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化學(xué)反響工程第五版課后習(xí)題化學(xué)反響工程第五版課后習(xí)題化學(xué)反響工程第五版課后習(xí)題第一章在銀催化劑進(jìn)步行甲醇氧化為甲醛的反響:進(jìn)入反響器的原料氣中,甲醇:空氣:水蒸氣=2:4:〔摩爾比〕,反響后甲醇的轉(zhuǎn)變率達(dá)72%,甲醛的收率為%。試計(jì)算1〕〔1〕反響的選擇性;2〕〔2〕反響器出口氣體的組成。解:〔1〕由〔〕式得反響的選擇性為:〔2〕進(jìn)入反響器的原料氣中,甲醇:空氣:水蒸氣=2:4:〔摩爾比〕,當(dāng)進(jìn)入反響器的總原料量為100mol時(shí),那么反響器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/〔2+4+〕=空氣4/〔2+4+〕=水〔2+4+〕=總計(jì)設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)變率為XA,甲醛的收率為YP,依照〔〕和〔〕式可得反響器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩爾數(shù)nA、nP和nc分別為:nA=nA0(1-XA)=molnP=nA0YP=molnC=nA0(XA-YP)=mol結(jié)合上述反響的化學(xué)計(jì)量式,水〔nW〕、氧氣〔nO〕和氮?dú)狻瞡N〕的摩爾數(shù)分別為:nW=nW0+nP+2nC=molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=molnN=nN0=mol所以,反響器出口氣體組成為:組分摩爾數(shù)〔mol〕摩爾分率%CH3OHHCHOH2OCO2O2N21.1.2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇,其主副反響如下:由于化學(xué)平衡的限制,反響過(guò)程中一氧化碳不能夠能全部轉(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,立刻反響后的氣體冷卻,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)流程表示圖冷凝分別合成原料氣
Bkg/h
粗甲醇
Akmol/h循環(huán)壓縮100kmol
放空氣體原料氣和冷凝分別后的氣體組成以下:〔mol〕組分原料氣冷凝分別后的氣體COH2CO2CH4N2粗甲醇的組成為CH3OH%,(CH3)2O%,C3H9OH%,H2O%,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(guò)程中可局部溶解于粗甲醇中,對(duì)1kg粗甲醇而言,其溶解量為CO2,CO,H2,CH4,。假設(shè)循環(huán)氣與原料氣之比為〔摩爾比〕,試計(jì)算:〔1〕〔1〕一氧化碳的單程變換率和全程轉(zhuǎn)變率;〔2〕〔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(jì)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%CO28H22CO244CH416N228總計(jì)100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=∑yiMi=kmol。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yiCO28H22CO244CH164N228總計(jì)100其中冷凝分別后氣體平均分子量為M’=∑yM=mii又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h,粗甲醇的流量為Bkg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的N2作衡算得:28×1000+=(A)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就全部物料作衡算得:100×=B+(B)聯(lián)立〔A〕、〔B〕兩個(gè)方程,解之得A=hB=h反響后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=+(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)變率為由循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比,可得反響器出口處的CO摩爾流量為F’CO,0=100×+×100×=kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)變率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm=×32=kmol/h所以,甲醇的全程收率為Y總==%甲醇的單程收率為Y單==%反響動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)解:利用反響時(shí)間與組分A的濃度變化數(shù)據(jù),作出CA~t的關(guān)系曲線(xiàn),用鏡面法求得t=時(shí)該點(diǎn)的切線(xiàn),即為水解速率。切線(xiàn)的斜率為由〔〕式可知反響物的水解速率為解:是一個(gè)流動(dòng)反響器,其反響速率式可用〔〕式來(lái)表示故反響速率可表示為:用XA~VR/Q0作圖,過(guò)VR/Q0=的點(diǎn)作切線(xiàn),即得該條件下的
dXA/d(V
R/Q0)值α。VR/Q0minXA%故CO的轉(zhuǎn)變速率為解:利用〔〕式及〔〕式可求得問(wèn)題的解。注意題中所給比表面的單位換算成23m/m。解:由題中條件知是個(gè)等容反響過(guò)程,且A和B的初始濃度均相等,即為l,故可把反響速率式簡(jiǎn)化,得由〔〕式可知代入速率方程式化簡(jiǎn)整理得積分得解得XA=%。解:題中給出450℃時(shí)的k2值,而反響是在490℃下,故第一要求出490℃時(shí)的k2值。利用〔〕試,求出頻率因子A:490℃的Kp值由題給公式計(jì)算出求k1值:求各組分的分壓值:各組分的分率及分壓值為NH310%pNH3=3MPaN2%pN2=H2%pH2=Ar+CH4%pAr+CH4=反響速率為:解:圖圖〔1〕可逆反響可逆反響〔2〕放熱反響吸熱反響(3)M點(diǎn)速率最大,A點(diǎn)速率最小M點(diǎn)速率最大,A點(diǎn)速率最小(4)O點(diǎn)速率最大,B點(diǎn)速率最小H點(diǎn)速率最大,B點(diǎn)速率最小(5)R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率(6)M點(diǎn)速率最大依照等速線(xiàn)的走向來(lái)判斷H,M點(diǎn)的速率大小。解:從題中可知,反響條件除了溫度不同樣外,其他條件都同樣,而溫度的影響表現(xiàn)在反響速率常數(shù)k上,故可用反響速率常數(shù)之比來(lái)描述反響速率之比。解:〔1〕求出轉(zhuǎn)變率為80%時(shí)各組分的分壓:以100mol為基準(zhǔn)x
SO2
O2
SO3
N2
∑007=×=2〕求與上述組成對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)KP值:求平衡溫度Te利用〔〕式求逆反響活化能值利用〔〕式求最正確溫度TOP解:反響物A的耗資速率應(yīng)為兩反響速率之和,即利用〔〕式積分之解:以100mol為計(jì)算基準(zhǔn),設(shè)X為三甲基苯的轉(zhuǎn)變率,Y為生成的甲苯摩爾數(shù)?!?〕〔1〕用物料衡算求出口氣體組成:組分名稱(chēng)X=0時(shí)X=時(shí)三甲基苯(A)〔1-X〕氫〔B〕二甲基苯(C)0甲烷(D)0+Y甲基苯〔E〕0Y∑由題給條件可知,混雜氣中氫的含量為20%,所以有:解得Y=〔甲苯量〕生成的二甲基苯量:×生成的甲烷量:×+=節(jié)余的三甲基苯量:×〔〕=氫氣含量為:20kmol故出口尾氣組成為:三甲基苯%,氫氣20%,二甲基苯%,甲烷%,甲基苯%?!?〕〔2〕由題給條件可知,三甲基苯的出口濃度為:解:〔1〕恒容過(guò)程,其反響式可表示為:反響速率式表示為:設(shè)為理想氣體,反響物A的初始濃度為:亞硝酸乙脂的分解速率為:乙醇的生成速率為:〔2〕恒壓過(guò)程,由于反響前后摩爾數(shù)有變化,是個(gè)變?nèi)葸^(guò)程,由〔〕式可求得總摩爾數(shù)的變化。由于反響物是純A,故有:yA0=1。由〔〕式可求得組分的瞬時(shí)濃度:乙醇的生成速率為:解:〔1〕由題意可將反響速率表示為:對(duì)于恒容過(guò)程,那么有當(dāng)XA0=時(shí)2〕對(duì)于恒壓過(guò)程,是個(gè)變?nèi)莘错戇^(guò)程,由〔〕式可求得總摩爾數(shù)的變化反響物A的原始分率:由〔〕式可求得轉(zhuǎn)變率為80%時(shí)的濃度:解:方法〔1〕,先求出總摩爾變化數(shù)。第一將產(chǎn)物的生成速率變?yōu)閷?duì)應(yīng)的反響物的轉(zhuǎn)變速率:總反響速率為:以一摩爾反響物A為基準(zhǔn),總摩爾變化數(shù)為:初始濃度為:那么有方法〔2〕,可將CA表示為:方法〔3〕,利用物料衡算可分別求出反響物A生成R及S的瞬時(shí)選擇性SR,SS,所以可求出產(chǎn)物R及S的收率yR,yS,求得A轉(zhuǎn)變率為85%時(shí)的分率:其中:解:依照速率控制步驟及定態(tài)近似原理,除表面反響外,其他兩步到達(dá)平衡,描述以下:以表面反響速率方程來(lái)代表整個(gè)反響的速率方程:由于將代入上式得:整理得:將代入速率方程中其中解:依照速率控制步驟及定態(tài)近似原理,除表面反響步驟外,其他近似到達(dá)平衡,寫(xiě)出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式:整個(gè)反響的速率方程以表面反響的速率方程來(lái)表示:依照總覆蓋率為1的原那么,那么有:或整理得:將代入反速率方程,得:其中解:依照意,假反步以下:并假第二步是控制步,其速率方程就代表了整個(gè)反的速率方程:其他的兩步可到達(dá)平衡,有:由于,有:將代入速率式,得:式中。故上述假設(shè)與意吻合。但上述假設(shè)的反步不是唯一的。解:先用分法求其力學(xué)方程。一不能夠逆反,其速率表達(dá)式:分得:用~t作。t(h)01234567890作得向來(lái),其斜率,故假一反是合理的,其力學(xué)方程可表示:用微分法求解力學(xué)方程第一用CA~t曲,在曲上取0,1,2,??9h所點(diǎn)的切,了正確可采用面法,求得各切的斜率即的dCA/dt之,爾后再以dCA/dt~CA作,所求的dCA/dt以下表所示:t(h)0123456789CA(mol/l)dCA/dt(mol/一不能夠逆反,用dCA/dt~CA作得向來(lái),其斜率,其力學(xué)方程可表示:或?qū)⑺俾史匠讨被磧扇?shù),得:可化y=b+ax形式,利用多元回,可求得反數(shù)n=≈1,反速率常數(shù)可用一數(shù)學(xué)公式來(lái)合CA~t曲,爾后再將數(shù)學(xué)公式t求,求得dCA/dt來(lái)的正確。
k=。之,此法會(huì)比作法3釜式反響器解:〔1〕由于間歇反響器的反響時(shí)間與反響器的大小沒(méi)關(guān),所以反響時(shí)間仍為。解:氯乙醇,碳酸氫鈉,和乙二醇的分子量分別為
,84
和
62kg/kmol,
每小時(shí)產(chǎn)乙二醇:20/62=kmol/h每小時(shí)需氯乙醇:每小時(shí)需碳酸氫鈉:原料體積流量:氯乙醇初始濃度:反響時(shí)間:反響體積:〔2〕〔2〕反響器的實(shí)質(zhì)體積:解:用A,B,R,S分別表示反響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)辰鹽酸的濃度〔也就是丙酸鈉的濃度,由于其計(jì)量比和投量比均為1:1〕為:于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)變率:現(xiàn)以丙酸濃度對(duì)時(shí)間作圖:由上圖,當(dāng)CA=×l時(shí),所對(duì)應(yīng)的反響時(shí)間為48min。由于在同樣條件下,間歇反響器的反響時(shí)間與反響器的大小沒(méi)關(guān),所以該生產(chǎn)規(guī)模反響器的反響時(shí)間也是48min。丙酸的產(chǎn)量為:500kg/h=min。所需丙酸鈉的量為:=min。原料辦理量為:反響器體積:實(shí)質(zhì)反響體積:解:(1)〔由數(shù)值積分得出〕假設(shè)A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镽,即XA=,那么由上面的積分式知,t→∝,這顯然是不能夠能的。解:(1)由于B過(guò)分,所以:恒容時(shí):〔A〕(B)B〕式除以〔A〕式得:解此微分方程得:〔C〕將t1,CA,CC及t2,CA,CC數(shù)據(jù)代入〔C〕式化簡(jiǎn)得:解之得:先求出最大轉(zhuǎn)變率:產(chǎn)物C的最大收率:產(chǎn)物C的最大濃度:解:依照題中給的兩種反響情況,可分別列出微分方程,爾后進(jìn)行求解。但仔細(xì)解析這兩種情況,其實(shí)質(zhì)是下述反響的特例:(A)當(dāng)時(shí),〔A〕式變?yōu)?B)當(dāng)時(shí),〔A〕式變?yōu)?C)當(dāng)時(shí),〔A〕式變?yōu)?D)其中式〔D〕即為書(shū)講的一級(jí)不能夠逆連串反響??梢?jiàn)只要獲取〔可簡(jiǎn)單化簡(jiǎn)獲取〔B〕,(C)及(D)式的解。對(duì)于(A)式,可列出以下微分方程組:
A〕式的解,那么(1)(2)(3)由題意知初始條件為:(4)聯(lián)立求解此微分方程組可得:(5)(6)(7)式中,由以下式確定:(8)(9)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對(duì)此題進(jìn)行計(jì)算:1〕由〔5〕~〔9〕式得2〕當(dāng)t→∝時(shí),由〔5〕~〔9〕式得3〕此時(shí)為的情況,當(dāng)t→∝時(shí),由得:解:〔1〕由上式知,欲使S增加,需使CA低,CB高,但由于B的價(jià)格高且不易回收,故應(yīng)按主反響的計(jì)量比投料為好。2〕保證CA低,CB高,故可用以以下圖所示的多釜串通方式:3〕用半間歇反響器,假設(shè)欲使CA低,CB高,能夠?qū)一次先參加反響器,爾后滴加A.解:〔1〕苯酚濃度苯酚產(chǎn)量〔2〕全混流反響器苯酚產(chǎn)量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響物濃度低,反響速度慢的原因。4〕由于該反響為一級(jí)反響,由上述計(jì)算可知,無(wú)論是間歇反響器或全混流反響器,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(gè)反響器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。解:〔1〕第二章題已求出t==(2)假設(shè)轉(zhuǎn)變率仍為,且溫度為常數(shù),那么D的瞬時(shí)選擇性為:D的收率:這說(shuō)明能使D的收率到達(dá)70%〔4〕對(duì)全混流反響器,假設(shè)使τ=t=,那么有解之得:CA=所以:這說(shuō)明在這種情況下轉(zhuǎn)變率達(dá)不到95%?!?〕〔5〕對(duì)全混流反響器,假設(shè)X=,那么R的收率為:〔6〕依題意知半間歇式反響器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組A的轉(zhuǎn)變率及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)列出以下的微分方程組:對(duì)A:〔1〕對(duì)R:〔2〕〔3〕在反響時(shí)間〔t=,為方便起見(jiàn)取t≈〕內(nèi)將m3的A均速參加反響器內(nèi),故采用間歇釜操作時(shí),原料為3A與B的混雜物,A的濃度為2kmol/m.現(xiàn)采用半間歇釜操作,且,故可算出原料A的濃度為:由于:代入〔1〕,〔2〕式那么得以下一階非線(xiàn)性微分方程組:〔4〕〔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=,直至求至t=即可。用t=時(shí)的CA和CR能夠進(jìn)行A的轉(zhuǎn)變率和R的收率計(jì)算:式中VA為所參加的A的體積,且VA=;CA0為所參加的A的濃度,且CA0=7kmol/m3;V為反響結(jié)束時(shí)物系的體積,V=。同理能夠計(jì)算出R的收率:解:〔1〕對(duì)上式求dVr/dXA1=0可得:將XA2=代入上式,那么解之得XA1=所以總反響體積的最小值為(2)即3解得CB1=kmol/m解得CB2=kmol/m3的收率:(3)目標(biāo)函數(shù)改為B的收率,這時(shí)的計(jì)算步驟以下:對(duì)于第i個(gè)釜,組分A,B的衡算方程分別為:對(duì)A:對(duì)B:當(dāng)i=1時(shí),〔1〕〔2〕當(dāng)i=2時(shí),〔3〕〔4〕由〔1〕式解出CA1代入〔2〕式可解出CB1;由〔1〕式解出CA1代入〔3〕式可解出CA2;將CB1及CA2代入〔4〕式可解出CB2,其為τ1,τ2的函數(shù),即〔5〕式中CA0為常數(shù)。由題意,欲使CB2最大,那么需對(duì)上述二元函數(shù)求極值:聯(lián)立上述兩個(gè)方程能夠求出τ1及τ2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時(shí)反響器系統(tǒng)的整體積。將τ1,τ2代入〔5〕式即可求出B的最高濃度,從而可進(jìn)一步求出YBmaX.將τ1,τ2代入CA2,那么由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最后轉(zhuǎn)變率。解:即得:整理得:解得:XAf=反響器出口A,B得濃度分別為:〔1〕所需的反響體積;〔1〕〔2〕B及D的收率。操作溫度下,k1=×10-5l/;-9-1;-5k2=×10s;k3=×10l/;B的分子量為140;D的分子量為140?!?〕〔2〕〔3〕由〔2〕,〔3〕式分別得:〔4〕〔5〕將〔4〕,〔5〕式及上述數(shù)據(jù)代入〔1〕式,可整理為τ的代數(shù)方程式,解之得τ=×105s=1〕〔1〕反響體積2〕〔2〕將τ代入〔4〕式得,所以B的收率為:對(duì)A作物料衡算:所以有:所以D的收率為:3.20解:〔1〕二個(gè)300l全混串通釜,XA2=,〔1〕〔2〕解得:XA1=代入〔1〕式求出此系統(tǒng)的體積流量:題中已算出。由于最后轉(zhuǎn)變率同樣,故生產(chǎn)能力增加=倍。2〕二個(gè)300l釜并聯(lián),在最后轉(zhuǎn)變率同樣時(shí),Q0增加一倍,生產(chǎn)能力也增加一倍。3.21解:〔1〕〔1〕求轉(zhuǎn)變率:解得:XAf=反響器出口物料中醋酐濃度:.22解:1〕〔1〕一級(jí)不能夠逆反響:所以Q0=h丙二醇的濃度=丙二醇的產(chǎn)量=采用定態(tài)下連續(xù)操作所以Q0=h丙二醇的產(chǎn)量=〔3〕因連續(xù)釜在低的反響物濃度下操作,反響速率慢,故產(chǎn)量低。管式反響器在常壓及800℃等溫下在活塞流反響器中進(jìn)行以下氣相均相反響:在反響條件下該反響的速率方程為: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)反響器的直徑為50mm,試計(jì)算甲苯最后轉(zhuǎn)變率為95%時(shí)的反響器長(zhǎng)度。解:依照題意可知甲苯加氫反響為恒容過(guò)程,原料甲苯與氫的摩爾比等于1,即:,那么有:示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫,其中:所以,所需反響器體積為:所以,反響器的長(zhǎng)度為:依照習(xí)題所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù),改用活塞流反響器生產(chǎn)乙二醇,試計(jì)算所需的反響體積,并與間歇釜式反響器進(jìn)行比較。解:題給條件說(shuō)明該反響為液相反響,可視為恒容過(guò)程,在習(xí)題中已算出:所以,所需反響器體積:由計(jì)算結(jié)果可知,活塞流反響器的反響體積小,間歇釜式反響器的反響體積大,這是由于間歇式反響器有輔助時(shí)間造成的?!?05Pa及20℃下在反響體積為的活塞流反響器進(jìn)行一氧化氮氧化反響:式中的濃度單位為kmol/m3。進(jìn)氣組成為10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,假設(shè)進(jìn)氣流量為h〔標(biāo)準(zhǔn)情況下〕,試計(jì)算反響器出口的氣體組成。解:由NO氧化反響計(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:〔A〕示中A,B分別代表NO和O2。由題意可知,假設(shè)能求得出口轉(zhuǎn)變率,由〔〕式得:即可求出反響器出口氣體組成。:所以,反響速率為:再將有關(guān)數(shù)據(jù)代入〔A〕式:〔B〕用數(shù)值積分試差求得:所以,另:此題由于惰性氣體N2占80%,故此反響過(guò)程可近似按恒容過(guò)程辦理,也不會(huì)有太大的誤差。在內(nèi)徑為的活塞流反響器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯:5反響壓力及溫度分別為×10Pa及815℃。進(jìn)料含50%(mol)C2H6,其他為水蒸汽。式中pA為乙烷分壓。在815℃時(shí),速率常數(shù),平衡常數(shù),假設(shè)其他副反響可忽略,試求:1〕〔1〕此條件下的平衡轉(zhuǎn)變率;2〕〔2〕乙烷的轉(zhuǎn)變率為平衡轉(zhuǎn)變率的50%時(shí),所需的反響管長(zhǎng)。解:〔1〕設(shè)下標(biāo)A—乙烷,B—乙烯,H—?dú)洹4藯l件下的平衡轉(zhuǎn)變率可按平衡式求?。杭僭O(shè)以1摩爾C2H6為基準(zhǔn),反響前后各組分的含量以下:反響前10012平衡時(shí)1-XeXeXe12+Xe所以,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:2〕〔2〕所需的反響管長(zhǎng):第一把反響速率方程變?yōu)橐员WC速率方程的單位與物料衡算式相一致。:代入物料衡算式有其反響管長(zhǎng):于277℃,×105Pa壓力下在活塞流反響器進(jìn)行氣固相催化反響:催化劑的堆密度為700kg/m3,在277℃時(shí),B的轉(zhuǎn)變速率為:式中的分壓以Pa表示,假設(shè)氣固兩相間的傳質(zhì)阻力可忽略不計(jì)。加料組成為23%B,46%A,31%Q〔均為重量%〕,加料中不含酯,當(dāng)XB=35%時(shí),所需的催化劑量是多少?反響體積時(shí)多少?乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。B組分轉(zhuǎn)解:由反響計(jì)量方程式知反響過(guò)程為恒容過(guò)程,將速率方程變?yōu)榛实暮瘮?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%B,%A,%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)值積分即可獲取所需的催化劑量:其反響體積為:二氟一氯甲烷分解反響為一級(jí)反響:流量為2kmol/h的純CHClF2氣體先在預(yù)熱器預(yù)熱至700℃,爾后在一活塞流反響器中700℃等溫下反響。在預(yù)熱器中CHClF2已局部轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變率為20%。假設(shè)反響器入口處反響氣體的線(xiàn)速度為20m/s,當(dāng)出口處CHClF2的轉(zhuǎn)變率為%時(shí),出口的氣體線(xiàn)速度時(shí)多少?反響器的長(zhǎng)度是多少?整個(gè)系統(tǒng)的壓力均為×105Pa,700℃時(shí)的反響速率常數(shù)等于。假設(shè)流量提高一倍,其他條件不變,那么反響器長(zhǎng)度是多少?解:反響歷程如以以下圖所示:反響器預(yù)熱器溫度T0Tin線(xiàn)速度u0uin轉(zhuǎn)變率XA0=0XA,in該反響為變?nèi)葸^(guò)程,其中,
Tf=TiNufXA,f由〔〕式知:由條件,且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)變率為零時(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)算出反響器長(zhǎng)度:那么需求出以反響器入口為基準(zhǔn)的出口轉(zhuǎn)變率XAf。據(jù)XA=FA0-FA/FA0,可求出FA,in=h,FAf=h,所以,XAf=。所以有:這是由于反響器的截面積沒(méi)有固定,固定的是反響氣體的線(xiàn)速度等條件,所以,當(dāng)流量提高一倍時(shí),而其他條件不變,那么反響器的長(zhǎng)度其實(shí)不變,可是其截面積相應(yīng)增加。擬設(shè)計(jì)一等溫反響器進(jìn)行以下液相反響:目的產(chǎn)物為R,且R與B極難分別。試問(wèn):1〕〔1〕在原料配比上有何要求?2〕〔2〕假設(shè)采用活塞流反響器,應(yīng)采用什么樣的加料方式?3〕〔3〕如用間歇反響器,又應(yīng)采用什么樣的加料方式?解:對(duì)于復(fù)合反響,選擇的原那么主若是使目的產(chǎn)物R的最后收率或選擇性最大,依照動(dòng)力學(xué)特色,其瞬時(shí)選擇性為:由此式可知要使S最大,CA越小越好,而CB越大越好,而題意又給出R與B極難分別,故又要求CB不能夠太大,兼顧兩者要求:1〕原料配比,若是R與B極難分別為主要矛盾,那么除去第二個(gè)反響所耗資的A量外,應(yīng)按第一個(gè)反響的化學(xué)計(jì)量比配料,而且使B組分盡量轉(zhuǎn)變。2〕假設(shè)采用PFR,應(yīng)采用以以下圖的加料方式,即A組分沿軸向側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料,而B(niǎo)那么在入口處進(jìn)料。3〕如用半間歇反響器,應(yīng)采用B一次全部參加,爾后慢慢參加A組分,直到到達(dá)要求的轉(zhuǎn)變率為止。在管式反響器中400℃等溫下進(jìn)行氣相均相不能夠逆吸熱反響,該反響的活化能等于mol?,F(xiàn)擬在反響器大小,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(qǐng)你擬訂一詳盡措施〔定量說(shuō)明〕。設(shè)氣體在反響器內(nèi)呈活塞流。解:題意要求在反響器大小,原料組成和出口轉(zhuǎn)變率均保持不變,由下式:可知,Q0與反響速率常數(shù)成正比,而改變反響溫度又只與應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。詳盡值為:
k有關(guān),所以,提高反解此式可得:
T2=。即把反響溫度提高到下操作,可增產(chǎn)
35%。依照習(xí)題所給定的條件和數(shù)據(jù),改用活塞流反響器,試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量,并比較不同樣種類(lèi)反響器的計(jì)算結(jié)果。解:用活塞流反響器:將數(shù)據(jù)代入得:解得:,所以苯酚產(chǎn)量為:由計(jì)算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反響器的苯酚產(chǎn)量,也大于間歇式反響器的產(chǎn)量。但間歇式反響器假設(shè)不計(jì)輔助時(shí)間,其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量同樣〔自然要在同樣條件下比較〕。依照習(xí)題所給定的條件和數(shù)據(jù),改用活塞流反響器,反響溫度和原料組成均保持不變,而空時(shí)與習(xí)題〔1〕的反響時(shí)間同樣,A的轉(zhuǎn)變率可否可到達(dá)95%?R的收率是多少?解:對(duì)于恒容過(guò)程,活塞流反響器所需空時(shí)與間歇反響器的反響時(shí)間同樣,所以A的轉(zhuǎn)變率是能夠到達(dá)95%的。R的收率與間歇反響器時(shí)的收率也同樣,前已算出收率為%。依照習(xí)題所給定的條件和數(shù)據(jù),改用活塞流反響器,試計(jì)算:〔1〕所需的反響體積;〔2〕假設(shè)用兩個(gè)活塞流反響器串通,總反響體積是多少?解:〔1〕用PFR時(shí)所需的反響體積:〔2〕假設(shè)用兩個(gè)PFR串通,其總反響體積與〔1〕同樣。在管式反響器中進(jìn)行氣相基元反響:,參加物料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,反響在氣相中進(jìn)行。操作壓力為×105Pa,B的飽和蒸汽壓為×104Pa,反響溫度340℃,反響速23率常數(shù)為10m/,計(jì)算A的轉(zhuǎn)變率達(dá)50%時(shí),A的轉(zhuǎn)變速率。如A的流量為min,反響體積是多少?解:此反響為氣相反響,從化學(xué)計(jì)量方程式看,是變?nèi)莘错戇^(guò)程,但氣相中pB為常數(shù),故可看作恒容過(guò)程。假設(shè)為理想氣體,其中:當(dāng)XA=50%時(shí),A的轉(zhuǎn)變速率為:當(dāng)時(shí),所以,此時(shí)所需反響體積為:在一活塞流反響器中進(jìn)行以下反響:3兩反響均為一級(jí),反響溫度下,k1=,k2=。A的進(jìn)料流量為3m/h,其中不含P和Q,試計(jì)算P的最高收率和總選擇性及到達(dá)最大收率時(shí)所需的反響體積。解:對(duì)一級(jí)連串反響可得以下關(guān)系是:(A)假設(shè)求最高收率,即令:,可獲?。簩?XA)m代入〔A〕式得最高收率:的總選擇性:到達(dá)最大收率時(shí)的反響體積為:液相平行反響:式中為化學(xué)計(jì)量系數(shù)。目的產(chǎn)物為P。1〕〔1〕寫(xiě)出瞬時(shí)選擇性計(jì)算式。2〕〔2〕假設(shè),試求以下情況下的總選擇性?!瞐〕〔a〕活塞流反響器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3;〔b〕〔b〕連續(xù)釜式反響器,濃度條件同〔a〕;c〕〔c〕活塞流反響器,反響物A和B的參加方式如以以下圖所示。反響物A從反響器的一端連續(xù)地參加,而B(niǎo)那么從不同樣地址處分別連續(xù)參加,使得器內(nèi)各處B的濃度均等于1kmol/m3,反響器出入口處A的濃度分別為19和1kmol/m3。解:〔1〕設(shè)A為要點(diǎn)組分,目的產(chǎn)物P的瞬時(shí)選擇性為:假設(shè),求以下情況下的總選擇性。〔a〕活塞流反響器,由于CA0=CB0,其化學(xué)計(jì)量系數(shù)同樣,所以CA=CB,那么有,所以連續(xù)釜式反響器(c)PFR,且B側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料,器內(nèi)B的濃度均等于1kmol/m3,那么在活塞流反響器中等溫等壓〔×104Pa〕下進(jìn)行氣相反響:式中PA為A的分壓Pa,原料氣含量A10%〔mol〕,其他為惰性氣體。假設(shè)原料氣處3理量為1800標(biāo)準(zhǔn)m/h,要求A的轉(zhuǎn)變率到達(dá)90%,計(jì)算所需的反響體積及反響產(chǎn)物Q的收率。解:此反響為復(fù)合反響系統(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)平行反響均為一級(jí),可簡(jiǎn)化辦理。其組分A的總轉(zhuǎn)變速率為:又為變?nèi)葸^(guò)程:其中,所以有所需反響體積為:產(chǎn)物Q的收率:在充填釩催化劑的活塞流反響器中進(jìn)行苯〔B〕氧化反響以生產(chǎn)順丁烯二酸酐〔MA〕:這三個(gè)反響均為一級(jí)反響,反響活化能〔kJ/mol〕以下:E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子〔kmol/〕分別為A1=,A2=×108,A3=反響系在×105Pa和704K等溫進(jìn)行。原料氣為苯蒸汽與空氣的混雜氣,其中含苯%〔mol〕?,F(xiàn)擬生產(chǎn)順丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最后收率為42%。假設(shè)〔1〕可按恒容過(guò)程辦理;〔2〕可采用擬均相模型。試計(jì)算〔1〕苯的最后轉(zhuǎn)變率;〔2〕原料氣需用量;〔3〕所需的催化劑量。解:〔1〕由題意知:,解之得:或:且:解此一階線(xiàn)性微分方程有::代入上式化簡(jiǎn)獲?。航?jīng)過(guò)試差求出:〔2〕原料氣需用量。由收率定義知:總原料氣為:〔3〕欲使XB到達(dá)%,所需催化劑量由物料衡算式求得:〔1〕寫(xiě)出絕熱管式反響器反響物料溫度與轉(zhuǎn)變率關(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。答復(fù)以下問(wèn)題〔1〕,2〕時(shí)必定說(shuō)明所使用的符號(hào)意義;3〕計(jì)算甲苯氫解反響的絕熱溫升。原料氣溫度為873K,氫及甲苯的摩爾比為5。反響熱△H298=-49974J/mol。熱容〔J/molK〕數(shù)據(jù)以下:H2:CP=CH4:CP=+C6H6:CP=+C6H5CH3:CP=+4〕在〔3〕的條件下,如甲苯最后轉(zhuǎn)變率到達(dá)70%,試計(jì)算絕熱反響器的出口溫度。解:〔1〕絕熱管式反響器反響物料溫度T與轉(zhuǎn)變率XA的微分方程:(A)式中為基準(zhǔn)溫度下的熱效應(yīng);Cpt為反響物料在基準(zhǔn)溫度下與反響溫度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〕若是不考慮熱容Cpt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取代,那么積分(A)式得:(B)式中:T0為反響入口;XA0為初始轉(zhuǎn)變率:此時(shí)〔A〕式化為線(xiàn)性方程。當(dāng)XA0=0時(shí),又可寫(xiě)成:3〕求絕熱溫升。T0=873K,XA0=0,A表示要點(diǎn)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:(C)此時(shí)是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的。選入口T0為基準(zhǔn)溫度,需求出反響熱,以轉(zhuǎn)變1mol甲苯為計(jì)算基準(zhǔn),那么有:從基準(zhǔn)溫度T0到出口溫度反響物料的平均熱容為:(D)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:(E)由于反響出口未知,所以需將(C),(D)及(E)式聯(lián)立試差求解得:〔4〕在〔3〕的條件下,當(dāng)XA=時(shí),絕熱反響器的出口溫度:氨水〔A〕與環(huán)氧乙烷〔B〕反響以生產(chǎn)一乙醇胺(M),二乙醇胺(D)及三乙醇胺,反響以下:反響速率方程為:該反響系在等溫下進(jìn)行,目的產(chǎn)物為一乙醇胺。1〕〔1〕請(qǐng)你提出原料配比的原那么,并說(shuō)明原因。2〕〔2〕選定一種合適的反響器型式和操作方式。3〕〔3〕依照〔2〕的結(jié)果,說(shuō)明原料參加方式。4〕〔4〕反響時(shí)間可否有所限制?為什么?解:〔1〕假設(shè)提出原料配比原那么,應(yīng)解析其動(dòng)力學(xué)特色。這里以分,目的產(chǎn)物M的瞬時(shí)選擇性:
B為要點(diǎn)組由此看出CA增大時(shí),那么S也增大,無(wú)疑,相對(duì)來(lái)說(shuō)
CB減少。也就是說(shuō)配比原那么是:贊同的條件下,盡量使A過(guò)分?!?〕依照〔1〕的結(jié)果,可選活塞流反響器,并使
B從側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料,而
A從入口進(jìn)料,采用連續(xù)操作,以以下圖:3〕加料方式如〔2〕中的圖示。4〕反響時(shí)間即停留時(shí)間有限制,由于目的產(chǎn)物M為中間產(chǎn)物,存在最正確收率,為到達(dá)最大收率,須控制最正確反響時(shí)間。33現(xiàn)有反響體積為1m的活塞流反響器兩個(gè),擬用來(lái)分解濃度為m的過(guò)氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反響為一級(jí)不能夠逆反響,并在86℃等溫下進(jìn)行,此時(shí)反響速率常數(shù)等于。過(guò)氧化氫異丙苯溶液辦理量為min。試計(jì)算以下各種情況下過(guò)氧化氫異丙苯溶液的轉(zhuǎn)變率。1〕〔1〕兩個(gè)反響器串通操作;2〕〔2〕兩個(gè)反響器并聯(lián)操作,且保持兩個(gè)反響器的原料辦理量同樣,即均等于m3/min;3〕〔3〕兩個(gè)反響器并聯(lián)操作,但兩者原料辦理量之比為1:2,即一個(gè)為m3/min,另一個(gè)那么為m3/min;4〕〔4〕用一個(gè)反響體積為2m3的活塞流反響器取代;〔5〕〔5〕假設(shè)將過(guò)氧化氫異丙苯的濃度提高到4kmol/m3,其他條件保持不變,那么,上列各種情況的計(jì)算結(jié)果可否改變?相應(yīng)的苯酚產(chǎn)量可否改變?6〕〔6〕比較上列各項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果并談?wù)撝?,從中你獲取哪些結(jié)論?解:〔1〕兩個(gè)反響器串通操作如圖示:總反響體積為:將有關(guān)數(shù)據(jù)代入即得:2〕結(jié)果同〔1〕。3〕第一個(gè)反響器,,而第二個(gè)反響器,,兩個(gè)反響器出口混雜后:3〔4〕用一個(gè)反響體積為2m取代,其結(jié)果同〔1〕?!?〕當(dāng)CA0提高到4kmool/m3時(shí),由可知,轉(zhuǎn)變率與CA0沒(méi)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串通與用一個(gè)大的PFR,只要保持兩者的整體積同樣,其收效是同樣的。〔b〕在并聯(lián)時(shí),只要保持,其結(jié)果也是同樣的。但時(shí),其總轉(zhuǎn)變率是下降的。〔c〕對(duì)一級(jí)反響最后轉(zhuǎn)變率與CA0沒(méi)關(guān),但目的產(chǎn)物的產(chǎn)量與CA0成正比關(guān)系。在活塞流反響器中絕熱進(jìn)行丁二烯和乙烯合成環(huán)乙烯反響:該反響為氣相反響,反響速率方程為:5進(jìn)料為丁二烯與乙烯的等摩爾混雜物,溫度為440℃。操作壓力×10Pa。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于×105kJ/mol。假設(shè)各氣體的熱容為常數(shù),且CPA=154,CPB=,CPR=249,單位為J/。要求丁二烯的轉(zhuǎn)變率達(dá)12%,試計(jì)算1〕〔1〕空時(shí),平均停留時(shí)間及出口溫度;2〕〔2〕假設(shè)改在440℃低等溫進(jìn)行,重復(fù)〔1〕的計(jì)算;3〕〔3〕440℃低等溫反響時(shí)所需移走的熱量。解:〔1〕此反響為絕熱變溫變?nèi)莘错?,空時(shí):平均停留時(shí)間:出口溫度:,:,并假設(shè)選入口溫度440℃為基準(zhǔn)溫度,題給為440℃下的熱效應(yīng)。假設(shè)以1molA為基準(zhǔn),那么:反響前1102XA1-XA1-XAXA2-XA所以,當(dāng)XA=時(shí),將數(shù)據(jù)代入并用數(shù)值積分得:〔2〕在440℃低等溫反響〔3〕440℃等溫反響,需移走熱量,若是忽略由于反響造成的各組分的變化所引起的熱容量變化,那么假設(shè)保持等溫反響必定移走反響所放出的熱量:其中
FA6的單位為
mol/h環(huán)氧乙烷與水反響生成乙二醇,副產(chǎn)二甘醇:這兩個(gè)反響對(duì)各自的反響物均為一級(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〕〔1〕選擇何種型式的反響器好?2〕〔2〕欲使乙二醇的收率最大,轉(zhuǎn)變率為多少?3〕有人以為采用活塞流反響器好,乙二醇收率高但環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)變率低,故建議采用循環(huán)反響器以提高總轉(zhuǎn)變率,你以為這種建議可否可行?若是循環(huán)比ψ=25,并使空時(shí)與第〔2〕問(wèn)的空時(shí)相等,那么此時(shí)總轉(zhuǎn)變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H2O(B)為要點(diǎn)組分,環(huán)氧乙烷,乙二醇分別用A和Q表示。那么乙二醇的瞬時(shí)選擇性為:解析可知欲使S↑必定使CB↑,即使H2O過(guò)分,所以選PFR,且水從反響器入口進(jìn)料,而環(huán)氧乙烷從側(cè)線(xiàn)分段進(jìn)料,相對(duì)來(lái)講可使CB更大。2〕對(duì)水,乙二醇,二甘醇〔E〕為連串反響,存在最大收率〔對(duì)乙二醇而言〕,此反響為液相反響可視為恒容過(guò)程,依照速率方程有:(A)因,故上式又可寫(xiě)成:(B)初始條件XB=0,YQ=0,解此一階線(xiàn)性常微分方程有:(C)令有:此題給原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為20,其轉(zhuǎn)變率是不能夠能到達(dá)這最正確轉(zhuǎn)變率的。但它告訴我們,當(dāng)CA=0時(shí),為乙二醇的最大收率,即:(D)解:又由于:nB:nA=20:1,所以有代入可得:(E)將〔E〕式代入〔C〕式化簡(jiǎn)后可得:解此一元二次方程得:XB=,也就是說(shuō)欲使乙二醇收率最大,要點(diǎn)組分水的轉(zhuǎn)變率為%。3〕有人建議采用循環(huán)反響器,以提高轉(zhuǎn)變率是不能夠的,由于增加了返混,降低了反響速率,反而使XB降低。如Ψ=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)變率下降,且使乙醇收率降低。有一自催化液相反響,其速率方程為,反響溫度下,,每小時(shí)辦理1000mol原料,其中A占99%〔mol〕,其他為P。要求最后轉(zhuǎn)變率為90%。1〕〔1〕為使所需反響體積最小,采用何種型式反響器好?并算出你所采用的反響體積。2〕〔2〕若是采用循環(huán)反響器,請(qǐng)確定最正確循環(huán)比及反響體積。3〕〔3〕當(dāng)循環(huán)比ψ=∞時(shí),反響體積為多少?4〕〔4〕當(dāng)循環(huán)比ψ=0時(shí),反響體積為多少?解:〔1〕從自催化反響動(dòng)力學(xué)特色可知,速率RA隨CA的變化存在極大值,令:所以或:其最大速率:故采用兩器串通可使反響體積最小,如圖示,以極值處為兩器的分界線(xiàn)。所需最小整體積:如采用循環(huán)反響器,如圖示:其根本設(shè)計(jì)式:(A)式中β=CP0/CA0=,為求最正確循環(huán)比,令:(B)又由于,所以(C)將式〔C〕代入式〔B〕整理得:即:積分化簡(jiǎn)后得:(D)將代入〔D〕式,整理得:(E)將代入〔E〕式化簡(jiǎn)得:試差求得:,即為最正確循環(huán)比。所以,對(duì)〔A〕式積分得時(shí)的反響體積:3〕當(dāng)循環(huán)比時(shí),即為CSTR,反響體積為4〕當(dāng)循環(huán)比時(shí),即為PFR,反響體積為在常壓和2300℃下在管式反響器中進(jìn)行純度為90%的甲烷高溫?zé)崃呀夥错懀浩渌俾史匠虨椋浩渌俾食?shù)為:試問(wèn):1〕〔1〕假設(shè)以C2H4為目的產(chǎn)物,忽略第三步反響,C2H4的最大收率為多少?2〕〔2〕假設(shè)考慮第三步反響,C2H4的最大收率可否改變?3〕〔3〕用圖表示各組分濃度隨空時(shí)的變化關(guān)系。4〕〔4〕假設(shè)改變甲烷的進(jìn)料濃度,產(chǎn)物分布曲線(xiàn)可否改變?5〕〔5〕假設(shè)改變反響溫度,產(chǎn)物分布曲線(xiàn)可否改變?假設(shè)提高反響溫度,C2H4的收率是增加還是減少?乙炔的收率是增加還是減少?解:由化學(xué)反響計(jì)量關(guān)系式可知,本反響是一個(gè)復(fù)雜的變?nèi)葸^(guò)程,計(jì)算是較復(fù)雜的。但是,實(shí)質(zhì)上該高溫裂解反響,為獲取中間目的產(chǎn)物,平時(shí)XA只有百分之幾,所以為便于計(jì)算和談?wù)?,此題可近似看作恒容過(guò)程。1〕〔1〕假設(shè)忽略第三步,C2H4的最大收率:2〕〔2〕假設(shè)考慮第三步反響,C2H4的最大收率不變,與〔1〕同樣。3〕〔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)假設(shè)原料中不含產(chǎn)物,那么最后產(chǎn)物濃度據(jù)物料衡算導(dǎo)出,如C(這里假設(shè)碳的擬濃度,用CC表示)或:所以,各組分Ci/CA0~τ的關(guān)系可據(jù)上式做出,其表示圖以下:
C或
H2的假設(shè)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〕假設(shè)改變反響溫度,產(chǎn)物分布曲線(xiàn)改變。假設(shè)提高反響溫度,有利于活化能大的反響,所以C2H4的收率增加,而乙炔收率減少。溫度為1000K的純丙酮蒸汽以8kg/s的流量流入內(nèi)徑為26mm的活塞流反響器,在其中裂解為乙烯酮和甲烷:該反響為一級(jí)反響,反響速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為:k的單位為s-1。操作壓力為162kPa。反響器用溫度為1300K的恒溫?zé)嵩垂幔?熱源與反響氣體間的傳熱系數(shù)等于110W/mK,要求丙酮的轉(zhuǎn)變率達(dá)20%。各反響組分的熱容〔J/〕與溫度〔K〕的關(guān)系以下:298K時(shí)的反響熱等于mol。1〕〔1〕計(jì)算所需的反響體積;2〕〔2〕繪制軸向溫度分布及軸向丙酮濃度分布圖。解:此反響為非絕熱變?nèi)葑儨胤错?。其中?,F(xiàn)選入口溫度T0為基準(zhǔn)溫度,需求出:將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得爾后將所需數(shù)據(jù)代入根本設(shè)計(jì)方程得微分方程組:式中,此方程組用數(shù)值法求解。這里為方便學(xué)生用手算采用改進(jìn)歐拉法,計(jì)算結(jié)果列入表中:丙酮裂解反響器的軸向XA和CA及T的分布T,KZ,mXACA,mol10181027到達(dá)20%轉(zhuǎn)變率所需反響體積,可按線(xiàn)性?xún)?nèi)插法確定反響器軸向長(zhǎng)度:再求反響體積:顯然,氣體流過(guò)這樣長(zhǎng)的管道壓力降是不能夠忽略的。而上述計(jì)算是基于等壓情況辦理的,較正確的計(jì)算應(yīng)試慮壓降的影響,應(yīng)再加一個(gè)動(dòng)量衡算式,爾后再聯(lián)立求解。但是,實(shí)質(zhì)上這樣長(zhǎng)的管道是不能夠取的,應(yīng)試慮很多根管子并聯(lián),即列管式反響器,這里不再多述?!?〕可依照表中數(shù)據(jù)繪制軸向反響溫度及丙酮濃度分布圖?!策@里從略〕在等溫活塞流反響器中進(jìn)行一級(jí)不能夠逆反響,正逆反響的反響速率常數(shù)和與溫度的關(guān)系以下:要求最后轉(zhuǎn)變率為90%,試問(wèn)在什么溫度下操作所需的反響體積最?。拷猓河伞病呈剑嚎芍?,當(dāng)時(shí),即,所以,故可判斷此反響為可逆放熱反響。據(jù)式〔〕求最正確溫度,其中Te為對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)變率為90%時(shí)的平衡溫度,對(duì)一級(jí)可逆反響有:所以:即,在下操作所需的反響體積最小。停留時(shí)間分布與反響器設(shè)F(θ)及E(θ)分別為閉式流動(dòng)反響器的停留時(shí)間分布函數(shù)及停留時(shí)間分布密度函數(shù),θ為對(duì)照時(shí)間。1〕〔1〕假設(shè)該反響器為活塞流反響器,試求〔a〕〔a〕F(1)(b)E(1)(c)F(d)E(e)E假設(shè)該反響器為全混流反響器,試求〔a〕F(1)(b)E(1)(c)F(d)E(e)E假設(shè)該反響器為一個(gè)非理想流動(dòng)反響器,試求〔a〕F(∞)(b)F(0)(c)E(∞)(d)E(0)(e)(f)解:〔1〕因是活塞流反響器,故吻合理想活塞流模型的停留時(shí)間分布,由〔〕式可得:(a)F(1)=(b)E(1)=∝(c)F=0(d)E=0(e)E=0〔2〕〔2〕因是全混流反響器,故吻合理想全混流模型的停留時(shí)間分布,由〔〕式可得:〔a〕F(1)=1-e-1=(b)E(1)=e-1=(c)F=1-=(d)E==(e)=E=〔3〕〔3〕因是一個(gè)非理想流動(dòng)反響器,故可得:〔a〕F(∞)=1(b)F(0)=0(c)E(∞)=0(d)E(0)>1(e)=1(f)=1用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反響器的停留時(shí)間分布,獲取走開(kāi)反響器的示蹤劑與時(shí)間的關(guān)系以下:試求:1〕〔1〕該反響器的停留時(shí)間分布函數(shù)F(θ)及分布密度函數(shù)E(θ)。2〕〔2〕數(shù)學(xué)希望及方差。3〕〔3〕假設(shè)用多釜串通模型來(lái)模擬該反響器,那么模型參數(shù)是多少?4〕〔4〕假設(shè)用軸相擴(kuò)散模型來(lái)模擬該反響器,那么模型參數(shù)是多少?5〕假設(shè)在此反響器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不能夠逆反響,反響速率常數(shù)k=1min-1,且無(wú)副反應(yīng),試求反響器出口轉(zhuǎn)變率。解:〔1〕由圖可知C0=C(∝)=,而F(θ)=F(t)=C(t)/C(∝),所以:如以以下圖所示:由〔〕式可得平均停留時(shí)間:即為上圖中陰影面積。由〔〕式得:所以:如右圖所示:〔2〕由于是閉式系統(tǒng),故,所以由式〔〕可得方差:3〕由〔〕式可得模型參數(shù)N為:4〕〔4〕由于返混很小,故可用,所以:5〕用多釜串通模型來(lái)模擬,前已求得N=75,應(yīng)用式〔〕即可計(jì)算轉(zhuǎn)變率:同理,亦可用擴(kuò)散模型即〔〕式得XA=。兩種方法計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反響器的停留時(shí)間分布,獲取走開(kāi)反響器的示蹤劑與時(shí)間的關(guān)系以下:t,s01525354555657590100C(t),g/cm301〕〔1〕試求該反響器的停留時(shí)間分布及平均停留時(shí)間。2〕假設(shè)在該反響器內(nèi)的物料為微觀流體,且進(jìn)行一級(jí)不能夠逆反響,反響速率常數(shù)k=,預(yù)計(jì)反響器出口處的轉(zhuǎn)變率。3〕假設(shè)反響器內(nèi)的物料為宏觀流體,其他條件均不變,試問(wèn)反響器出口處的轉(zhuǎn)變率又是多少?解:〔1〕由式〔〕計(jì)算出反響器的停留時(shí)間分布,即:F(t)=C(t)/C(∝)=C(t)/所得數(shù)據(jù)見(jiàn)下表所示:t,s01525354555657595100F(t0)將上述數(shù)據(jù)作圖即為反響器停留時(shí)間分布。依照由右圖可知,可用試差法獲取,使兩塊陰影面積相等。由圖試差得。2〕因進(jìn)行的是一級(jí)反響,故可采用離析流模型預(yù)計(jì)反響器出口轉(zhuǎn)變率。由式〔〕可得間歇反響器中進(jìn)行一級(jí)不能夠逆反響時(shí)轉(zhuǎn)變率與反響時(shí)間的關(guān)系:代入離析流模型可得反響器出口處平均轉(zhuǎn)變率:A〕采用圖解積分法對(duì)〔A〕式進(jìn)行積分,其中不同樣時(shí)間t下的F(t)如上表所示,的值列于下表中:t015253545556575951000以F(t)~作圖,計(jì)算積分面積得:3〕〔3〕由于是一級(jí)反響,所以混雜態(tài)對(duì)反響速率無(wú)影響,故反響器出口轉(zhuǎn)變率#與微觀流體時(shí)同樣,即。為了測(cè)定一閉式流動(dòng)反響器的停留時(shí)間分布,采用脈沖示蹤法,測(cè)得反響器出口物料中示蹤劑濃度以下:t,min012345678910C(t),g/l0035663210試計(jì)算:1〕〔1〕反響物料在該反響器中的平均停留時(shí)間和方差。2〕〔2〕停留時(shí)間小于的物料所占的分率。解:〔1〕依照題給數(shù)據(jù)用〔〕
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