/m3時(shí), 由XAf 1 e 可知，轉(zhuǎn)化率與C。無(wú) 關(guān)，所以，上列各種情況計(jì)算結(jié)果不變，而對(duì)苯酚產(chǎn)量：(以摩爾流量表示)說(shuō)明苯酚產(chǎn)量與CA0成正比，即

25、產(chǎn)量增加。(6)從上列各種計(jì)算結(jié)果比較看出：(a)幾個(gè)PFR串聯(lián)與用一個(gè)大的PFR 只要保持二者的總體積相同，其效果是一樣的。(b)在并聯(lián)時(shí)，只要保持Vr1/Q01 V/2/Q02 ,其結(jié)果也是相同的。但Vr1 / Q01 Vr2/Q02時(shí)，其總轉(zhuǎn) 化率是下降的。(C)對(duì)一級(jí)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化率與。無(wú)關(guān)，但目的產(chǎn)物的產(chǎn)量與CA。成正比關(guān)系。4.20在活塞流反應(yīng)器中絕熱進(jìn)行丁二烯和乙烯合成環(huán)乙烯反應(yīng)：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)，反應(yīng)速率方程為：進(jìn)料為丁二烯與乙烯的等摩爾混合物，溫度為440 C 0操作壓力1.013 X105Pa。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-1.256 X 105kj/mol。假定各氣體的熱容為常 數(shù)，

26、且Cp產(chǎn)154, Cpb=85.6, C pf=249,單位為J/mol.K 。要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率 達(dá)12%試計(jì)算(1) 空時(shí)，平均停留時(shí)間及出口溫度；(2)若改在440 c下等溫進(jìn)行，重復(fù)(1)的計(jì)算；(3)440 c下等溫反應(yīng)時(shí)所需移走的熱量。解：(1)此反應(yīng)為絕熱變溫變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)：平均停留時(shí)間：出口溫度：T T0Xa,已知：yA0 0.5，Ca0 Cbo, a 1 2/11,并假定選入口溫度 440c為基準(zhǔn)溫度，題給Hr為440c下的熱效應(yīng)。若以1molA為基準(zhǔn),則：反應(yīng)前 1102X A 1-X A 1-X A X A 2-X A所以，當(dāng)Xa=0.12時(shí)，將數(shù)據(jù)代入并用數(shù)值積分得：1

27、38.544 100.12(10.5XA)2dXA7/138402 /713、23.16 10 exp( )(1 Xa)()713 521.5Xa713 521.5XA18.544 10 30.1268.1s(1 0.5Xa-Xa71384027133.16 107 exp()(1 Xa)2()713 521.5Xa713 521.5Xa67.5sT 273 440 521.5 0.12 775.6K在440 c下等溫反應(yīng)k 3.16 107 exp( 13840/ 713) 0.117210.12(1 0.5XA)2dXA3.28.544 10 3 0.117 0(1 XA)211Z3 Z8

28、.544 10 3 0.1172( 0.5)(10.5)ln(1Xa)2(0.5)2Xa2(1 0.5)2Xa1 Xa0.120128s10.12(1 0.5XaHXaT_ 3 Z _28.544 10 3 0.117 0(1 XA)21(1 0.5) X aTZ3 Z8.544 10 3 0.1171 XA0.5ln11 Xa0.120132sT 440 273 713K(3)440c等溫反應(yīng)，需移走熱量，如果忽略由于反應(yīng)造成的各組分的變化所 引起的熱容量變化，則若維持等溫反應(yīng)必須移走反應(yīng)所放出的熱量：其中Fa6的單位為mol/h環(huán)氧乙烷與水反應(yīng)生成乙二醇，副產(chǎn)二甘醇：這兩個(gè)反應(yīng)對(duì)各自的反應(yīng)

29、物均為一級(jí)，速率常數(shù)比k2/k1為2,原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為 20,且不含產(chǎn)物。(1)選擇何種型式的反應(yīng)器好？(2)欲使乙二醇的收率最大，轉(zhuǎn)化率為多少？(3)有人認(rèn)為采用活塞流反應(yīng)器好，乙二醇收率高但環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率低， 故建議采用循環(huán)反應(yīng)器以提高總轉(zhuǎn)化率，你認(rèn)為這種建議是否可行？如果循環(huán)比。=25,并使空時(shí)與第(2)問(wèn)的空時(shí)相等，則此時(shí)總轉(zhuǎn)化率及乙二 醇的收率是提高還是降低？ 解：(1)為解決問(wèn)題方便，選HbO(B)為關(guān)鍵組分，環(huán)氧乙烷，乙二醇分別用A和Q表示。則乙二醇的瞬時(shí)選擇性為：分析可知欲使St必?K使Qt,即使KO過(guò)量，因而選PFR且水從反應(yīng)器入口進(jìn)料，而環(huán)氧乙烷從側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料，

30、相對(duì)來(lái)講可使Cb更大。(2)對(duì)水，乙二醇，二甘醇(E)為連串反應(yīng)，存在最大收率(對(duì)乙二醇而言)，此反應(yīng)為液相反應(yīng)可視為恒容過(guò)程，根據(jù)速率方程有：dCQQ 1 dCB因 CB CB0(1k2CQkGXb),Cq(A)CqoYq,故上式又可寫(xiě)成:dYQ ,k2YQ1 dXBk1(1 Xb)初始條件Xb=0,Yq=0,解此一階線(xiàn)性常微分方程有:1YQ小 準(zhǔn))2 1 =(C)第10頁(yè)Yq令Xb0有:本題給原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為20,其轉(zhuǎn)化率是不可能達(dá)到這最佳轉(zhuǎn)化率的。但它告訴我們，當(dāng) C=0時(shí)，為乙二醇的最大收率，即：CAC A0CB0X B c B0( X BYq)0(D)1解：OCB0 v2

31、KXbCA0cYqCA0又因?yàn)椋捍肟傻?nB：n a=20:1CB0,所以有CA020(E)Yq 2Xb 0.05將(E)式代入(C)式化簡(jiǎn)后可得: 解此一元二次方程得：Xb=0.048,也就是說(shuō)欲使乙二醇收率最大，關(guān)鍵組 分水的轉(zhuǎn)化率為4.8%。(3)有人建議采用循環(huán)反應(yīng)器，以提高轉(zhuǎn)化率是不行的，因?yàn)樵黾恿朔祷?，降低了反?yīng)速率，反而使 Xb降低。如年=25時(shí)，可視為CSTR當(dāng)空時(shí) 與(2)中的空時(shí)相等時(shí)，使總轉(zhuǎn)化率下降，且使乙醇收率降低。有一自催化液相反應(yīng)A P,其速率方程為_(kāi).，_3,3Ra kCACPkmol /m .min 反應(yīng)溫度下，k Im/kmol.min,3CA0 2kmol

32、/m每小時(shí)處理1000mol原料，其中A占99%(mol),其余為Po要求最終轉(zhuǎn)化率為 90%(D為使所需反應(yīng)體積最小,采用何種型式反應(yīng)器好？并算出你所選用的反應(yīng)體積。(2)如果采用循環(huán)反應(yīng)器，請(qǐng)確定最佳循環(huán)比及反應(yīng)體積。(3)當(dāng)循環(huán)比。二x時(shí)，反應(yīng)體積為多少？(4)當(dāng)循環(huán)比。=0時(shí)，反應(yīng)體積為多少？解：(1)從自催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性可知，速率R隨CA的變化存在極大值，令:(Ra)CAk(CA0 Cp0)2kCA 0所以(Ca)CA0 C P022 0.0221.01kmol /m3或：(Xa)其最大速率:1 Ca/CA0 1 1.01/ 2 0.495A A 0.min(Ra)kCACPkCA

33、(CA0 CP0 CA) 1.01(2.02 1.01) 1.02kmol/m3故采用兩器串聯(lián)可使反應(yīng)體積最小，如圖示，以極值處為兩器的分界線(xiàn)。第11頁(yè)所需最小總體積：Vr Vri Vr20.008 0.009 0.017m3Vf (1) XAf dX AVrFA0(1) Xai( Ra)Fa0(1XAf)XxA1dXAkCAo(1 Xa)(XA) (A)(2)如采用循環(huán)反應(yīng)器，如圖示： 其基本設(shè)計(jì)式：式中B =Go/Ca0=0.01 ,為求最佳循環(huán)比，令:VrXAf一 FAO 丫X AidXA(Ra)Fa0(1)i dXAi 0Ra(xai)d(B)X Al 又因?yàn)閐XAidX Af1，所以

34、(1 )XAf(1XAf(C)將式(C)代入式(B)整理得:即:X AfX AldXAkCAo(1 Xa)(Xa)X Af X Ai kCAo(1 Xai)(Xai)積分化簡(jiǎn)后得:X Ai將ln1XalnA1 XaX Af1 代入XAf) 1(1 XAf)XAfXai(1 XAf X AiA1)(D)式，整理得:(1 XAf)_(XAf)0.01,XAf 0.9代入(E)式化簡(jiǎn)得:Xai)(1)(1(XAf)(D)XAfy1(1 XAf)(E)試差求得：時(shí)的反應(yīng)體積:(3)當(dāng)循環(huán)比(4)當(dāng)循環(huán)比0.410.41 ,即為最佳循環(huán)比。所以，對(duì)(A)式積分得時(shí)，即為CSTR反應(yīng)體積為0時(shí)，即為PFR

35、反應(yīng)體積為在常壓和2300 c下在管式反應(yīng)器中進(jìn)行純度為90%勺甲烷高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)： 其速率方程為： 其速率常數(shù)為： 試問(wèn)：第12頁(yè)(1) 若以為目的產(chǎn)物，忽略第三步反應(yīng)，GH的最大收率 為多少？(2)若考慮第三步反應(yīng),GH的最大收率是否改變？(3)用圖表示各組分濃度隨空時(shí)的變化關(guān)系。(4)若改變甲烷的進(jìn)料濃度，產(chǎn)物分布曲線(xiàn)是否改變？(5)若改變反應(yīng)溫度，產(chǎn)物分布曲線(xiàn)是否改變？若提高反應(yīng)溫度，C2H的收率是增加還是減少？乙快的收率是增加還是減少？解：由化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系式可知，本反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的變?nèi)葸^(guò)程，計(jì) 算是較復(fù)雜的。但是，實(shí)際上該高溫裂解反應(yīng)，為得到中間目的產(chǎn)物，通 常Xa只有百分之幾，所

36、以為便于計(jì)算和討論，本題可近似看成恒容過(guò)程。(1) 若忽略第三步，的最大收率：(2) 若考慮第三步反應(yīng)，C2T的最大收率不變，與(1)相同。(3) 用圖表示各組分隨空時(shí)的變化關(guān)系，由動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出因題中未給出原料的其他組分，現(xiàn)假定原料中不含產(chǎn)物，則最終產(chǎn)物C或H的濃度據(jù)物料衡算導(dǎo)出，如 C(這里假定碳的擬濃度，用 Cc表示) Cc Cao Ca 2Cb 2CdYc 1或：Ca 2，2_Cd.CA0 CA0 CA0XaYbYd因此，各組分C/Cao。的關(guān)系可據(jù)上式做出，其示意圖如下：(4)若改變甲烷的進(jìn)料濃度，產(chǎn)物相對(duì)濃度分布曲線(xiàn)趨勢(shì)不變，但產(chǎn)物濃度的絕對(duì)量是變的。(5)若改變反應(yīng)溫度，產(chǎn)物分布曲線(xiàn)改變。若提高反應(yīng)溫度，有利于活化能大的反應(yīng)，所以 GH的收率增加，而乙快收率減少。溫度為1000K的純丙酮蒸汽以8kg/s的流量流入內(nèi)徑為 26mm勺活塞流反應(yīng)器，在其中裂解為乙烯酮和甲烷：該反應(yīng)為一