李紹芬反應(yīng)工程第二完整答案

1、1 緒 論1.1 解：（1）由（1.7）式得反應(yīng)的選擇性為： （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，則反應(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）=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1.000100.0設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為YP，根據(jù)（1.3）和（1.5）式可得反應(yīng)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)=7.672 molnP

2、=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol結(jié)合上述反應(yīng)的化學(xué)計量式，水（nW）、氧氣（nO）和氮氣（nN）的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=nN0=43.28 mol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. 1.   2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化

3、劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)如下：  由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應(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。下圖是生產(chǎn)流程示意圖冷凝分離合成 原料氣 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體  原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（mol）組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N2

4、2.9210.29粗甲醇的組成為CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,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，但在冷凝冷卻過程中可部分溶解于粗甲醇中，對1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計算：（1） （1）   一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（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，則根據(jù)已

5、知條件，計算進(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 100100100其中xi=yiMi/yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=yiMi=10.42kg/kmol。經(jīng)冷凝分離后的氣體組成（亦即放空氣體的組成）如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計 10

6、0其中冷凝分離后氣體平均分子量為 Mm=yiMi=9.554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：5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A) 對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A (B) 聯(lián)立（A）、（B）兩個方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431 kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器出口處的

7、CO摩爾流量為FCO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(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=(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h所以，甲醇的全程收率為Y總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為Y單=21.25/138.4=15.36%2 反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2.1 解：利用反應(yīng)時間與組分A的濃度變化數(shù)據(jù)，作出CAt的關(guān)系曲線，用鏡面法求得t=3.5h時該點的切線，即為水解速

8、率。切線的斜率為由（2.6）式可知反應(yīng)物的水解速率為 2.2 解：是一個流動反應(yīng)器，其反應(yīng)速率式可用（2.7）式來表示故反應(yīng)速率可表示為：用XAVR/Q0作圖，過VR/Q0=0.20min的點作切線，即得該條件下的dXA/d(VR/Q0)值。VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.0 故CO的轉(zhuǎn)化速率為2.3 解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得問題的解。注意題中所給比表面的單位換算成m2/m3。2.4 解：由題中條件知是個等容反應(yīng)過程，且A和B的初始濃度均相等，即為1.5mol/l，故可

9、把反應(yīng)速率式簡化，得由（2.6）式可知代入速率方程式化簡整理得積分得解得XA=82.76%。 2.5 解：題中給出450時的k2值，而反應(yīng)是在490下，故首先要求出490時的k2值。利用（2.27）試，求出頻率因子A:490的Kp值由題給公式計算出求k1值： 求各組分的分壓值：各組分的分率及分壓值為NH310%pNH3=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點速率最大，A點速

10、率最小 M點速率最大，A點速率最小 (4)O點速率最大，B點速率最小 H點速率最大，B點速率最小 (5)R點速率大于C點速率 C點速率大于R點速率 (6)M點速率最大 根據(jù)等速線的走向來判斷H,M點的速率大小。 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，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上，故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來描述反應(yīng)速率之比。2.8 解：（1）求出轉(zhuǎn)化率為80%時各組分的分壓：以100mol為基準(zhǔn)xSO2O2SO3N207.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-5.6×0.5=8.25.6082.097.2 （2）求與

11、上述組成對應(yīng)的平衡常數(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的消耗速率應(yīng)為兩反應(yīng)速率之和，即利用（2.6）式積分之2.10 解：以100mol為計算基準(zhǔn)，設(shè)X為三甲基苯的轉(zhuǎn)化率，Y為生成的甲苯摩爾數(shù)。（1） （1）   用物料衡算求出口氣體組成：組分名稱X=0時X=0.8時三甲基苯(A)33.3333.33（1-X）氫（B）66.67二甲基苯(C)033.33X-Y甲烷(D)033.33X+Y甲基苯（E）0Y100.0100.0由題給條件可知，混合氣中氫的含量為20%，所以有：66.6

12、7-33.33X-Y=20×0.8-20=20.01kmol（甲苯量）生成的二甲基苯量：33.33×0.8-20.01=6.654kmol生成的甲烷量：33.33×0.8+20.01=46.67kmol剩余的三甲基苯量：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） （2）   由題給條件可知，三甲基苯的出口濃度為： 2.11 解：（1）恒容過程，其反應(yīng)式可表示為：反應(yīng)速率式表示為：設(shè)

13、為理想氣體，反應(yīng)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）恒壓過程，由于反應(yīng)前后摩爾數(shù)有變化，是個變?nèi)葸^程，由（2.49）式可求得總摩爾數(shù)的變化。由于反應(yīng)物是純A，故有：yA0=1。由（2.52）式可求得組分的瞬間濃度：乙醇的生成速率為： 2.12 解：（1）由題意可將反應(yīng)速率表示為：對于恒容過程，則有當(dāng)XA0=0.8時（2）對于恒壓過程，是個變?nèi)莘磻?yīng)過程，由（2.49）式可求得總摩爾數(shù)的變化反應(yīng)物A的原始分率：由（2.52）式可求得轉(zhuǎn)化率為80%時的濃度：2.13 解：方法（1），先求出總摩爾變化數(shù)。首先將產(chǎn)物的生成速率變?yōu)閷?yīng)的反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化速率：總反應(yīng)速率

14、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的瞬間選擇性SR,SS,因而可求出產(chǎn)物R及S的收率yR,yS,求得A轉(zhuǎn)化率為85%時的分率：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)速率方程來代表整個反應(yīng)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 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，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：整個反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來表示：根據(jù)總覆

15、蓋率為1的原則，則有：或整理得：將代入反應(yīng)速率方程，得：其中2.16 解：先寫出各步的速率式：由于（1）是速率控制步驟，第（2）步是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率應(yīng)等于（1）的吸附速率，故有：整理得：根據(jù)定態(tài)近似原則因為將代入上式，化簡后得：最后將代入吸附速率式，即為該反應(yīng)的動力學(xué)方程式。2.17解：根據(jù)題意，假設(shè)反應(yīng)步驟如下：并假設(shè)第二步是控制步驟，其速率方程就代表了整個反應(yīng)的速率方程：其余的兩步可認(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。但上述假定的反應(yīng)步驟不是唯一的。 2.18利用習(xí)題2.1的數(shù)據(jù)，試用積分法和微分法求其動力學(xué)方程。解：先用積分法求其動

16、力學(xué)方程。設(shè)為一級不可逆反應(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)一級反應(yīng)是合理的，其動力學(xué)方程可表示為：用微分法求解動力學(xué)方程首先用CAt曲線，在曲線上取時間為0，1，2，9h所對應(yīng)點的切線，為了準(zhǔn)確可采用鏡面法，求得各切線的斜率即為對應(yīng)的dCA/dt之值，然后再以dCA/dtCA作圖，所求的dCA/dt值如下表

17、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)為一級不可逆反應(yīng)，用dCA/dtCA作圖得一直線，其斜率為0.5h-1，其動力學(xué)方程可表示為：或?qū)⑺俾史匠讨本€化，即兩邊取對數(shù)，得：可簡化為y=b+ax形式，利用多元回歸，可求得反應(yīng)級數(shù)n=1.0041，反應(yīng)速率常數(shù)值為k=0.4996。還可用一數(shù)學(xué)公式來擬合CAt曲線，然后再將該數(shù)學(xué)公式對t求導(dǎo)，求得dCA/dt之值，此法會比作圖法來的

18、準(zhǔn)確。 2.19解：由題意可寫出速率方程式：但由于氫的分壓保持為0.1013MPa的恒定值，反應(yīng)速率式可簡化為：式中。將速率式直線化： 或式中，由殘差平方和最小而導(dǎo)出最小二乘法的系數(shù)計算式：序號yxx2xy1-4.916-2.3035.30211.322-4.328-1.7152.9417.4213-3.507-0.8970.8043.1444-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0490.002-0.125-18.26-5.2939.15722.73將累加值代入a,b系數(shù)式中，得： 2.20 解：首先將動力學(xué)方程式直線化：或y=b+ax。其中序號

19、yx×103x2×105xy×103r×104,%10.6573.3201.0432.1230.6780.9020.6313.0000.9001.8921.1265.030.7784.0801.6653.1720.5685.040.4872.0200.4120.9880.82916.350.2530.8900.0790.2250.5824.660.4021.7400.3030.7000.8330.170.4131.8200.3310.7510.8161.480.4031.7300.2990.6980.6651.490.3911.7300.2990.676

20、0.6614.8100.3711.5600.2430.5790.7870.5110.2701.0600.1120.2860.36911.75.05622.875.66812.09 平均偏差，結(jié)果是令人滿意的。 3 釜式反應(yīng)器3.1 解：（1）(2) 因為間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(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)：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，混合液的比重為1.02。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫

21、鈉均為一級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于5.2l/mol.h，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。（1） （1）   若輔助時間為0.5h，試計算反應(yīng)器的有效體積；（2） （2）   若裝填系數(shù)取0.75，試計算反應(yīng)器的實際體積。解：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=0.3226 kmol/h每小時需氯乙醇：每小時需碳酸氫鈉：原料體積流量：氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時間：反應(yīng)體積：（2） （2）   反應(yīng)器的實際體積： 3.3丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：為二級可逆反應(yīng)（對丙酸鈉和

22、鹽酸均為一級），在實驗室中用間歇反應(yīng)器于50等溫下進(jìn)行該反應(yīng)的實驗。反應(yīng)開始時兩反應(yīng)物的摩爾比為1，為了確定反應(yīng)進(jìn)行的程度，在不同的反應(yīng)時間下取出10ml反應(yīng)液用0.515N的NaOH溶液滴定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)時間下，NaOH溶液用量如下表所示：時間，min010203050NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5現(xiàn)擬用與實驗室反應(yīng)條件相同的間歇反應(yīng)器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的90%。試計算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定（1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（50）所需的時間為20min，且在加熱過程中不進(jìn)行反應(yīng)；（2）卸料及清

23、洗時間為10min；（3）反應(yīng)過程中反應(yīng)物密度恒定。解：用A,B,R,S分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時刻鹽酸的濃度（也就是丙酸鈉的濃度，因為其計量比和投量比均為1：1）為：于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)化率：現(xiàn)以丙酸濃度對時間作圖： 由上圖，當(dāng)CA=0.0515×14.7mol/l時，所對應(yīng)的反應(yīng)時間為48min。由于在同樣條件下，間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器的反應(yīng)時間也是48min。丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸鈉的量為:112.6/0.72=156.4mol/min。原料處理量為：反應(yīng)器體

24、積：實際反應(yīng)體積： 3.4在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：其反應(yīng)速率方程為：式中組分A及B的濃度CA及CB以kmol/m3為單位，溫度T的單位為K。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反應(yīng)開始時溶液不含R，組分A和B的濃度均等于0.04kmol/m3，反應(yīng)混合物的平均熱容按4.102kJ/m3.K計算。反應(yīng)開始時反應(yīng)混合物的溫度為50。（1） （1）   試計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時所需的反應(yīng)時間及此時的反應(yīng)溫度。（2） （2）   如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R，是否可能？為什么？解：(1) （由數(shù)值積分得出）(2)若A全部

25、轉(zhuǎn)化為R,即XA=1.0,則由上面的積分式知，t,這顯然是不可能的。 3.5在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)：A的初始濃度為0.1kmol/m3,C，D的初始濃度為零，B過量，反應(yīng)時間為t1時，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038 kmol/m3，而反應(yīng)時間為t2時，CA=0.01 kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，試求：（1） （1）   k2/k1;（2） （2）   產(chǎn)物C的最大濃度；（3） （3）   對應(yīng)C的最大濃度時A的轉(zhuǎn)化率。解：(1)因為B過量，所以：恒容時： （A） (B)（B）式除以（

26、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）式化簡得：解之得： (2)先求出最大轉(zhuǎn)化率:(3)產(chǎn)物C的最大收率：產(chǎn)物C的最大濃度： 3.6 在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)初始的反應(yīng)物料中不含A2和A3，A1的濃度為2mol/l，在反應(yīng)溫度下k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。試求:（1） （1）   反應(yīng)時間為1.0min時，反應(yīng)物系的組成。（2） （2）   反應(yīng)時間無限延長時，反應(yīng)物系的組成。（3） （3）   將上述反應(yīng)改為反應(yīng)時間無限延長時，

27、反應(yīng)物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反應(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，其實質(zhì)是下述反應(yīng)的特例： (A)當(dāng)時，（A）式變?yōu)?(B)當(dāng)時，（A）式變?yōu)?(C)當(dāng)時，（A）式變?yōu)?(D)其中式（D）即為書講的一級不可逆連串反應(yīng)。可見只要得到（A）式的解，則可容易化簡得到（B）,(C)及(D)式的解。對于(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)果對本題進(jìn)行計算：（1）由（5）（9）式得（2）當(dāng)t時，由（5）（9）式得（3）此時為

28、的情況，當(dāng)t時，由得： 3.7擬設(shè)計一反應(yīng)裝置等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：目的產(chǎn)物為R，B的價格遠(yuǎn)較A貴且不易回收，試問：（1） （1）   如何選擇原料配比？（2） （2）   若采用多段全混流反應(yīng)器串聯(lián)，何種加料方式最好？（3） （3）   若用半間歇反應(yīng)器，加料方式又如何？解：（1）由上式知，欲使S增加，需使CA低，CB高，但由于B的價格高且不易回收，故應(yīng)按主反應(yīng)的計量比投料為好。（2）保證CA低，CB高，故可用下圖所示的多釜串聯(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

29、A.3.8在一個體積為300l的反應(yīng)器中86等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液分解：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,最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9%，試計算苯酚的產(chǎn)量。（1） （1）   如果這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15min;（2） （2）   如果是全混流反應(yīng)器；（3） （3）   試比較上二問的計算結(jié)果；（4） （4）   若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）苯酚濃度苯酚產(chǎn)量（2）全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量（3）

30、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，故上述兩個反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。 3.9在間歇反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：rD及rR分別為產(chǎn)物D及R的生成速率。反應(yīng)用的原料為A及B的混合液，其中A的濃度等于2kmol/m3。（1） （1）   計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的反應(yīng)時間；（2） （2）   A的轉(zhuǎn)化率為95%時，R的收率是多少？（3） （3） &

31、#160; 若反應(yīng)溫度不變，要求D的收率達(dá)70%，能否辦到？（4） （4）   改用全混反應(yīng)器操作，反應(yīng)溫度與原料組成均不改變，保持空時與（1）的反應(yīng)時間相同，A的轉(zhuǎn)化率是否可達(dá)到95%？（5） （5）   在全混反應(yīng)器中操作時，A的轉(zhuǎn)化率如仍要求達(dá)到95%，其它條件不變，R的收率是多少？（6） （6）   若采用半間歇操作，B先放入反應(yīng)器內(nèi)，開始反應(yīng)時A按（1）計算的時間均速加入反應(yīng)器內(nèi)。假如B的量為1m3，A為0.4m3，試計算A加完時，組分A所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：（1）第二章2.9題已求出t=0.396h=24.23m

32、in(2) (3)若轉(zhuǎn)化率仍為0.95，且溫度為常數(shù)，則D的瞬時選擇性為：D的收率：這說明能使D的收率達(dá)到70%（4）對全混流反應(yīng)器，若使=t=0.3958h,則有解之得：CA=0.4433所以：這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到95%。（5） （5）   對全混流反應(yīng)器，若X=0.95,則R的收率為：（6）依題意知半間歇式反應(yīng)器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組A的轉(zhuǎn)化率及R的收率，需要求出A及R 的濃度隨時間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：對A: （1）對R: （2） （3）在反應(yīng)時間（t=0.4038h,為方便起見取t 0.4h）內(nèi)將0.4 m3的A均速加入反應(yīng)

33、器內(nèi)，故采用間歇釜操作時，原料為A與B的混合物，A的濃度為2kmol/ m3.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-庫塔法進(jìn)行數(shù)值求解。取步長t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h時的CA和CR可以進(jìn)行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計算：式中VA為所加入的A的體積，且VA=0.4m3;CA0為所加入的A的濃度，且CA0=7kmol/m3；V為反應(yīng)結(jié)束時物系的體積，V=1.4m3。同理可以計算出R的收率：3.10在兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進(jìn)行液相反應(yīng)：加

34、料中組分A的濃度為0.2kmol/m3,流量為4m3/h,要求A的最終轉(zhuǎn)化率為90%，試問：（1） （1）   總反應(yīng)體積的最小值是多少？（2） （2）   此時目的產(chǎn)物B的收率是多少？（3） （3）   如優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改為B的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少？此時總反應(yīng)體積最小值是多少？解：（1）對上式求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)體積的最小值為(2)即解得CB1=0.005992 kmol/m3同理解得CB2=0.00126 kmol/m3B的收率：(3)目標(biāo)函數(shù)改為B的收率，

35、這時的計算步驟如下：對于第i個釜，組分A,B的衡算方程分別為：對A: 對B: 當(dāng)i=1時， （1） （2）當(dāng)i=2時， （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1,2的函數(shù)，即 （5）式中CA0為常數(shù)。由題意，欲使CB2最大，則需對上述二元函數(shù)求極值:聯(lián)立上述兩個方程可以求出1及2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時反應(yīng)器系統(tǒng)的總體積。將1,2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1,2代入CA2，則由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率

36、。 3.11在反應(yīng)體積為490cm3的CSTR中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)：式中（A）-NH3,(B)HCHO,反應(yīng)速率方程為：式中。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取為36，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率XA及反應(yīng)器出口物料中氨和甲醛的濃度CA及CB。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：  3.12在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸進(jìn)行可逆反應(yīng)。各個反應(yīng)器的體積均為0.01m3，反應(yīng)溫度為100，酯化反應(yīng)

37、的速率常數(shù)為4.76×10-4l/mol.min,逆反應(yīng)（酯的水解）的速率常數(shù)為1.63×10-4 l/mol.min。反應(yīng)混合物的密度為864kg/m3,欲使醋酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)60%，求此串聯(lián)系統(tǒng)釜的數(shù)目。解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B,C,D分別代表乙酸，乙酸乙酯和水。由計量關(guān)系得：從已知條件計算出：將上述數(shù)據(jù)代入（A）式，化簡后得到：若i=1,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=2,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=3,則（B）式變?yōu)椋航庵茫杭矗喝?lián)能滿足要求。 3.13以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反應(yīng)可制得醋酸丁酯。倉庫里閑置著兩臺反應(yīng)釜，一臺的反應(yīng)體積為3m3,

38、另一臺則為1m3。現(xiàn)擬將它們用來生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的0.濃度為0.15kmol/m3，丁酯則大量過剩，該反應(yīng)對醋酸為2級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于1.2m3/h.kmol，要求醋酸的最終轉(zhuǎn)化率不小于50%，這兩臺反應(yīng)釜可視為全混反應(yīng)器，你認(rèn)為采用怎樣的串聯(lián)方式醋酸丁酯的產(chǎn)量最大？為什么？試計算你所選用的方案得到的醋酸丁酯產(chǎn)量。如果進(jìn)行的反應(yīng)是一級反應(yīng)，這兩臺反應(yīng)器的串聯(lián)方式又應(yīng)如何？解：因為反應(yīng)級數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應(yīng)當(dāng)是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進(jìn)行計算：二式聯(lián)立化簡后得到：（將XA2=0.5代入）解之得：XA1=0.223醋酸丁酯產(chǎn)量

39、=如果進(jìn)行的是一級反應(yīng)，可進(jìn)行如下計算：（1） （1）   小反應(yīng)器在前，大反應(yīng)器在后:聯(lián)立二式，且將XA2=0.5代入，化簡后得到:解得：XA1=0.1771所以有：醋酸丁酯產(chǎn)量=(2)大反應(yīng)器在前，小反應(yīng)器在后:解得XA1=0.3924所以有：產(chǎn)量同前。說明對此一級反應(yīng)，連接方式?jīng)]有影響。 3.14等溫下進(jìn)行1.5級液相不可逆反應(yīng)：。反應(yīng)速率常數(shù)等于5m1.5/kmol1.5.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為1.5m3/h，試分別計算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(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)器串聯(lián)；（

40、3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解：（1）全混流反應(yīng)器（2） （2）   兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)由于，所以由上二式得：將XA2=0.95代入上式，化簡后得到XA1=0.8245，所以：串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：（3） （3）   此時的情況同（1），即 3.15原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為20m3的全混流反應(yīng)器，進(jìn)行液相反應(yīng)：CA,CR為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，rD為D的生成速率。原料中A的濃度等于0.1kmol/m3，反應(yīng)溫度下，k1=0.1min-1，k2=1.25m3/kmol.mi

41、n,試計算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：所以：即為： 3.16在全混流反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：進(jìn)料速率為360l/h,其中含25%A,5%C（均按質(zhì)量百分率計算），料液密度等于0.69g/c m3。若出料中A的轉(zhuǎn)化率為92%，試計算：（1） （1）   所需的反應(yīng)體積；（2） （2）   B及D的收率。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的分子量為140；D的分子量為140。解：因MB=MD=140,

42、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，可整理為的代數(shù)方程式，解之得=3.831×105s=106.4h（1） （1）   反應(yīng)體積（2） （2）   將代入（4）式得，所以B的收率為：對A作物料衡算：所以有：所以D的收率為： 317 在CSTR中進(jìn)行下述反應(yīng)： （1） （2） （3）如果k1/k2=8, k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯對苯的加料比=1.4，k1=1 l/mol,( 為空時)，試計算反應(yīng)器出口B,M,D,T,C的濃

43、度。各個反應(yīng)對各反應(yīng)物均為一級。解：分別列出組分B,M,D,T,C的物料衡算式： (1) (2) (3) (4) (5)由（5）式得： (6)聯(lián)立（1）,(2),(3),(4),（6）式（五個方程，五個未知數(shù)）：由（2）式得： (7)由（3）式得： (8)將（1）,(7),（8）式代入（6）得：整理得：解得：CC=0.908 kmol/m3代入（1）式得：代入（7）式得：代入（8）式得：代入（4）式得：驗證：即： 318 根據(jù)例題3.12中規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，使用圖解法分析此反應(yīng)條件下是否存在多定態(tài)點？如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使原料以0.001 m3/s的流速連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)

44、器，其它條件不變，試討論定態(tài)問題，在什么情況下出現(xiàn)三個定態(tài)點？是否可能實現(xiàn)？解：由例3.11,3.12知：移熱速率方程： （1）放熱速率方程： （2）絕熱操作方程： （3）由（3）式得： （4）（4） （4）   代入（2）式得： （5）由（1）式及（5）式作圖得：T326330340350360362.5365367.5370qg44.163.87149.7314.8586.7670.8756.8851.8942.1由上圖可知，此反應(yīng)條件下存在著兩個定態(tài)點。如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使Q0=0.001m3/s,而保持其它條件不變，則這時的移熱速率線如qr所示。由圖

45、可知，qr與qg線無交點，即沒有定態(tài)點。這說明采用上述條件是行不通的。從例3.11可知，該反應(yīng)溫度不得超過373K，因此從圖上知，不可能出現(xiàn)三個定態(tài)點的情況。 319 根據(jù)習(xí)題3.3所規(guī)定的反應(yīng)及給定數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問：（1） （1）   在操作條件均不變時，丙酸的產(chǎn)量是增加還是減少？為什么？（2）若丙酸鈉的轉(zhuǎn)換率和丙酸產(chǎn)量不變，所需空時為多少？能否直接應(yīng)用3.3中的動力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時?（3）若把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時間為（2）中單釜操作時平均停留時間的三分之一，試預(yù)測所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。解：（1）在操作條件均不變時，用習(xí)題3.

46、3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,則可求出空時為=4512/57.84=78min。此即間歇操作時的(t+t0)。當(dāng)改為連續(xù)操作時，轉(zhuǎn)化率下降了，所以反應(yīng)器出口丙酸的濃度也低于間歇反應(yīng)器的結(jié)果。因Q0維持不變，故最后必然導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降。這是由于在連續(xù)釜中反應(yīng)速率變低的緣故。（2）若維持XA=0.72，則可由3.3題中的數(shù)據(jù)得出XA=0.72時所對應(yīng)的反應(yīng)速率，進(jìn)而求出這時對應(yīng)的空時=246.2min。因題意要求丙酸產(chǎn)量不變，故Q0不能變，必須將反應(yīng)器體積增大至14240 l才行。（3）這時1=/3=82.1min。利用3.3題中的數(shù)據(jù)，可求出RAXA之關(guān)系，列表如下

47、：XA00.10.20.40.60.8-RA0.17190.13910.10960.060160.023630故可用作圖法求此串聯(lián)三釜最終轉(zhuǎn)化率。第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為：XA3=0.787。 320 根據(jù)習(xí)題3.8所規(guī)定的反應(yīng)和數(shù)據(jù)，在單個全混流反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率為98.9%，如果再有一個相同大小的反應(yīng)釜進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，要求達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率時，生產(chǎn)能力各增加多少？解：（1）二個300 l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)的體積流量：3.8題中已算出。因為最終轉(zhuǎn)化率相同，故生產(chǎn)能力增加168.7/16.02=10.53倍。（

48、2）二個300l釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時，Q0增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。 321 在反應(yīng)體積為0.75 m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行醋酐水解反應(yīng)，進(jìn)料體積流量為0.05 m3/min,醋酐濃度為0.22kmol/ m3,溫度為25,出料溫度為36，該反應(yīng)為一級不可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)等于-209kJ/mol,反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：k=1.8×10-7 exp(-5526/T),min-1反應(yīng)物料的密度為常數(shù)，等于1050kg/ m3,熱容可按2.94kJ/kg.計算。該反應(yīng)器沒有安裝換熱器，僅通過反應(yīng)器壁向大氣散熱。試計算：(1) (1)  

49、         反應(yīng)器出口物料中醋酐的濃度；(2) (2)           單位時間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量。解：（1） （1）   求轉(zhuǎn)化率：解得:XAf=0.8221反應(yīng)器出口物料中醋酐濃度：（2）單位時間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量： 322 在反應(yīng)體積為1 m3的釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應(yīng)生產(chǎn)丙二醇-1，2：該反應(yīng)對環(huán)氧丙烷為一級，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.98h-1，原料液中環(huán)氧丙烷的濃度為2.1kmol/m3,環(huán)氧丙烷的最終轉(zhuǎn)化率為90%。（1）若采用間歇操作，輔助時間為0.65h,則丙二醇-1，2的日產(chǎn)量是多少？（2）有人建議改在定態(tài)下連續(xù)操作，其余條件不變，則丙二醇-1，2的日產(chǎn)量又是多少？（3）為什么這兩種操作方式的產(chǎn)量會有不同？解：（1） （1）   一級不可逆反應(yīng)：所以Q0=0.109m3/h丙二醇的濃度=丙二醇的產(chǎn)量=(2) 采用定態(tài)下連續(xù)操作所以Q0=0.