化工反應(yīng)工程答案 第四章

1、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)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，試計算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時的反應(yīng)器長度。解：根據(jù)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：，則有：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：所以，反應(yīng)器的長度為： 4.2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

2、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： 所以，所需反應(yīng)器體積：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。 4.3 1.013×105Pa及20下在反應(yīng)體積為0.5m3的活塞流反應(yīng)器進(jìn)行一氧化氮氧化反應(yīng)：式中的濃度單位為kmol/m3。進(jìn)氣組成為10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若進(jìn)氣流量為0.6m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），試計算反應(yīng)器出口的氣體組成。解：由NO氧化反應(yīng)計量方程式可知此過程為變?nèi)葸^程，其設(shè)計方程為： （A） 示中A,B分別代表NO和O2。由題意可知，若能求得出口轉(zhuǎn)化率，由

3、（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)過程可近似按恒容過程處理，也不會有太大的誤差。 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2.026×105Pa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，速率常數(shù)，平衡常數(shù)，假定其它副反應(yīng)可忽略，試求：（1） （1）   此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率；（2）

4、 （2）   乙烷的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50%時，所需的反應(yīng)管長。解：（1）設(shè)下標(biāo)A乙烷，B乙烯，H氫。此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求?。?#160;若以1摩爾C2H6為基準(zhǔn)，反應(yīng)前后各組分的含量如下：反應(yīng)前 1 0 0 1 2平衡時 1-Xe Xe Xe 1 2+ Xe因此，平衡時各組分分壓為：將其代入平衡式有：解此一元二次方程得：（2） （2）   所需的反應(yīng)管長：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： 4.5于277，1.013×105Pa壓力下在活塞流反應(yīng)器進(jìn)行氣固相

5、催化反應(yīng):催化劑的堆密度為700kg/m3,在277時，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。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，所需的催化劑量是多少？反應(yīng)體積時多少？乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。解：由反應(yīng)計量方程式知反應(yīng)過程為恒容過程，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)計方程：采用數(shù)值積分便可得到所需的催化劑量：其反應(yīng)體積為： 4.6二氟一氯甲烷分解反

6、應(yīng)為一級反應(yīng):流量為2kmol/h的純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)氣體的線速度為20m/s，當(dāng)出口處CHClF2的轉(zhuǎn)化率為40.8%時，出口的氣體線速度時多少？反應(yīng)器的長度是多少？整個系統(tǒng)的壓力均為1.013×105Pa，700時的反應(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)器長度是多少？解：反應(yīng)歷程如下圖所示：反應(yīng)器預(yù)熱器 溫度 T0 Tin Tf=TiN線速度 u0 uin uf轉(zhuǎn)化率 XA0=0 XA,in XA,f該反應(yīng)為變?nèi)葸^程，其

7、中， 由（2.50）式知：由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時的線速度：其出口處氣體線速度為：由設(shè)計方程計算出反應(yīng)器長度：那么需求出以反應(yīng)器入口為基準(zhǔn)的出口轉(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：這是由于反應(yīng)器的截面積沒有固定，固定的是反應(yīng)氣體的線速度等條件，因此，當(dāng)流量提高一倍時，而其余條件不變，則反應(yīng)器的長度并不變，只是其截面積相應(yīng)增加。 4.7擬設(shè)計一等溫反應(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：（1）

8、 （1）   在原料配比上有何要求？（2） （2）   若采用活塞流反應(yīng)器，應(yīng)采用什么樣的加料方式？（3） （3）   如用間歇反應(yīng)器，又應(yīng)采用什么樣的加料方式？解：對于復(fù)合反應(yīng)，選擇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)動力學(xué)特征，其瞬時選擇性為：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，則除去第二個反應(yīng)所消耗的A量外，應(yīng)按第一個反應(yīng)的化學(xué)計量比配料，而且使B組分盡量轉(zhuǎn)化。（2）若采用PFR，應(yīng)采用如

9、圖所示的加料方式，即A組分沿軸向側(cè)線分段進(jìn)料，而B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。 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)的活化能等于39.77kJ/mol?，F(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下（采用等溫操作），增產(chǎn)35%，請你擬定一具體措施（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)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=

10、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，并比較不同類型反應(yīng)器的計算結(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)器若不計輔助時間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同（當(dāng)然要在相同條件下比較）。 4.10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，而空時與習(xí)題3.9（1）的反應(yīng)時間相同，A的轉(zhuǎn)化率是否可達(dá)到95%？R的收率是多少

11、？解：對于恒容過程，活塞流反應(yīng)器所需空時與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間相同，所以A的轉(zhuǎn)化率是可以達(dá)到95%的。R的收率與間歇反應(yīng)器時的收率也相同，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）若用兩個活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積是多少？解：（1）用PFR時所需的反應(yīng)體積：（2）若用兩個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1.013×105Pa，B的飽和蒸汽

12、壓為2.532×104Pa，反應(yīng)溫度340，反應(yīng)速率常數(shù)為102m3/mol.min，計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)50%時，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)計量方程式看，是變?nèi)莘磻?yīng)過程，但氣相中pB為常數(shù)，故可看成恒容過程。假定為理想氣體，其中：當(dāng)XA=50%時，A的轉(zhuǎn)化速率為：當(dāng)時，所以，此時所需反應(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，反應(yīng)溫度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。A的進(jìn)料流量為3m3/h,其中不含P和Q，試計算P的最高收率和總選擇性及達(dá)到最大收率時所需的反應(yīng)體積

13、。解：對一級連串反應(yīng)可得如下關(guān)系是： (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的總選擇性：達(dá)到最大收率時的反應(yīng)體積為： 4.14液相平行反應(yīng)：式中為化學(xué)計量系數(shù)。目的產(chǎn)物為P。（1） （1）   寫出瞬時選擇性計算式。（2） （2）   若，試求下列情況下的總選擇性。（a） （a）   活塞流反應(yīng)器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；（b） （b）   連續(xù)釜式反應(yīng)器，濃度條件同（a）；（c） （c）   活塞流反應(yīng)器

14、，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，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的瞬時選擇性為：(2)若，求下列情況下的總選擇性。（a）活塞流反應(yīng)器,因為CA0=CB0,其化學(xué)計量系數(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的濃度均等于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的分壓Pa，原料氣含量A10%

15、（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的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%，計算所需的反應(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)，一般需要多個物料衡算式聯(lián)立求解，方能解決問題。但這里三個平行反應(yīng)均為一級，可簡化處理。其組分A的總轉(zhuǎn)化速率為：又為變?nèi)葸^程：其中，所以有所需反應(yīng)體積為：產(chǎn)物Q的收率： 4.16在充填釩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)順丁烯二酸酐（MA）：這三個反應(yīng)均為一級反應(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=

16、1.372×108,A3=470.8反應(yīng)系在1.013×105Pa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)順丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最終收率為42%。假設(shè)（1）可按恒容過程處理；（2）可采用擬均相模型。試計算（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：，解之得：或：且：解此一階線性微分方程有：已知：代入上式化簡得到：通過試差求出：（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）寫出絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度

17、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性代數(shù)方程，并寫出方程。回答問題（1），（2）時必須說明所使用的符號意義；（3）計算甲苯氫解反應(yīng)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H298=-49974J/mol。熱容（J/mol K）數(shù)據(jù)如下：H2:CP=20.786 CH4: CP=0.04414T+27.87C6H6: CP=0.1067T+103.18 C6H5CH3: CP=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XA的微分方程： (A

18、)式中為基準(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（A）式化為線性方程。當(dāng)XA0=0時，又可寫成：（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,為計算方便將(B)式改寫成： (C)此時是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的。選入口T0為基準(zhǔn)溫度，需求出反應(yīng)熱，以轉(zhuǎn)化1mol甲苯為計算基準(zhǔn)，則有：從基準(zhǔn)溫度T0到出口溫度反應(yīng)物

19、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)因為反應(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）的條件下，當(dāng)XA=0.7時，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） （1）   請你提出原料配比的原則，并說明理由。（2） （2）   選定一種合適的反應(yīng)器型式和操作方式。（3） （3）   根據(jù)（2）的結(jié)

20、果，說明原料加入方式。（4） （4）   反應(yīng)時間是否有所限制？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，則S也增大，無疑，相對來說CB減少。也就是說配比原則是：允許的條件下，盡量使A過量。（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)時間即停留時間有限制，因為目的產(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)時間。 4.19現(xiàn)有反應(yīng)體積為1m3的活塞流反應(yīng)器

21、兩個，擬用來分解濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)，并在86等溫下進(jìn)行，此時反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1。過氧化氫異丙苯溶液處理量為2.4m3/min。試計算下列各種情況下過氧化氫異丙苯溶液的轉(zhuǎn)化率。（1） （1）   兩個反應(yīng)器串聯(lián)操作；（2） （2）   兩個反應(yīng)器并聯(lián)操作，且保持兩個反應(yīng)器的原料處理量相同，即均等于1.2 m3/min；（3） （3）   兩個反應(yīng)器并聯(lián)操作，但兩者原料處理量之比為1：2，即一個為0.8 m3/min，另一個則為1.6 m3/min；（4） （

22、4）   用一個反應(yīng)體積為2 m3的活塞流反應(yīng)器替代；（5） （5）   若將過氧化氫異丙苯的濃度提高到4 kmol/m3，其余條件保持不變，那么，上列各種情況的計算結(jié)果是否改變？相應(yīng)的苯酚產(chǎn)量是否改變？（6） （6）   比較上列各項的計算結(jié)果并討論之，從中你得到哪些結(jié)論？解：（1）兩個反應(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）第一個反應(yīng)器，而第二個反應(yīng)器，兩個反應(yīng)器出口混合后：（4）用一個反應(yīng)體積為2m3代替，其結(jié)果同（1）。（5）當(dāng)CA0提高到4kmool/m3時，由可知，轉(zhuǎn)化率與CA0無

23、關(guān)，所以，上列各種情況計算結(jié)果不變，而對苯酚產(chǎn)量：（以摩爾流量表示）說明苯酚產(chǎn)量與CA0成正比，即產(chǎn)量增加。（6）從上列各種計算結(jié)果比較看出：（a）幾個PFR串聯(lián)與用一個大的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，只要保持，其結(jié)果也是相同的。但時，其總轉(zhuǎn)化率是下降的。（c）對一級反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化率與CA0無關(guān)，但目的產(chǎn)物的產(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。操作壓力1.013×105Pa。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-1.256&#

24、215;105kJ/mol。假定各氣體的熱容為常數(shù)，且CPA=154, CPB=85.6, CPR=249,單位為J/mol.K。要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)12%，試計算（1） （1）   空時，平均停留時間及出口溫度；（2） （2）   若改在440下等溫進(jìn)行，重復(fù)（1）的計算；（3） （3）   440下等溫反應(yīng)時所需移走的熱量。解：（1）此反應(yīng)為絕熱變溫變?nèi)莘磻?yīng)，空時：平均停留時間：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下的熱效應(yīng)。若以1molA為基準(zhǔn)，則： 反應(yīng)前 1 1 0 2 XA 1-XA 1-XA

25、 XA 2-XA所以，當(dāng)XA=0.12時，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 4.21環(huán)氧乙烷與水反應(yīng)生成乙二醇，副產(chǎn)二甘醇：這兩個反應(yīng)對各自的反應(yīng)物均為一級，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）   選擇何種型式的反應(yīng)器好？（2） （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

26、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，并使空時與第（2）問的空時相等，則此時總轉(zhuǎn)化率及乙二醇的收率是提高還是降低？解：（1）為解決問題方便，選H2O(B)為關(guān)鍵組分，環(huán)氧乙烷，乙二醇分別用A和Q表示。則乙二醇的瞬時選擇性為：分析可知欲使S必須使CB，即使H2O過量，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，相對來講可使CB更大。（2）對水，乙二醇，二甘醇（E）為連串反應(yīng)，存在最大收率（對乙二醇而言），此反應(yīng)為液相反應(yīng)可視為恒容過程，根據(jù)速率方程有： (A)因，故上式又可寫成： (B)初始條件XB=0,YQ=0,

27、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)CA=0時，為乙二醇的最大收率，即： (D)解：又因為：nB:nA=20:1，所以有代入可得： (E)將（E）式代入（C）式化簡后可得：解此一元二次方程得：XB=0.048，也就是說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，因為增加了返混，降低了反應(yīng)速率，反而使XB 降低。如=25時，可視為CSTR,當(dāng)空時與（2）中的空時相等時，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

28、速率方程為，反應(yīng)溫度下，每小時處理1000mol原料，其中A占99%（mol），其余為P。要求最終轉(zhuǎn)化率為90%。（1） （1）   為使所需反應(yīng)體積最小，采用何種型式反應(yīng)器好？并算出你所選用的反應(yīng)體積。（2） （2）   如果采用循環(huán)反應(yīng)器，請確定最佳循環(huán)比及反應(yīng)體積。（3） （3）   當(dāng)循環(huán)比=時，反應(yīng)體積為多少？（4） （4）   當(dāng)循環(huán)比=0時，反應(yīng)體積為多少？解：（1）從自催化反應(yīng)動力學(xué)特性可知，速率RA隨CA的變化存在極大值，令：所以或：其最大速率：故采用兩器串聯(lián)可使反應(yīng)體積最小，如圖示，以極值處為兩

29、器的分界線。 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)計式： (A)式中=CP0/CA0=0.01，為求最佳循環(huán)比，令： (B)又因為,所以 (C)將式（C）代入式（B）整理得：即：積分化簡后得： (D)將代入（D）式，整理得： (E)將代入（E）式化簡得：試差求得：，即為最佳循環(huán)比。所以，對（A）式積分得時的反應(yīng)體積：（3）當(dāng)循環(huán)比時，即為CSTR，反應(yīng)體積為（4）當(dāng)循環(huán)比時，即為PFR，反應(yīng)體積為4.23在常壓和2300下在管式反應(yīng)器中進(jìn)行純度為90%的甲烷高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)：其速率方程為：其速率常數(shù)為：試問：（1） （1）   若以C

30、2H4為目的產(chǎn)物，忽略第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率為多少？（2） （2）   若考慮第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率是否改變？（3） （3）   用圖表示各組分濃度隨空時的變化關(guān)系。（4） （4）   若改變甲烷的進(jìn)料濃度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？（5） （5）   若改變反應(yīng)溫度，產(chǎn)物分布曲線是否改變？若提高反應(yīng)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)反應(yīng)計量關(guān)系式可知，本反應(yīng)是一個復(fù)雜的變?nèi)葸^程，計算是較復(fù)雜的。但是，實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，所以為便于計算和討論，本題可近似看成恒容過程。（1） （1）   若忽略第三步，C2H4的最大收率：（2） （2）   若考慮第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率不變，與（1）相同。（3） （3）   用圖表示各組分隨空時的變化關(guān)系，由動力學(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H2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) 或：因此，各組分Ci/CA0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)物相對濃度分布曲線趨勢不變，但產(chǎn)物濃度的絕對