《化學(xué)反應(yīng)工程》第五版(朱炳辰)課后習(xí)題答案

第一章1、1在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛得反應(yīng):進(jìn)入反應(yīng)器得原料氣中,甲醇:空氣:水蒸氣=2:4:1、3(摩爾比),反應(yīng)后甲醇得轉(zhuǎn)化率達(dá)72%,甲醛得收率為69、2%。試計(jì)算(1)

反應(yīng)得選擇性;(2)

反應(yīng)器出口氣體得組成。解:(1)由(1、7)式得反應(yīng)得選擇性為:(2)進(jìn)入反應(yīng)器得原料氣中,甲醇:空氣:水蒸氣=2:4:1、3(摩爾比),當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器得總原料量為100mol時(shí),則反應(yīng)器得進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/(2+4+1、3)=0、274027、40空氣4/(2+4+1、3)=0、547954、79水1、3/(2+4+1、3)=0、178117、81總計(jì)1、000100、0設(shè)甲醇得轉(zhuǎn)化率為XA,甲醛得收率為YP,根據(jù)(1、3)與(1、5)式可得反應(yīng)器出口甲醇、甲醛與二氧化碳得摩爾數(shù)nA、nP與nc分別為:nA=nA0(1-XA)=7、672molnP=nA0YP=18、96molnC=nA0(XA-YP)=0、7672mol結(jié)合上述反應(yīng)得化學(xué)計(jì)量式,水(nW)、氧氣(nO)與氮?dú)?nN)得摩爾數(shù)分別為:nW=nW0+nP+2nC=38、30molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0、8788molnN=nN0=43、28mol所以,反應(yīng)器出口氣體組成為:組分摩爾數(shù)(mol)摩爾分率%CH3OH7、6726、983HCHO18、9617、26H2O38、334、87CO20、76720、6983O20、87880、7999N243、2839、39

1、

2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳與氫合成甲醇,其主副反應(yīng)如下:

由于化學(xué)平衡得限制,反應(yīng)過(guò)程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇,為了提高原料得利用率,生產(chǎn)上采用循環(huán)操作,即將反應(yīng)后得氣體冷卻,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部分放空,大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與原料氣混合返回合成塔中。下圖就是生產(chǎn)流程示意圖冷凝分離冷凝分離合成合成原料氣Bkg/h粗甲醇Akmol/h循環(huán)壓縮循環(huán)壓縮100kmol放空氣體

原料氣與冷凝分離后得氣體組成如下:(mol)組分原料氣冷凝分離后得氣體CO26、8215、49H268、2569、78CO21、460、82CH40、553、62N22、9210、29粗甲醇得組成為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,其余組分均為不凝組分,但在冷凝冷卻過(guò)程中可部分溶解于粗甲醇中,對(duì)1kg粗甲醇而言,其溶解量為CO29、82g,CO9、38g,H21、76g,CH42、14g,N25、38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7、2(摩爾比),試計(jì)算:(1)

一氧化碳得單程轉(zhuǎn)換率與全程轉(zhuǎn)化率;(2)

甲醇得單程收率與全程收率。解:(1)設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h,則根據(jù)已知條件,計(jì)算進(jìn)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下:組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO2826、8226、8272、05H2268、2568、2513、1CO2441、461、466、164CH4160、550、550、8443N2282、922、927、844總計(jì)

100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。進(jìn)料得平均摩爾質(zhì)量Mm=∑yiMi=10、42kg/kmol。經(jīng)冷凝分離后得氣體組成(亦即放空氣體得組成)如下:組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815、49H2269、78CO2440、82CH4163、62N22810、29總計(jì)

100其中冷凝分離后氣體平均分子量為M’m=∑yiMi=9、554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h,粗甲醇得流量為Bkg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)得N2作衡算得:5、38B/28×1000+0、1029A=2、92(A)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得:100×10、42=B+9、554A(B)聯(lián)立(A)、(B)兩個(gè)方程,解之得A=26、91kmol/hB=785、2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0、1549A+9、38B/(28×1000)將求得得A、B值代入得FCO=4、431kmol/h故CO得全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比,可得反應(yīng)器出口處得CO摩爾流量為F’CO,0=100×0、2682+7、2×100×0、1549=138、4kmol/h所以CO得單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解得CO2、CO、H2、CH4與N2總量D為粗甲醇中甲醇得量為(B-D)X甲/Mm=(785、2-0、02848B)×0、8915/32=21、25kmol/h所以,甲醇得全程收率為Y總=21、25/26、82=79、24%甲醇得單程收率為Y單=21、25/138、4=15、36%2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2、1解:利用反應(yīng)時(shí)間與組分A得濃度變化數(shù)據(jù),作出CA～t得關(guān)系曲線,用鏡面法求得t=3、5h時(shí)該點(diǎn)得切線,即為水解速率。切線得斜率為由(2、6)式可知反應(yīng)物得水解速率為

2、2解:就是一個(gè)流動(dòng)反應(yīng)器,其反應(yīng)速率式可用(2、7)式來(lái)表示故反應(yīng)速率可表示為:用XA～VR/Q0作圖,過(guò)VR/Q0=0、20min得點(diǎn)作切線,即得該條件下得dXA/d(VR/Q0)值α。VR/Q0min0、120、1480、200、260、340、45XA%20、030、040、050、060、070、0

故CO得轉(zhuǎn)化速率為2、3解:利用(2、10)式及(2、28)式可求得問(wèn)題得解。注意題中所給比表面得單位換算成m2/m3。2、4解:由題中條件知就是個(gè)等容反應(yīng)過(guò)程,且A與B得初始濃度均相等,即為1、5mol/l,故可把反應(yīng)速率式簡(jiǎn)化,得由(2、6)式可知代入速率方程式化簡(jiǎn)整理得積分得解得XA=82、76%。

2、5解:題中給出450℃時(shí)得k2值,而反應(yīng)就是在490℃下,故首先要求出490℃時(shí)得k2值。利用(2、27)試,求出頻率因子A:490℃得Kp值由題給公式計(jì)算出求k1值:求各組分得分壓值:各組分得分率及分壓值為NH310%pNH3=3MPaN219、06%pN2=5、718MPaH257、18%pH2=17、15MPaAr+CH413、79%pAr+CH4=4、137MPa反應(yīng)速率為:2、6解:圖2、1圖2、2(1)可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)(2)放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)(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)速率最大根據(jù)等速線得走向來(lái)判斷H,M點(diǎn)得速率大小。

2、7解:從題中可知,反應(yīng)條件除了溫度不同外,其它條件都相同,而溫度得影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上,故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來(lái)描述反應(yīng)速率之比。2、8解:(1)求出轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)各組分得分壓:以100mol為基準(zhǔn)xSO2O2SO3N2∑07、011、0082、0100、00、807(1-0、80)=1、411-5、6×0、5=8、25、6082、097、2(2)求與上述組成對(duì)應(yīng)得平衡常數(shù)KP值:(3)求平衡溫度Te(4)利用(2、31)式求逆反應(yīng)活化能值(5)利用(2、31)式求最佳溫度TOP2、9解:反應(yīng)物A得消耗速率應(yīng)為兩反應(yīng)速率之與,即利用(2、6)式積分之2、10解:以100mol為計(jì)算基準(zhǔn),設(shè)X為三甲基苯得轉(zhuǎn)化率,Y為生成得甲苯摩爾數(shù)。(1)

用物料衡算求出口氣體組成:組分名稱X=0時(shí)X=0、8時(shí)三甲基苯(A)33、3333、33(1-X)氫(B)66、6766、67-33、33X-Y二甲基苯(C)033、33X-Y甲烷(D)033、33X+Y甲基苯(E)0Y∑100、0100、0由題給條件可知,混合氣中氫得含量為20%,所以有:66、67-33、33X-Y=20解得Y=66、67-33、33×0、8-20=20、01kmol(甲苯量)生成得二甲基苯量:33、33×0、8-20、01=6、654kmol生成得甲烷量:33、33×0、8+20、01=46、67kmol剩余得三甲基苯量:33、33×(1-0、8)=6、666kmol氫氣含量為:20kmol故出口尾氣組成為:三甲基苯6、666%,氫氣20%,二甲基苯6、654%,甲烷46、67%,甲基苯20、01%。(2)

由題給條件可知,三甲基苯得出口濃度為:

2、11解:(1)恒容過(guò)程,其反應(yīng)式可表示為:反應(yīng)速率式表示為:設(shè)為理想氣體,反應(yīng)物A得初始濃度為:亞硝酸乙脂得分解速率為:乙醇得生成速率為:(2)恒壓過(guò)程,由于反應(yīng)前后摩爾數(shù)有變化,就是個(gè)變?nèi)葸^(guò)程,由(2、49)式可求得總摩爾數(shù)得變化。由于反應(yīng)物就是純A,故有:yA0=1。由(2、52)式可求得組分得瞬間濃度:乙醇得生成速率為:

2、12解:(1)由題意可將反應(yīng)速率表示為:對(duì)于恒容過(guò)程,則有當(dāng)XA0=0、8時(shí)(2)對(duì)于恒壓過(guò)程,就是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程,由(2、49)式可求得總摩爾數(shù)得變化反應(yīng)物A得原始分率:由(2、52)式可求得轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)得濃度:2、13解:方法(1),先求出總摩爾變化數(shù)。首先將產(chǎn)物得生成速率變?yōu)閷?duì)應(yīng)得反應(yīng)物得轉(zhuǎn)化速率:總反應(yīng)速率為:以一摩爾反應(yīng)物A為基準(zhǔn),總摩爾變化數(shù)為:初始濃度為:則有方法(2),可將CA表示為:方法(3),利用物料衡算可分別求出反應(yīng)物A生成R及S得瞬間選擇性SR,SS,因而可求出產(chǎn)物R及S得收率yR,yS,求得A轉(zhuǎn)化率為85%時(shí)得分率:其中:

2、14解:根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理,除表面反應(yīng)外,其它兩步達(dá)到平衡,描述如下:以表面反應(yīng)速率方程來(lái)代表整個(gè)反應(yīng)得速率方程:由于將代入上式得:整理得:將代入速率方程中其中

2、15解:根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理,除表面反應(yīng)步驟外,其余近似達(dá)到平衡,寫(xiě)出相應(yīng)得覆蓋率表達(dá)式:整個(gè)反應(yīng)得速率方程以表面反應(yīng)得速率方程來(lái)表示:根據(jù)總覆蓋率為1得原則,則有:或整理得:將代入反應(yīng)速率方程,得:其中2、17解:根據(jù)題意,假設(shè)反應(yīng)步驟如下:并假設(shè)第二步就是控制步驟,其速率方程就代表了整個(gè)反應(yīng)得速率方程:其余得兩步可認(rèn)為達(dá)到平衡,則有:由于,有:將代入速率式,得:式中。故上述假定與題意符合。但上述假定得反應(yīng)步驟不就是唯一得。

2、18解:先用積分法求其動(dòng)力學(xué)方程。設(shè)為一級(jí)不可逆反應(yīng),其速率表達(dá)式為:積分得:用～t作圖。t(h)0123456789

0

0、442

0、831

1、253

1、609

2、108

2、457

2、862

3、438

3、843作圖得一直線,其斜率為0、425h-1,故假設(shè)一級(jí)反應(yīng)就是合理得,其動(dòng)力學(xué)方程可表示為:用微分法求解動(dòng)力學(xué)方程首先用CA～t曲線,在曲線上取時(shí)間為0,1,2,……9h所對(duì)應(yīng)點(diǎn)得切線,為了準(zhǔn)確可采用鏡面法,求得各切線得斜率即為對(duì)應(yīng)得dCA/dt之值,然后再以dCA/dt～CA作圖,所求得dCA/dt值如下表所示:t(h)0123456789CA(mol/l)1、400、900、610、400、280、170、120、080、0450、03dCA/dt(mol/l、h)0、700、450、2950、1910、1470、0950、060、0330、0250、015設(shè)為一級(jí)不可逆反應(yīng),用dCA/dt～CA作圖得一直線,其斜率為0、5h-1,其動(dòng)力學(xué)方程可表示為:或?qū)⑺俾史匠讨本€化,即兩邊取對(duì)數(shù),得:可簡(jiǎn)化為y=b+ax形式,利用多元回歸,可求得反應(yīng)級(jí)數(shù)n=1、004≈1,反應(yīng)速率常數(shù)值為k=0、4996。還可用一數(shù)學(xué)公式來(lái)擬合CA～t曲線,然后再將該數(shù)學(xué)公式對(duì)t求導(dǎo),求得dCA/dt之值,此法會(huì)比作圖法來(lái)得準(zhǔn)確。3釜式反應(yīng)器3、1解:(1)(2)因?yàn)殚g歇反應(yīng)器得反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器得大小無(wú)關(guān),所以反應(yīng)時(shí)間仍為2、83h。

3、2解:氯乙醇,碳酸氫鈉,與乙二醇得分子量分別為80、5,84與62kg/kmol,每小時(shí)產(chǎn)乙二醇:20/62=0、3226kmol/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:反應(yīng)時(shí)間:反應(yīng)體積:(2)

反應(yīng)器得實(shí)際體積:

3、3解:用A,B,R,S分別表示反應(yīng)方程式中得四種物質(zhì),利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸得濃度(也就就是丙酸鈉得濃度,因?yàn)槠溆?jì)量比與投量比均為1:1)為:于就是可求出A得平衡轉(zhuǎn)化率:現(xiàn)以丙酸濃度對(duì)時(shí)間作圖:

由上圖,當(dāng)CA=0、0515×14、7mol/l時(shí),所對(duì)應(yīng)得反應(yīng)時(shí)間為48min。由于在同樣條件下,間歇反應(yīng)器得反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器得大小無(wú)關(guān),所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器得反應(yīng)時(shí)間也就是48min。丙酸得產(chǎn)量為:500kg/h=112、6mol/min。所需丙酸鈉得量為:112、6/0、72=156、4mol/min。原料處理量為:反應(yīng)器體積:實(shí)際反應(yīng)體積:

3、4解:(1)(由數(shù)值積分得出)(2)若A全部轉(zhuǎn)化為R,即XA=1、0,則由上面得積分式知,t→∝,這顯然就是不可能得。

3、5解:(1)因?yàn)锽過(guò)量,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:(2)先求出最大轉(zhuǎn)化率:(3)產(chǎn)物C得最大收率:產(chǎn)物C得最大濃度:

3、6解:根據(jù)題中給得兩種反應(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)就是下述反應(yīng)得特例:(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)講得一級(jí)不可逆連串反應(yīng)?？梢?jiàn)只要得到(A)式得解,則可容易化簡(jiǎn)得到(B),(C)及(D)式得解。對(duì)于(A)式,可列出如下微分方程組:(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,由如下式確定:(8)(9)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對(duì)本題進(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)為得情況,當(dāng)t→∝時(shí),由得:

3、7解:(1)由上式知,欲使S增加,需使CA低,CB高,但由于B得價(jià)格高且不易回收,故應(yīng)按主反應(yīng)得計(jì)量比投料為好。(2)保證CA低,CB高,故可用下圖所示得多釜串聯(lián)方式:

(3)用半間歇反應(yīng)器,若欲使CA低,CB高,可以將B一次先加入反應(yīng)器,然后滴加A、3、8解:(1)苯酚濃度苯酚產(chǎn)量(2)全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量(3)說(shuō)明全混釜得產(chǎn)量小于間歇釜得產(chǎn)量,這就是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低,反應(yīng)速度慢得原因。(4)由于該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng),由上述計(jì)算可知,無(wú)論就是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器,其原料處理量不變,但由于CAB增加一倍,故C苯酚也增加一倍,故上述兩個(gè)反應(yīng)器中苯酚得產(chǎn)量均增加一倍。

3、9解:(1)第二章2、9題已求出t=0、396h=24、23min(2)(3)若轉(zhuǎn)化率仍為0、95,且溫度為常數(shù),則D得瞬時(shí)選擇性為:D得收率:這說(shuō)明能使D得收率達(dá)到70%(4)對(duì)全混流反應(yīng)器,若使τ=t=0、3958h,則有解之得:CA=0、4433所以:這說(shuō)明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到95%。(5)

對(duì)全混流反應(yīng)器,若X=0、95,則R得收率為:(6)依題意知半間歇式反應(yīng)器屬于連續(xù)加料而間歇出料得情況。為了求分組A得轉(zhuǎn)化率及R得收率,需要求出A及R得濃度隨時(shí)間得變化關(guān)系,現(xiàn)列出如下得微分方程組:對(duì)A:(1)對(duì)R:(2)(3)在反應(yīng)時(shí)間(t=0、4038h,為方便起見(jiàn)取t≈0、4h)內(nèi)將0、4m3得A均速加入反應(yīng)器內(nèi),故采用間歇釜操作時(shí),原料為A與B得混合物,A得濃度為2kmol/m3、現(xiàn)采用半間歇釜操作,且,故可算出原料A得濃度為:由于:代入(1),(2)式則得如下一階非線性微分方程組:(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=0、02h,直至求至t=0、4h即可。用t=0、4h時(shí)得CA與CR可以進(jìn)行A得轉(zhuǎn)化率與R得收率計(jì)算:式中VA為所加入得A得體積,且VA=0、4m3;CA0為所加入得A得濃度,且CA0=7kmol/m3;V為反應(yīng)結(jié)束時(shí)物系得體積,V=1、4m3。同理可以計(jì)算出R得收率:3、10解:(1)對(duì)上式求dVr/dXA1=0可得:將XA2=0、9代入上式,則解之得XA1=0、741所以總反應(yīng)體積得最小值為(2)即解得CB1=0、005992kmol/m3同理解得CB2=0、00126kmol/m3B得收率:(3)目標(biāo)函數(shù)改為B得收率,這時(shí)得計(jì)算步驟如下:對(duì)于第i個(gè)釜,組分A,B得衡算方程分別為: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得函數(shù),即(5)式中CA0為常數(shù)。由題意,欲使CB2最大,則需對(duì)上述二元函數(shù)求極值:聯(lián)立上述兩個(gè)方程可以求出τ1及τ2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時(shí)反應(yīng)器系統(tǒng)得總體積。將τ1,τ2代入(5)式即可求出B得最高濃度,從而可進(jìn)一步求出YBmaX、將τ1,τ2代入CA2,則由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率。

3、11解:即得:整理得:解得:XAf=0、821反應(yīng)器出口A,B得濃度分別為:

3、1(1)

所需得反應(yīng)體積;(2)

B及D得收率。已知操作溫度下,k1=6、85×10-5l/mol、s;k2=1、296×10-9s-1;;k3=1、173×10-5l/mol、s;B得分子量為140;D得分子量為140。解:因MB=MD=140,所以MA=MC=70(1)(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得代數(shù)方程式,解之得τ=3、831×105s=106、4h(1)

反應(yīng)體積(2)

將τ代入(4)式得,所以B得收率為:對(duì)A作物料衡算:所以有:所以D得收率為:

3.20解:(1)二個(gè)300l全混串聯(lián)釜,XA2=0、989,(1)(2)解得:XA1=0、8951代入(1)式求出此系統(tǒng)得體積流量:3、8題中已算出。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)300l釜并聯(lián),在最終轉(zhuǎn)化率相同時(shí),Q0增加一倍,生產(chǎn)能力也增加一倍。

3.21解:(1)

求轉(zhuǎn)化率:解得:XAf=0、8221反應(yīng)器出口物料中醋酐濃度:3.22解:(1)

一級(jí)不可逆反應(yīng):所以Q0=0、109m3/h丙二醇得濃度=丙二醇得產(chǎn)量=(2)采用定態(tài)下連續(xù)操作所以Q0=0、109m3/h丙二醇得產(chǎn)量=(3)因連續(xù)釜在低得反應(yīng)物濃度下操作,反映速率慢,故產(chǎn)量低。

4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)行下列氣相均相反應(yīng):在反應(yīng)條件下該反應(yīng)得速率方程為:式中CT及CH分別為甲苯及氫得濃度,mol/l,原料處理量為2kmol/h,其中甲苯與氫得摩爾比等于1。若反應(yīng)器得直徑為50mm,試計(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)得反應(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,原料甲苯與氫得摩爾比等于1,即:,則有:示中下標(biāo)T與H分別代表甲苯與氫,其中:所以,所需反應(yīng)器體積為:所以,反應(yīng)器得長(zhǎng)度為:

4、2根據(jù)習(xí)題3、2所規(guī)定得條件與給定數(shù)據(jù),改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇,試計(jì)算所需得反應(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)器得反應(yīng)體積小,間歇釜式反應(yīng)器得反應(yīng)體積大,這就是由于間歇式反應(yīng)器有輔助時(shí)間造成得。

4、31、013×105Pa及20℃下在反應(yīng)體積為0、5m3得活塞流反應(yīng)器進(jìn)行一氧化氮氧化反應(yīng):式中得濃度單位為kmol/m3。進(jìn)氣組成為10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若進(jìn)氣流量為0、6m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下),試計(jì)算反應(yīng)器出口得氣體組成。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:(A)示中A,B分別代表NO與O2。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:(B)用數(shù)值積分試差求得:因此,另:本題由于惰性氣體N2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)有太大得誤差。

4、4在內(nèi)徑為76、2mm得活塞流反應(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、026×105Pa及815℃。進(jìn)料含50%(mol)C2H6,其余為水蒸汽。進(jìn)料量等于0、178kg/s。反應(yīng)速率方程如下:式中pA為乙烷分壓。在815℃時(shí),速率常數(shù),平衡常數(shù),假定其它副反應(yīng)可忽略,試求:(1)

此條件下得平衡轉(zhuǎn)化率;(2)

乙烷得轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率得50%時(shí),所需得反應(yīng)管長(zhǎng)。解:(1)設(shè)下標(biāo)A—乙烷,B—乙烯,H—?dú)?。此條件下得平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求取:

若以1摩爾C2H6為基準(zhǔn),反應(yīng)前后各組分得含量如下:反應(yīng)前10012平衡時(shí)1-XeXeXe12+Xe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:(2)

所需得反應(yīng)管長(zhǎng):首先把反應(yīng)速率方程變?yōu)橐员ＷC速率方程得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277℃,1、013×105Pa壓力下在活塞流反應(yīng)器進(jìn)行氣固相催化反應(yīng):催化劑得堆密度為700kg/m3,在277℃時(shí),B得轉(zhuǎn)化速率為:式中得分壓以Pa表示,假定氣固兩相間得傳質(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),所需得催化劑量就是多少？反應(yīng)體積時(shí)多少？乙酸乙酯得產(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)化率得函數(shù),其中:為求各組分初始分壓,須將加料組成得質(zhì)量百分比化為摩爾百分比,即12、34%B,32、1%A,55、45%Q。于就是有: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得催化劑量:其反應(yīng)體積為:

4、6二氟一氯甲烷分解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng):流量為2kmol/h得純CHClF2氣體先在預(yù)熱器預(yù)熱至700℃,然后在一活塞流反應(yīng)器中700℃等溫下反應(yīng)。在預(yù)熱器中CHClF2已部分轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化率為20%。若反應(yīng)器入口處反應(yīng)氣體得線速度為20m/s,當(dāng)出口處CHClF2得轉(zhuǎn)化率為40、8%時(shí),出口得氣體線速度時(shí)多少？反應(yīng)器得長(zhǎng)度就是多少？整個(gè)系統(tǒng)得壓力均為1、013×105Pa,700℃時(shí)得反應(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)度就是多少？解:反應(yīng)歷程如下圖所示:反應(yīng)器反應(yīng)器 預(yù)熱器 溫度T0TinTf=TiN線速度u0uinuf轉(zhuǎn)化率XA0=0XA,inXA,f該反應(yīng)為變?nèi)葸^(guò)程,其中,

由(2、50)式知:由已知條件,且考慮溫度得影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時(shí)得線速度:其出口處氣體線速度為:由設(shè)計(jì)方程計(jì)算出反應(yīng)器長(zhǎng)度:那么需求出以反應(yīng)器入口為基準(zhǔn)得出口轉(zhuǎn)化率XAf。據(jù)XA=FA0-FA/FA0,可求出FA,in=1、6kmol/h,FAf=1、184kmol/h,所以,XAf=(1、6-1、184)/1、6=0、26。因而有:這就是由于反應(yīng)器得截面積沒(méi)有固定,固定得就是反應(yīng)氣體得線速度等條件,因此,當(dāng)流量提高一倍時(shí),而其余條件不變,則反應(yīng)器得長(zhǎng)度并不變,只就是其截面積相應(yīng)增加。

4、7擬設(shè)計(jì)一等溫反應(yīng)器進(jìn)行下列液相反應(yīng):目得產(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)采用什么樣得加料方式？(3)

如用間歇反應(yīng)器,又應(yīng)采用什么樣得加料方式？解:對(duì)于復(fù)合反應(yīng),選擇得原則主要就是使目得產(chǎn)物R得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,CA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CB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)所消耗得A量外,應(yīng)按第一個(gè)反應(yīng)得化學(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)采用如圖所示得加料方式,即A組分沿軸向側(cè)線分段進(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)到要求得轉(zhuǎn)化率為止。

4、8在管式反應(yīng)器中400℃等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng),該反應(yīng)得活化能等于39、77kJ/mol?，F(xiàn)擬在反應(yīng)器大小,原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變得前提下(采用等溫操作),增產(chǎn)35%,請(qǐng)您擬定一具體措施(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,原料組成與出口轉(zhuǎn)化率均保持不變,由下式:可知,Q0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%。

4、9根據(jù)習(xí)題3、8所給定得條件與數(shù)據(jù),改用活塞流反應(yīng)器,試計(jì)算苯酚得產(chǎn)量,并比較不同類(lèi)型反應(yīng)器得計(jì)算結(jié)果。解:用活塞流反應(yīng)器:將已知數(shù)據(jù)代入得:解得:,所以苯酚產(chǎn)量為:由計(jì)算可知改用PFR得苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反應(yīng)器得苯酚產(chǎn)量,也大于間歇式反應(yīng)器得產(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得產(chǎn)量相同(當(dāng)然要在相同條件下比較)。

4、10根據(jù)習(xí)題3、9所給定得條件與數(shù)據(jù),改用活塞流反應(yīng)器,反應(yīng)溫度與原料組成均保持不變,而空時(shí)與習(xí)題3、9(1)得反應(yīng)時(shí)間相同,A得轉(zhuǎn)化率就是否可達(dá)到95%？R得收率就是多少？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)器得反應(yīng)時(shí)間相同,所以A得轉(zhuǎn)化率就是可以達(dá)到95%得。R得收率與間歇反應(yīng)器時(shí)得收率也相同,前已算出收率為11、52%。4、11根據(jù)習(xí)題3、14所給定得條件與數(shù)據(jù),改用活塞流反應(yīng)器,試計(jì)算:(1)所需得反應(yīng)體積;(2)若用兩個(gè)活塞流反應(yīng)器串聯(lián),總反應(yīng)體積就是多少？解:(1)用PFR時(shí)所需得反應(yīng)體積:(2)若用兩個(gè)PFR串聯(lián),其總反應(yīng)體積與(1)相同。

4、12在管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相基元反應(yīng):,加入物料A為氣相,B為液體,產(chǎn)物C為氣體。B在管得下部,氣相為B所飽與,反應(yīng)在氣相中進(jìn)行。已知操作壓力為1、013×105Pa,B得飽與蒸汽壓為2、532×104Pa,反應(yīng)溫度340℃,反應(yīng)速率常數(shù)為102m3/mol、min,計(jì)算A得轉(zhuǎn)化率達(dá)50%時(shí),A得轉(zhuǎn)化速率。如A得流量為0、1m3/min,反應(yīng)體積就是多少？解:此反應(yīng)為氣相反應(yīng),從化學(xué)計(jì)量方程式瞧,就是變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程,但氣相中pB為常數(shù),故可瞧成恒容過(guò)程。假定為理想氣體,其中:當(dāng)XA=50%時(shí),A得轉(zhuǎn)化速率為:當(dāng)時(shí),所以,此時(shí)所需反應(yīng)體積為:

4、13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,k1=0、30min-1,k2=0、10min-1。A得進(jìn)料流量為3m3/h,其中不含P與Q,試計(jì)算P得最高收率與總選擇性及達(dá)到最大收率時(shí)所需得反應(yīng)體積。解:對(duì)一級(jí)連串反應(yīng)可得如下關(guān)系就是:(A)若求最高收率,即令:,可得到:將(XA)m代入(A)式得最高收率:P得總選擇性:達(dá)到最大收率時(shí)得反應(yīng)體積為:

4、14液相平行反應(yīng):式中為化學(xué)計(jì)量系數(shù)。目得產(chǎn)物為P。(1)

寫(xiě)出瞬時(shí)選擇性計(jì)算式。(2)

若,試求下列情況下得總選擇性。(a)

活塞流反應(yīng)器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=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與B得加入方式如下圖所示。反應(yīng)物A從反應(yīng)器得一端連續(xù)地加入,而B(niǎo)則從不同位置處分別連續(xù)加入,使得器內(nèi)處處B得濃度均等于1kmol/m3,反應(yīng)器進(jìn)出口處A得濃度分別為19與1kmol/m3。解:(1)設(shè)A為關(guān)鍵組分,目得產(chǎn)物P得瞬時(shí)選擇性為:(2)若,求下列情況下得總選擇性。(a)活塞流反應(yīng)器,因?yàn)镃A0=CB0,其化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同,所以CA=CB,則有,因此(b)連續(xù)釜式反應(yīng)器(c)PFR,且B側(cè)線分段進(jìn)料,器內(nèi)B得濃度均等于1kmol/m3,則

4、15在活塞流反應(yīng)器中等溫等壓(5、065×104Pa)下進(jìn)行氣相反應(yīng):式中PA為A得分壓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)m3/h,要求A得轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%,計(jì)算所需得反應(yīng)體積及反應(yīng)產(chǎn)物Q得收率。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得總轉(zhuǎn)化速率為:又為變?nèi)葸^(guò)程:其中,所以有所需反應(yīng)體積為:產(chǎn)物Q得收率:

4、16在充填釩催化劑得活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行苯(B)氧化反應(yīng)以生產(chǎn)順丁烯二酸酐(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)分別為A1=0、2171,A2=1、372×108,A3=470、8反應(yīng)系在1、013×105Pa與704K等溫進(jìn)行。原料氣為苯蒸汽與空氣得混合氣,其中含苯1、8%(mol)?，F(xiàn)擬生產(chǎn)順丁烯二酸酐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)苯得最終轉(zhuǎn)化率;(2)原料氣需用量;(3)所需得催化劑量。解:(1)由題意知:,解之得:或:且:解此一階線性微分方程有:已知:代入上式化簡(jiǎn)得到:通過(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達(dá)到83、45%,所需催化劑量由物料衡算式求得:4、17(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)系得微分方程;(2)在什么情況下該方程可化為線性代數(shù)方程,并寫(xiě)出方程?；卮饐?wèn)題(1),(2)時(shí)必須說(shuō)明所使用得符號(hào)意義;(3)計(jì)算甲苯氫解反應(yīng)得絕熱溫升。原料氣溫度為873K,氫及甲苯得摩爾比為5。反應(yīng)熱△H298=-49974J/mol。熱容(J/molK)數(shù)據(jù)如下:H2:CP=20、786CH4:CP=0、04414T+27、87C6H6:CP=0、1067T+103、18C6H5CH3:CP=0、03535T+124、85(4)在(3)得條件下,如甲苯最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%,試計(jì)算絕熱反應(yīng)器得出口溫度。解:(1)絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度T與轉(zhuǎn)化率XA得微分方程:(A)式中為基準(zhǔn)溫度下得熱效應(yīng);Cpt為反應(yīng)物料在基準(zhǔn)溫度下與反應(yīng)溫度T之間得熱容;wA0為組分A得初始質(zhì)量分率;MA為組分A得分子量。(2)如果不考慮熱容Cpt隨物料組成及溫度得變化,即用平均溫度及平均組成下得熱容代替,則積分(A)式得:(B)式中:T0為反應(yīng)入口;XA0為初始轉(zhuǎn)化率:此時(shí)(A)式化為線性方程。當(dāng)XA0=0時(shí),又可寫(xiě)成:(3)求絕熱溫升。已知T0=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:(C)此時(shí)就是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)得。選入口T0為基準(zhǔn)溫度,需求出反應(yīng)熱,以轉(zhuǎn)化1mol甲苯為計(jì)算基準(zhǔn),則有:從基準(zhǔn)溫度T0到出口溫度反應(yīng)物料得平均熱容為:(D)式中各組分熱容為各組分從基準(zhǔn)溫度至出口溫度得平均熱容。其絕熱溫升:(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:(4)在(3)得條件下,當(dāng)XA=0、7時(shí),絕熱反應(yīng)器得出口溫度:

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,目得產(chǎn)物為一乙醇胺。(1)

請(qǐng)您提出原料配比得原則,并說(shuō)明理由。(2)

選定一種合適得反應(yīng)器型式與操作方式。(3)

根據(jù)(2)得結(jié)果,說(shuō)明原料加入方式。(4)

反應(yīng)時(shí)間就是否有所限制？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,目得產(chǎn)物M得瞬間選擇性:由此瞧出CA增大時(shí),則S也增大,無(wú)疑,相對(duì)來(lái)說(shuō)CB減少。也就就是說(shuō)配比原則就是:允許得條件下,盡量使A過(guò)量。(2)根據(jù)(1)得結(jié)果,可選活塞流反應(yīng)器,并使B從側(cè)線分段進(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)中得圖示。(4)反應(yīng)時(shí)間即停留時(shí)間有限制,因?yàn)槟康卯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1m3得活塞流反應(yīng)器兩個(gè),擬用來(lái)分解濃度為3、2kmol/m3得過(guò)氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚與丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng),并在86℃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)氧化氫異丙苯溶液得轉(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)器得原料處理量相同,即均等于1、2m3/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、8m3/min,另一個(gè)則為1、6m3/min;(4)

用一個(gè)反應(yīng)體積為2m3得活塞流反應(yīng)器替代;(5)

若將過(guò)氧化氫異丙苯得濃度提高到4kmol/m3,其余條件保持不變,那么,上列各種情況得計(jì)算結(jié)果就是否改變？相應(yīng)得苯酚產(chǎn)量就是否改變？(6)

比較上列各項(xiàng)得計(jì)算結(jié)果并討論之,從中您得到哪些結(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)第一個(gè)反應(yīng)器,,而第二個(gè)反應(yīng)器,,兩個(gè)反應(yīng)器出口混合后:(4)用一個(gè)反應(yīng)體積為2m3代替,其結(jié)果同(1)。(5)當(dāng)CA0提高到4kmool/m3時(shí),由可知,轉(zhuǎn)化率與CA0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,即產(chǎn)量增加。(6)從上列各種計(jì)算結(jié)果比較瞧出:(a)幾個(gè)PFR串聯(lián)與用一個(gè)大得PFR,只要保持二者得總體積相同,其效果就是一樣得。(b)在并聯(lián)時(shí),只要保持,其結(jié)果也就是相同得。但時(shí),其總轉(zhuǎn)化率就是下降得。(c)對(duì)一級(jí)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化率與CA0無(wú)關(guān),但目得產(chǎn)物得產(chǎn)量與CA0成正比關(guān)系。

4、20在活塞流反應(yīng)器中絕熱進(jìn)行丁二烯與乙烯合成環(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)料為丁二烯與乙烯得等摩爾混合物,溫度為440℃。操作壓力1、013×105Pa。該反應(yīng)得熱效應(yīng)等于-1、256×105kJ/mol。假定各氣體得熱容為常數(shù),且CPA=154,CPB=85、6,CPR=249,單位為J/mol、K。要求丁二烯得轉(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℃下等溫進(jìn)行,重復(fù)(1)得計(jì)算;(3)

440℃下等溫反應(yīng)時(shí)所需移走得熱量。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:,已知:,并假定選入口溫度440℃為基準(zhǔn)溫度,題給為440℃下得熱效應(yīng)。若以1molA為基準(zhǔn),則:反應(yīng)前1102XA1-XA1-XAXA2-XA所以,當(dāng)XA=0、12時(shí),將數(shù)據(jù)代入并用數(shù)值積分得:(2)在440℃下等溫反應(yīng)(3)440℃等溫反應(yīng),需移走熱量,如果忽略由于反應(yīng)造成得各組分得變化所引起得熱容量變化,則若維持等溫反應(yīng)必須移走反應(yīng)所放出得熱量:其中FA6得單位為mol/h

4、21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)各自得反應(yīng)物均為一級(jí),速率常數(shù)比k2/k1為2,原料中水與環(huán)氧乙烷得摩爾比為20,且不含產(chǎn)物。(1)

選擇何種型式得反應(yīng)器好？(2)

欲使乙二醇得收率最大,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,您認(rèn)為這種建議就是否可行？如果循環(huán)比ψ=25,并使空時(shí)與第(2)問(wèn)得空時(shí)相等,則此時(shí)總轉(zhuǎn)化率及乙二醇得收率就是提高還就是降低？解:(1)為解決問(wèn)題方便,選H2O(B)為關(guān)鍵組分,環(huán)氧乙烷,乙二醇分別用A與Q表示。則乙二醇得瞬時(shí)選擇性為:分析可知欲使S↑必須使CB↑,即使H2O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:(A)因,故上式又可寫(xiě)成:(B)初始條件XB=0,YQ=0,解此一階線性常微分方程有:(C)令有:本題給原料中水與環(huán)氧乙烷得摩爾比為20,其轉(zhuǎn)化率就是不可能達(dá)到這最佳轉(zhuǎn)化率得。但它告訴我們,當(dāng)CA=0時(shí),為乙二醇得最大收率,即:(D)解:又因?yàn)?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=0、048,也就就是說(shuō)欲使乙二醇收率最大,關(guān)鍵組分水得轉(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)化率就是不行得,因?yàn)樵黾恿朔祷?降低了反應(yīng)速率,反而使XB降低。如Ψ=25時(shí),可視為CSTR,當(dāng)空時(shí)與(2)中得空時(shí)相等時(shí),使總轉(zhuǎn)化率下降,且使乙醇收率降低。

4、22有一自催化液相反應(yīng),其速率方程為,反應(yīng)溫度下,,每小時(shí)處理1000mol原料,其中A占99%(mol),其余為P。要求最終轉(zhuǎn)化率為90%。(1)

為使所需反應(yīng)體積最小,采用何種型式反應(yīng)器好？并算出您所選用得反應(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ψ=∞時(shí),反應(yīng)體積為多少？(4)

當(dāng)循環(huán)比ψ=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RA隨CA得變化存在極大值,令:所以或:其最大速率:故采用兩器串聯(lián)可使反應(yīng)體積最小,如圖示,以極值處為兩器得分界線。

所需最小總體積:(2)如采用循環(huán)反應(yīng)器,如圖示:

其基本設(shè)計(jì)式:(A)式中β=CP0/CA0=0、01,為求最佳循環(huán)比,令:(B)又因?yàn)?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:,即為最佳循環(huán)比。所以,對(duì)(A)式積分得時(shí)得反應(yīng)體積:(3)當(dāng)循環(huán)比時(shí),即為CSTR,反應(yīng)體積為(4)當(dāng)循環(huán)比時(shí),即為PFR,反應(yīng)體積為4、23在常壓與2300℃下在管式反應(yīng)器中進(jìn)行純度為90%得甲烷高溫?zé)崃呀夥磻?yīng):其速率方程為:其速率常數(shù)為:試問(wèn):(1)

若以C2H4為目得產(chǎn)物,忽略第三步反應(yīng),C2H4得最大收率為多少？(2)

若考慮第三步反應(yīng),C2H4得最大收率就是否改變？(3)

用圖表示各組分濃度隨空時(shí)得變化關(guān)系。(4)

若改變甲烷得進(jìn)料濃度,產(chǎn)物分布曲線就是否改變？(5)

若改變反應(yīng)溫度,產(chǎn)物分布曲線就是否改變？若提高反應(yīng)溫度,C2H4得收率就是增加還就是減少？乙炔得收率就是增加還就是減少？解:由化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系式可知,本反應(yīng)就是一個(gè)復(fù)雜得變?nèi)葸^(guò)程,計(jì)算就是較復(fù)雜得。但就是,實(shí)際上該高溫裂解反應(yīng),為得到中間目得產(chǎn)物,通常XA只有百分之幾,所以為便于計(jì)算與討論,本題可近似瞧成恒容過(guò)程。(1)

若忽略第三步,C2H4得最大收率:(2)

若考慮第三步反應(yīng),C2H4得最大收率不變,與(1)相同。(3)

用圖表示各組分隨空時(shí)得變化關(guān)系,由動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出因題中未給出原料得其她組分,現(xiàn)假定原料中不含產(chǎn)物,則最終產(chǎn)物C或H2得濃度據(jù)物料衡算導(dǎo)出,如C(這里假定碳得擬濃度,用CC表示)或:因此,各組分Ci/CA0～τ得關(guān)系可據(jù)上式做出,其示意圖如下:

(4)若改變甲烷得進(jìn)料濃度,產(chǎn)物相對(duì)濃度分布曲線趨勢(shì)不變,但產(chǎn)物濃度得絕對(duì)量就是變得。(5)若改變反應(yīng)溫度,產(chǎn)物分布曲線改變。若提高反應(yīng)溫度,有利于活化能大得反應(yīng),所以C2H4得收率增加,而乙炔收率減少。

4、24溫度為1000K得純丙酮蒸汽以8kg/s得流量流入內(nèi)徑為26mm得活塞流反應(yīng)器,在其中裂解為乙烯酮與甲烷:該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)與溫度得關(guān)系為:k得單位為s-1。操作壓力為162kPa。反應(yīng)器用溫度為1300K得恒溫?zé)嵩垂?熱源與反應(yīng)氣體間得傳熱系數(shù)等于110W/m2K,要求丙酮得轉(zhuǎn)化率達(dá)20%。各反應(yīng)組分得熱容(J/mol、K)與溫度(K)得關(guān)系如下:298K時(shí)得反應(yīng)熱等于80、77kJ/mol。(1)

計(jì)算所需得反應(yīng)體積;(2)

繪制軸向溫度分布及軸向丙酮濃度分布圖。解:此反應(yīng)為非絕熱變?nèi)葑儨胤磻?yīng)。其中。現(xiàn)選入口溫度T0為基準(zhǔn)溫度,需求出:將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得然后將所需數(shù)據(jù)代入基本設(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)生用手算采用改良?xì)W拉法,計(jì)算結(jié)果列入表中:丙酮裂解反應(yīng)器得軸向XA與CA及T得分布T,KZ,mXACA,mol

0、00、019、4851000、0100、00、009719、2961003、5200、00、020419、0881006、3500、00、064318、2321018800、00、112217、29910271100、00、165816、2541032、21400、00、220515、189達(dá)到20%轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)體積,可按線性內(nèi)插法確定反應(yīng)器軸向長(zhǎng)度:再求反應(yīng)體積:顯然,氣體流過(guò)如此長(zhǎng)得管道壓力降就是不可忽略得。而上述計(jì)算就是基于等壓情況處理得,較準(zhǔn)確得計(jì)算應(yīng)考慮壓降得影響,應(yīng)再加一個(gè)動(dòng)量衡算式,然后再聯(lián)立求解。不過(guò),實(shí)際上如此長(zhǎng)得管道就是不可取得,應(yīng)考慮很多根管子并聯(lián),即列管式反應(yīng)器,這里不再多述。(2)可根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制軸向反應(yīng)溫度及丙酮濃度分布圖。(這里從略)

4、25在等溫活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),正逆反應(yīng)得反應(yīng)速率常數(shù)與與溫度得關(guān)系如下:要求最終轉(zhuǎn)化率為90%,試問(wèn)在什么溫度下操作所需得反應(yīng)體積最?。拷?由(2、31)式:可知,當(dāng)時(shí),即,所以,故可判定此反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)。據(jù)式(2、37)求最佳溫度,其中Te為對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)化率為90%時(shí)得平衡溫度,對(duì)一級(jí)可逆反應(yīng)有:所以:即,在390、2K下操作所需得反應(yīng)體積最小。

5停留時(shí)間分布與反應(yīng)器5、1設(shè)F(θ)及E(θ)分別為閉式流動(dòng)反應(yīng)器得停留時(shí)間分布函數(shù)及停留時(shí)間分布密度函數(shù),θ為對(duì)比時(shí)間。(1)

若該反應(yīng)器為活塞流反應(yīng)器,試求(a)

F(1)(b)E(1)(c)F(0、8)(d)E(0、8)(e)E(1、2)(2)若該反應(yīng)器為全混流反應(yīng)器,試求(a)F(1)(b)E(1)(c)F(0、8)(d)E(0、8)(e)E(1、2)(3)若該反應(yīng)器為一個(gè)非理想流動(dòng)反應(yīng)器,試求(a)F(∞)(b)F(0)(c)E(∞)(d)E(0)(e)(f)解:(1)因就是活塞流反應(yīng)器,故符合理想活塞流模型得停留時(shí)間分布,由(5、33-5、36)式可得:(a)F(1)=1、0(b)E(1)=∝(c)F(0、8)=0(d)E(0、8)=0(e)E(1、2)=0(2)

因就是全混流反應(yīng)器,故符合理想全混流模型得停留時(shí)間分布,由(5、33-5、36)式可得:(a)F(1)=1-e-1=0、6321(b)E(1)=e-1=0、3679(c)F(0、8)=1-e-0、8=0、5507(d)E(0、8)=e-0、8=0、4493(e)=E(1、2)=0、3012(3)

因就是一個(gè)非理想流動(dòng)反應(yīng)器,故可得:(a)F(∞)=1(b)F(0)=0(c)E(∞)=0(d)E(0)>1(e)=1(f)=1

5、2用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反應(yīng)器得停留時(shí)間分布,得到離開(kāi)反應(yīng)器得示蹤劑與時(shí)間得關(guān)系如下:試求:(1)

該反應(yīng)器得停留時(shí)間分布函數(shù)F(θ)及分布密度函數(shù)E(θ)。(2)

數(shù)學(xué)期望及方差。(3)

若用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬該反應(yīng)器,則模型參數(shù)就是多少？(4)

若用軸相擴(kuò)散模型來(lái)模擬該反應(yīng)器,則模型參數(shù)就是多少？(5)若在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)k=1min-1,且無(wú)副反應(yīng),試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解:(1)由圖可知C0=C(∝)=1、0,而F(θ)=F(t)=C(t)/C(∝),所以:如下圖所示:

由(5、20)式可得平均停留時(shí)間:即為上圖中陰影面積。由(5、5)式得:所以:如右圖所示:

(2)由于就是閉式系統(tǒng),故,所以由式(5、23)可得方差:(3)由(5、20)式可得模型參數(shù)N為:(4)

由于返混很小,故可用,所以:(5)用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬,前已求得N=75,應(yīng)用式(3、50)即可計(jì)算轉(zhuǎn)化率:同理,亦可用擴(kuò)散模型即(5、69)式得XA=0、9146。兩種方法計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。

5、3用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反應(yīng)器得停留時(shí)間分布,得到離開(kāi)反應(yīng)器得示蹤劑與時(shí)間得關(guān)系如下:t,s01525354555657590100C(t),g/cm300、51、02、04、05、56、57、07、77、7(1)

試求該反應(yīng)器得停留時(shí)間分布及平均停留時(shí)間。(2)若在該反應(yīng)器內(nèi)得物料為微觀流體,且進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)k=0、05s-1,預(yù)計(jì)反應(yīng)器出口處得轉(zhuǎn)化率。(3)若反應(yīng)器內(nèi)得物料為宏觀流體,其它條件均不變,試問(wèn)反應(yīng)器出口處得轉(zhuǎn)化率又就是多少？解:(1)由式(5、17)計(jì)算出反應(yīng)器得停留時(shí)間分布,即:F(t)=C(t)/C(∝)=C(t)/7、7所得數(shù)據(jù)見(jiàn)下表所示:t,s01525354555657595100F(t)00、06490、12990、25970、51950、71430、84420、90911、001、00將上述數(shù)據(jù)作圖即為反應(yīng)器停留時(shí)間分布。根據(jù)由右圖可知,可用試差法得到,使兩塊陰影面積相等。由圖試差得。(2)因進(jìn)行得就是一級(jí)反應(yīng),故可采用離析流模型預(yù)計(jì)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。由式(3、12)可得間歇反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間得關(guān)系:代入離析流模型可得反應(yīng)器出口處平均轉(zhuǎn)化率:(A)采用圖解積分法對(duì)(A)式進(jìn)行積分,其中不同時(shí)間t下得F(t)如上表所示,得值列于下表中:t015253545556575951001-e-0、05t00、52760、71350、82620、89460、93610、96120、97650、99130、9933以F(t)～(1-e-0、05t)作圖,計(jì)算積分面積得:(3)

由于就是一級(jí)反應(yīng),所以混合態(tài)對(duì)反應(yīng)速率無(wú)影響,故反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率#與微觀流體時(shí)相同,即。

5、4為了測(cè)定一閉式流動(dòng)反應(yīng)器得停留時(shí)間分布,采用脈沖示蹤法,測(cè)得反應(yīng)器出口物料中示蹤劑濃度如下:t,min012345678910C(t),g/l0035664、53210試計(jì)算:(1)

反應(yīng)物料在該反應(yīng)器中得平均停留時(shí)間與方差。(2)

停留時(shí)間