反應(yīng)工程課后習(xí)題摘要

反應(yīng)工程課后習(xí)題大綱反應(yīng)工程課后習(xí)題大綱反應(yīng)工程課后習(xí)題大綱緒論1.1在銀催化劑進(jìn)步行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)：2CH3OHO22HCHO2H2O2CH3OH3O22CO24H2O進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3〔摩爾比〕，反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)變率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%。試計算〔1〕反應(yīng)的選擇性；〔2〕反應(yīng)器出口氣體的組成。解：〔1〕由〔1.7〕式得反應(yīng)的選擇性為：SY0.961196.11%X〔2〕進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3〔摩爾比〕，當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料量為100mol時，那么反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/〔2+4+1.3〕空氣4/〔2+4+1.3〕水〔〕總計設(shè)甲醛的生成量為x，CO2的生成量為y，那么反應(yīng)器出口處組成為：組分摩爾數(shù)n(mol)CH3OH空氣水17.81+x+2yHCHOxCO2y總計100+x/2+y/2由甲醇的轉(zhuǎn)變率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%得：xy=72%;x=69.2%2解得x=18.96;所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：CH3OH:xy100%=6.983%100xy22x3y22100%=40.19%空氣：xy10022水：17.81x2y100%=34.87%100xy22HCHO:x100%=17.26%xy10022CO2:y100%=0.6983%xy100221.2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)以下：CO2H2CH3OH2CO4H2(CH3)2OH2OCO3H2CH4H2O4CO8H2C4H9OH3H2OCOH2OCO2H2由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過程中一氧化碳不可以能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧状?，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，立刻反應(yīng)后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等局部放空，全局部經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與原料氣混雜返回合成塔中。以以下圖是生產(chǎn)流程表示圖原料氣合成冷凝分別100kmol放空氣體粗甲醇

Bkg/h

Akmol/h循環(huán)壓縮原料氣和冷凝分別后的氣體組成以下：組分原料氣冷凝分別后的氣體COH2CO2CH4N2粗甲醇的組成為CH3OH89.15%,(CH3)2O3.55%,C3H9OH1.10%,H2O6.20%,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其他組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過程中可局部溶解于粗甲醇中，對1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO29.82g,CO9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。假設(shè)循環(huán)氣與原料氣之比為7.2〔摩爾比〕，試計算：〔1〕一氧化碳的單程變換率和全程轉(zhuǎn)變率；〔2〕甲醇的單程收率和全程收率。解：〔1〕設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h，那么依照條件，計算進(jìn)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示以下：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO28H22CO442CH164N228總計100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=∑yiMi。經(jīng)冷凝分別后的氣體組成〔亦即放空氣體的組成〕以下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO28H22CO244CH416N282總計100其中冷凝分別后氣體平均分子量為M’m=∑又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N2作衡算得：

×

(A)對整個系統(tǒng)就全部物料作衡算得：100×

(B)聯(lián)立〔A〕、〔B〕兩個方程，解之得

反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)變率為XCOFCO,0FCO83.48%FCO,0由循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器出口處的CO摩爾流量為F’CO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)變率為X'COFCO,0FCO26.824.43516.18%FCO,0產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為D5.38)B1000粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B)×所以，甲醇的全程收率為Y總甲醇的單程收率為Y單反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2.3在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動力學(xué)方程為：rkwyCOyCO2kmol/kgh式中yCO和yCO2為一氧化碳及二氧化碳的剎時摩爾分率，壓力及700K時反應(yīng)速率常數(shù)kW等于。如催化劑的比表面積為2，堆密度為30m/g3，試計算：〔1〕以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)k。V〔2〕以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)k。g〔3〕以分壓表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)k。g〔4〕以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)kC。解：利用〔2.10〕式及〔2.27〕式可求得問題的解。注意題中所給比表面的單位23換算成m/m。(1)kvbkw1030.053560.46kmol/m3.h(2)kgbkwbkw106kmol/m2.havb30103(3)kp(1)nkw(1)kmolPkg.h.(MPa)RTn103700m30.45kmol(4)kc(P)kw(〕0.333(kmol)(kg.h)2.6下面是兩個反應(yīng)的T-X圖，圖中AB是平衡曲線，NP是最正確溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉(zhuǎn)變率線。依照下面兩圖答復(fù)：1〕是可逆反應(yīng)還是不可以逆反應(yīng)？2〕是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？3〕在等溫線上，A,D,O,E,M點中哪一點速率最大，哪一點速率最?。?〕在等轉(zhuǎn)變率線上，H,C,R,O,F及B點中，哪一點速率最大，哪一點速率最??？5〕C,R兩點中，誰的速率大？6〕依照圖中所給的十點中，判斷哪一點速率最大？解：圖可逆反應(yīng)，由于存在平衡線放熱反應(yīng)，由于隨反應(yīng)溫度高升，平衡轉(zhuǎn)變率下降(3)M點速率最大，A點速率最小，溫度一準(zhǔn)時，隨著轉(zhuǎn)變率增大，反應(yīng)速率增大(4)O點速率最大，B點速率最小，轉(zhuǎn)變率一準(zhǔn)時，距離最正確溫度線近來的點反應(yīng)速率最大，B點在平衡線上，反應(yīng)速率為零。(5)R點速率大于C點速率，R點比C點離平衡線近(6)M點速率最大。等轉(zhuǎn)變率線上，O點速率最大；等溫線上，M點速率最大。而M點速率大于O點速率，所以十點中M點速率最大。圖可逆反應(yīng)。由于存在平衡線吸熱反應(yīng)，由于隨反應(yīng)溫度高升，平衡轉(zhuǎn)變率增加(3)M點速率最大，A點速率最小。溫度一準(zhǔn)時，隨著轉(zhuǎn)變率增大，反應(yīng)速率增大(4)H點速率最大，B點速率最小，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)變率一準(zhǔn)時，反應(yīng)速率隨溫度高升而增大(5)C點速率大于R點速率，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)變率一準(zhǔn)時，反應(yīng)速率隨溫度高升而增大，C點溫度高于R點無法直接判斷，需要依照等速線的走向來判斷H,M點的速率大小。2.14在Pt催化劑進(jìn)步行異丙苯分解反應(yīng)：CHCH(CH〕CHCH65326636以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟以下：〔1〕AA〔2〕ABR〔3〕BB假設(shè)表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。解：依照速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)外，其他兩步到達(dá)平衡，描述以下：AApAVKApAVKAAAABRrAkAkpRBBBpBVKBpBVKBBB以表面反應(yīng)速率方程來代表整個反應(yīng)的速率方程：rAkAkpRB由于ABV1將A,B代入上式得：KApAVKBpBVV1整理得：V1KApAKBpB1將A,B,V代入速率方程中kKAPAkKBPBPRk(PAPBPR/KP)rAKBPB1KAPAKBPB1KAPA其中kkKAKPkKA/kKB2.15在銀催化劑進(jìn)步行乙烯氧化反應(yīng)：2C2H4O22C2H4O化作2(A)(B2)2(R)其反應(yīng)步驟可表示以下：〔1〕AA〔2〕B222B〔3〕ABR〔4〕RR假設(shè)是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動力學(xué)方程。解：依照速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其他近似到達(dá)平衡，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：(1)AA(2)B222B(4)RR

AKApAVBKBpBVRKRpRV整個反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來表示：rAkABkRV依照總覆蓋率為1的原那么，那么有：ABRV1或KApAVKBpBVKRpRVV1整理得：1VKApAKBpBKRpR將A,B,R,V代入反應(yīng)速率方程，得：rA22k(pApBpR/KkKApAKBpBVkpRKRV(1KApAKBpBKRpR)2其中kkKAKBKk/kKR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)：CH3COOC2H5NaOHCH3COONaC2H5OH該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為，反應(yīng)速率常數(shù)等于。要求最后轉(zhuǎn)變率到達(dá)95%。試問：3〔1〕當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為1m時，需要多長的反應(yīng)時間？3，〔2〕假設(shè)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m，所需的反應(yīng)時間又是多少？解：〔1〕tCA0XAfdXACA0XAfdXA1XA00222(RA)kA0CA0(1XA)kCA01XA1169.6min(2.83h)由于間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小沒關(guān)，所以反應(yīng)時間仍為2.83h。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)：CH2ClCH2OHNaHCO3CH2OHCH2OHNaClCO2以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20㎏/h，使用15%〔重量〕的NaHCO3水溶液及30%〔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，混雜液的比重為1.02。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于，要求轉(zhuǎn)變率到達(dá)95%。1〕假設(shè)輔助時間為0.5h，試計算反應(yīng)器的有效體積；2〕假設(shè)裝填系數(shù)取0.75，試計算反應(yīng)器的實質(zhì)體積。解：(1)氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為80.5,84和62kg/kmol,每小時產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小時需氯乙醇：30%

84每小時需碳酸氫鈉：0.9515%Q0275.8l/h原料體積流量：CA010001.231mol/l氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時間：tCA0XAfdXA1XAfdXA1002kCACBkCA0(1XA)反應(yīng)體積：VrQ0(tt')VVr1275l〔2〕反應(yīng)器的實質(zhì)體積：f3.8在一個體積為300l的反應(yīng)器中86℃等溫下將濃度為3的過氧化氫異丙苯溶液分解：C6H5C(CH3)2COHCH3COCH3C6H5OH生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1,最后轉(zhuǎn)變率達(dá)98.9%，試計算苯酚的產(chǎn)量。1〕若是這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15min;2〕若是是全混流反應(yīng)器；3〕試比較上二問的計算結(jié)果；4〕假設(shè)過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〕tCA0XAfdXACA0XAfdXA1100ln(RA)kA0CA0(1XA)k1XA1ln1156.37sVrQ0(tt0)Q015)300lQ018.82l/min苯酚濃度C苯酚CA0XA0.9893.165mol/l苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚59.56mol/min335.9kg/h〔2〕全混流反應(yīng)器VrQ0CA0XAfQ0XAfkCA0(1XAf)k(1XAf)Q0Vrk(1XAf)3000.08(10.989)16.02l/minXAf0.2669l/s苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚3.20.98950.69mol/min3〕說明全混釜的產(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)為一級反應(yīng)，由上述計算可知，無論是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器，其原料辦理量不變，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩個反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.15等溫下進(jìn)行1.5級液相不可以逆反應(yīng)：ABC。反應(yīng)速率常數(shù)等于/kmol.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為35m1.5m/h，試分別計算以下情況下A的轉(zhuǎn)變率達(dá)95%時所需的反應(yīng)體積：〔1〕全混流反應(yīng)器;(2)兩個等體積的全混流反應(yīng)器串通；〔3〕保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個全混流反應(yīng)器串通。解：〔1〕全混流反應(yīng)器VrQ0CA0XA23kCA1.05(1XA)52(10.95)〔2〕兩個等體積全混流反應(yīng)器串通Vr1Q0CA0XA1kCA1.05(1XA1)Vr2Q0CA0(XA2XA1)kCA1.05(1XA2)由于Vr1Vr2，所以由上二式得：XA1(XA2XA1)(1XA1)(1XA2)將XA2=0.95代入上式，化簡后試差解得XA1=0.8245，所以：Vr1Q0CA0XA1m3kCA1.05(1XA1)串通系統(tǒng)整體積為：Vr2Vr1m3〔3〕此時的情況同〔1〕，即Vrm333的全混流反應(yīng)器，進(jìn)行3.16原料以0.5m/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為20m液相反應(yīng)：ARrAk1CA2RDrDk2CR2CA,CR為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)變速率，rD為D的生成速率。原料中A的濃度等于3，反應(yīng)溫度下，k1=0.1min-1，k23/kmol.min,試計算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)變率及R的收率。解：VrQ040minCA0XAXAk1CA0(1XA)0.1(1XA)所以：XA0.80,CACA0(1XA)0.02kmol/m3CR40k1CA2k2CR2即為：100CA2CR0CR3YRCRCA0管式反應(yīng)器4.1在常壓及800℃等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行以下氣相均相反應(yīng)：C6H5CH3H2C6H6CH4在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：TCH,mol/l.s式中CT及CH分別為甲苯及氫的濃度，mol/l，原料辦理量為2kmol/h，其中甲苯與氫的摩爾比等于1。假設(shè)反應(yīng)器的直徑為50mm，試計算甲苯最后轉(zhuǎn)變率為95%時的反應(yīng)器長度。解：依照題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過程，原料甲苯與氫的摩爾比等于1，即：CT0CH0，那么有：CTCHCT0(1XT)示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中：CT0pT0105103kmol/m3RT1031073FT0QC2/21kmol/h103kmol/s0T0所以，所需反應(yīng)器體積為：XTdXTXTdXTVrQ0CT001.5CCQ0CT00THT103dXT(10.95)2.513031.5(5.6810)(1XT)1所以，反應(yīng)器的長度為：24.2依照習(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：題給條件說明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過程，在習(xí)題3.2中已算出：Q0275.8l/hCA01.23m1ol/l所以，所需反應(yīng)器體積：XAdXAVrQ0CA00kCA0(1XA)(CB0CA0XA)Q0XAkCA01XA1.2311由計算結(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)器有輔助時間造成的。4.8在管式反應(yīng)器中400℃等溫下進(jìn)行氣相均相不可以逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化能等于。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)變率均保持不變的前提下〔采用等溫操作〕，增產(chǎn)35%，請你擬訂一詳盡措施〔定量說明〕。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)變率均保持不變，由下式：Vr/Q0CA0XAdXA0kf(XA)可知，反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)變率均保持不變的前提下，Q0與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，而k又只與反應(yīng)溫度有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。詳盡值為:39770AeQ02/Q01k2/k1Ae

2397708.314673

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解此式可得：T2。即把反應(yīng)溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35%。4.9依照習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算苯酚的產(chǎn)量，并比較不相同種類反應(yīng)器的計算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：XAdXA11Vr/Q0CA0ln0kCA0(1XA)k1XA將數(shù)據(jù)代入得：1ln1Q00.081解得：Q03/min，所以苯酚產(chǎn)量為：FA0XAQ0CA0XA1.01kmol/min94kg/min由計算可知改用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)器假設(shè)不計輔助時間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同〔自然要在相同條件下比較〕。4.11依照習(xí)題3.15所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算：〔1〕所需的反應(yīng)體積；〔2〕假設(shè)用兩個活塞流反應(yīng)器串通，總反應(yīng)體積是多少？解：〔1〕用PFR時所需的反應(yīng)體積：VrQ0CA0XAdXAQ0CA00.5(1XA)10kCA0(1XA)2000(10.95)13〔2〕假設(shè)用兩個PFR串通，其總反應(yīng)體積與〔1〕相同。停留時間分布與反應(yīng)器流動模型5.2用階躍法測定一閉式流動反應(yīng)器的停留時間分布，獲取走開反應(yīng)器的示蹤劑與時間的關(guān)系以下：t2c(t)t22t31t3試求：〔1〕該反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)F(θ)及分布密度函數(shù)E(θ)。22〕數(shù)學(xué)希望及方差。3〕假設(shè)用多釜串通模型來模擬該反應(yīng)器，那么模型參數(shù)是多少？4〕假設(shè)用軸相擴(kuò)散模型來模擬該反應(yīng)器，那么模型參數(shù)是多少？5〕假設(shè)在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級不可以逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)k=1min-1，且無副反應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)變率。解：〔1〕由圖可知C(∝)=1.0，而F(θ)=F(t)=C(t)/C(∝)，所以：0t2,0.8F( )F(t)t22t3,0.81.21t3,1.2dF(t)0t212t3E(t)dtt33ttE(t)dttdt2.5min=02所以：00.8E( )tE(t)2.50.81.201.2〔〕由于是閉式系統(tǒng)，故tVr/Q，所以12方差：22E( )d11.22.52d10.013330.80〔3〕由〔5.20〕式可得模型參數(shù)N為：N1/21/0.01333754〕略5〕用多釜串通模型來模擬，前已求得N=75，應(yīng)用式〔3.50〕即可計算轉(zhuǎn)變率：XA11/(1k)N11/(112.5)750.9145N75一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時間分布密度函數(shù)-11〕平均停留時間;2〕空時；3〕空速；4〕停留時間小于1min的物料所占的分率；5〕停留時間大于1min的物料所占的分率；6〕假設(shè)用多釜串通模型擬合，該反應(yīng)器相當(dāng)于幾個等體積的全混釜串通？7〕假設(shè)用軸向擴(kuò)散模型擬合，那么模型參數(shù)Pe為多少？8〕假設(shè)反應(yīng)物料為微觀流體，且進(jìn)行一級不可以逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)為-16min,CA0=1mol/l,試分別采用軸向擴(kuò)散模型和多釜串通模型計算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)變率，并加以比較；9〕假設(shè)反應(yīng)物料為宏觀流體，其他條件與上述相同，試估計反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)變率，并與微觀流體的結(jié)果加以比較？解：〔1〕由〔5.20〕式得：ttE(t)dtt16te4tdt0.5min00〔2〕因是閉式系統(tǒng)，所以：0.5min3〕空速為空時的倒數(shù)，所以：112min10.5F(1)114tdt4te4t114tdt0.9084E(t)dt16te04e〔4〕000所以，停留時間小于1min的物料所占的分率為90.84%。〔5〕1F(1)10.90840.0916。停留時間大于1min的物料占9.16%?！?