化學反應工程王承學課后答案第三章

1、03-1在反應體積為1m3的間歇操作釜式反應器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應生成丙二醇HCOCHCH+HOTHCOHCHOHCH23223該反應對環(huán)氧丙烷為一級，反應溫度下的速率常數為098h一1，原料液中環(huán)氧丙烷的濃度為2.1kmol/m3，環(huán)氧丙烷的最終轉化率為90%。若輔助時間為0.65h，天24h連續(xù)生產，試求丙二醇的日產量為多少？HCOCHCH+HOTHCOHCHOHCH2(A)一級反應1ln0.98TO9Af=235h1Ct=_lnaokCAfV1m31v=二m3/h0t+1(2.35+0.65)h30丙二醇日產量=24V0CA0XAf124x_x2.1x0.9=15.12kmol

2、/天=3M=76kg/kmolB丙二醇日產量Q=76x15.12=1149-12kg/天3-2一個含有A和B液體(CA0=0.10mol/L、cB0=0.04mol/L)以體積流量2L/min流入容積VR=10L的全混流反應器，物料在最佳的條件下進行反應A-2B+C。已知由反應器流出的物料中含有A、B和C，cAf=0.04mol/L。試求：在反應器內條件下，A、B和C的反應速率？T解空時V=_Rv10L2L/minC-CAOAf=TrAfC-C(O.1-O.O4)mol/Lr=AOAf=Aft5min二0.012mol/Lminr=2r=0.024mol/(Lmin)BfAfr=r=0.012

3、mol/(Lmin)CfAf3-3一個液相反應：A+BR+S其中，k=7L/(molmin)1，k=3L/(molmin)2反應是在一個容積為120L的穩(wěn)態(tài)全混流反應器中進行的，兩條加料線，一個保持2.8mol/L反應物A的加料濃度，另一個保持1.6mol/L反應物B的加料濃度，兩條線分別以等體積速率進入反應器，要求指定組分轉化率為75%。求每條線的加料流量？假設反應器內密度為常數。解A+B_R+Sk2因B的濃度低，所以為指定組分，兩條線混合后兩組份的濃度各降一半因此，有：c-ccx=B0Bf=1一=75%BfccB0B0c=0.2mol/LBfc=CCX=1.40.8x0.75=0.8mol

4、/LAfA0B0BfA+BR+S因此，k出口2c=0.8mol/L初始1.40.800Afc=0.2mol/L反應掉0.60.6生成0.60.6Bfr=kcc-kccBf1AfBf2RfSf=7x0.8x0.2-3x0.6x0.6=0.04mol/Lminc-c=B0BfrBf0.8-0.20.04=15minVV=R總加料速率0V=8L/min15min每條線加料流量V0v0=4L/min23-4某液相二級反應A+BR+S,其速率常數k=992m3/（kmo1ks）,在全混流反應器中進行，c=cA0B0=2mol/L，要使出口A的轉化率達0.875。求（1）在單個全混釜中進行，進料體積為0.

5、278m3/ks，求全混釜體積?2）當進料體積流量不變，用兩個相等體積的釜串聯，求全混釜總體積。解1.v=0.278m3/ks0c=c(1-x)=0.25mol/Lc=0.25mol/LAfA0Af，Bf=2.823ksc-ccx2x0.875=A0Af=A0Af=rkcc9.92x0.252AfAfBfV=vT=0.278x2.823=0.785m3釜體積為R0V=VRTOC o 1-5 h z2.兩釜串聯RiTx-xA2Alkc(1-x)2A0A2xT=T=Al12kc(1-x)2A0A1x=x=0.875A2Afx=0.725A1xt=ai=0.483ks1kc(1-x)2A0A1=vt

6、=0.278x0.483=0.134Ri0iA+R-P（目的）r=2ckmol/(m3h)pA2A-Rr=0.5ckmol/m3hRA=2V=2x0.134=0.268m3RRi因此，采用兩個等體積釜相串聯，反應器的總體積減小近3倍。3-5在等溫全混流釜式反應器中進行下列液相反應：c=c=2kmol/m3A0B0試計算反應2h時A的轉化率和產物P的收率？A+R-P（目的）2A-R=2r+r=3cRpA1rprR=2cA=0.5cAk=3h-1xAf=0.143rS=_pprAY=Sx=2x0.143=9.52%ppA33-6圖解設計一個四釜等體積串聯釜式反應器，eA=0,A初始濃度為=3l/（

7、L）2moi/L,要求轉化率為80%,rA=3cAmo1/匕mm，求每釜的空時ti和總反應空時。解圖解法公式11r=c一cAiTAHTAi,ii式中左邊為反應速率線，右邊為釜間的操作線，兩個釜有一個交點即為方程的解，其垂直向下做橫坐標的垂線垂點的濃度值就是該釜的出口濃度值。r一3cx=80%rA3cA，xAf80%，所以,出口濃度為C=0.4mol/L以濃度c為橫坐標，以反應速率為縱坐標，在坐標上繪仃一3cA通過原點的直線，當第一個釜入口為C=2mol/L時，以它為起點，以-1/Ti為斜率向左A0上方作直線與rA一3CA線相交于一點，用該點向下作垂線，求得第一釜的出口濃度，再以該濃度為起點繼續(xù)

8、做平行第一條線的平行線，以此類推，要做出四條平行線，來調節(jié)平行線的斜率使第四釜的出口濃度正好等于C=0.4mol/L即為結束，然后在坐標上求得平行線的斜率值就為-1/ti,定出ti值，總空時為4ti。經畫圖求得斜率近為6,的空時為1/6min，總空時為2/3min。注意：當相串聯的反應釜體積不相等時，通過各釜的空時不等，直線的斜率就不等。3-7在等溫操作下的間歇釜中進行某一級液相反應，13min后反應物轉化了70%，若把此反應移到平推流反應器和全混流反應器中進行，達到相同的轉化率所需的時空和空速為多少?解間歇釜1lncAOct=13min，cAf一c(1一A0 x)Af一0.30cA0k一0.

9、093min-1r一kc，AA平推流Txdx一fXAAc0rA0Adc1cT一一fcAA一一-lnAf一13minAfckckcA0AA0全混流c-cc-cT=AOAf=AAf)=25.09minrkcI-x-AfAOAf3-8在某一全混流反應器中進行均相液相反應A-R,仃=kcA,轉化率xA=0.50，其他值不變，（1）若把反應器的體積增大到原來的6倍,轉化率為多少?解A-R,rA=kcA2（2）若反應在一個與其容積相同的平推流反應器中進行,轉化率為多少？x=0.5,Afc-cT=AOAfrAfV=TvRVR1）0=6VR2）T=jXAmOkc2A0c-cAOAfrAfVRm解得=VRpcx

10、-f=此時xAfkcA0T二6txAf2nkckc(1-x)2A0A0Af=0.75=75%T=Tm12kcA0dxArAcAfckc2A0A1=c3A0dccc丿AfA0 x=66.67%AfkcA03-9在555K、03MPa的平推流管式反應器中進行A-P的氣相反應。已知進料中含30%（摩爾分數）A,其余為惰性物料，A的加料流量為63mol/s,動力學方程為：r=0.27cmol/(m3s)AA為了達到95%的轉化率,試求反應器的容積大小？解A-P（氣相總摩爾數不變的反應）r=0.27c（mol/m3s）AA平推流cdcT=ICA0Alnao0.27F-=0.95.t=ln0.27c0、=

11、11.09sc_(1-x_)ppy0.3x106x0.3aoRTRT8.314x555v=_=0.32m3/sc二ao二a二oT95V=tv=3.55m3R03-10一級氣相反應2ATR+2S在平推流管式反應器中進行，當空速為lmin-1時，純A進料的轉化率為90%，求A的轉化率為95%時，該反應器的單位體積進料量。解2ATR+2S（氣相等壓變摩爾數反應）其膨脹率為：利用一級等壓變容公式：kT=(1+)ln(1x)8xT代入T=1min,=0.5,x=90%kx1=(1+0.5)ln(10.90)0.5x0.90解得k=3min1(2)同理k=3min-i,8=0.5,x=95%AAf2r二1

12、.34min2又V乂R單位反應器體積進料量為v/V02=rv=rvv=0.746vo202o2ot=0746m3/m3R=1/23-11均相反應Af3R,服從二級反應動力學，在0.5MPa、623K和V0=4m3/h純A進料下，采用一內徑為25cm、長加的實驗反應器能獲得60%轉化率。為設計工業(yè)規(guī)模的反應器，當處理量為320m3/h時，進料中含50%A和50%惰性物，同樣在05MPa、623K下反應，要達到80%轉化率，試問：需內徑2.5cm、長加的管子多少根？解此題為二級等G+8xAAf+82x1xAAfAf313_2=2廠krcA0一根管子時：8A1壓變容反應過程+28(1+8)ln(1x

13、)AAAfx二60%A1krc1A01xAlAl+82x_1xA1A1A1G+2x0.6+22x0.6+2x2x3ln0.4+28A1+8MnGx)A1A104=4.9051)在進料含50%A和50%惰性物8=l2=1A22x二80%A2krc2A02+82xA2A2+82x1xA2A2A2+28G+8)ln(1-x)A2A2A2=10.362cp2A01=AO1=_cp1A02A02(1)Tc01A01=0.473Tc2A02VR1v01VR2v02nvR1v=4m3h，v=320m3/hv，且010202式得工X2=0.437nv01n=338根，并聯阻力小較好3-12該體系為間歇等溫恒容

14、過程，反應前后分子數沒有變化，因此可用濃度來表達，根據P.V=niRT關系，變?yōu)镻.=CiRT。假設該反應為一級，將其積分關系式變?yōu)椋簁t=lnCao=lnPA0PAA以lnPA0/PA.對反應時間t.作圖可得一條直線，其斜率為：k=0.0278s-1,該一級反應的動力學方程為：r=0.0278C將該反應用于平推流反應器中，用類似的公式kT=lnCPA0=InA0CpAfAf可求出反應空時。平推流反應條件為：初始分壓P=0.1*0.8Mpa，轉化率為0.95,P=P(1-x)A0AfA0A=0.004Mpa，所以空時為1/0.0278*ln0.08/0.004=107.76s=1.8m.n，反

15、應器體積為:V=tF/CRA0A0,F=100mol/h,A0C=P/RT=0.08/(8.314*373)=25.8mol/m3所以，反應器體積為1.8*100*25.8=0.116m33-13一個平推流管式反應器，AR為：的一級可逆反應其反應速率方程r二0.04c一0.01cmol.(Lmini)AAR，進料中含有A0二0.1moljL的a水溶液。求：平衡轉化率；在反應器中的實際轉化率。解：該反應為一級可逆反應，恒容過程(1)平衡轉化率k+kcAo當反應達平衡時廠Ae/k0.04,k0.01cAe0.2cAo0.02mol/Lc一c:AoAe80%CAo在反應器中轉化率：.xAedCa0.

16、04c一0.01(C一C0.05C一0.001dtA積分上式得：0.05C一0.001Ln(A0)0.05C0.001AA0A)V2Rv0(2)將AOXA一0氣，mOl/(L罰一1)變?yōu)锳濃度關系式,即：Ln(整理上式有：11.25XVRvv00XAf二1(1-ev0)1250，即出口轉化率與進料速率有關，進料速率Af增大轉化率下降。當v0=2L/min時，轉化率為0.5063-14在一平推流反應器中進行下列反應：A一R一kTS反應均為一級反應，反應溫度下k=0.3min-1,k12=0.10min-1，進料A的濃度為Cao,進料流量為150Lmin。試求目的產物R的最高收率和最大選擇性，以及

17、在最大收率時的反應體積。dY0R二0解：對于一級連串反應的中間產物R，令dT，則其收率計算公k1(e-kiez)IT-k121式為：Topt1巾硝):-0.1=5.493(min)kT0.30.112代入收率計算公式中0.3Y(e-0.3x5.493e-0.1x5.493)-0.5775R0.1-0.3最佳轉化率：1-x-j-e即opt-e1.65optcAox-1-0.192-80.8%A,opt所以，此時總選擇性S-Yr/-0.5775十0.808-71.47%RX/RVv-0.2747(m3)Ropto3-14二級液相反應，反應物濃度為1mol/L，進入兩個相串聯全混流反應器中，嚴0.5

18、,在第一反應器出口A的濃度為05moljL,求第R2二個反應器出口A的濃度。根據已知條件列方程式為：Vc一cc一cR1=T=A。A1=A。A1V1rkc2oAfA1V2Vc一cc一cR2-二R1T二A1A2:A1A2VV2rkc2ooAfA2cA。-ImolL,c-05molL:.cA2025molL3-15有一個二級液相反應ATR,在一個全混流反應器后串聯一個平推Ao流管式反應器中進行。進料中A的濃度為4mol在全混釜出口處a的濃度經測定為1moljL,平推流管式反應器的體積是全混流反應器體積的3倍。試求，平推流管式反應器出口A的轉化率。A1R1TV1。rAfA1-A。V3VR2_R1v。T

19、-icA22kc2A1dc111A（一）crkccA1AfA2A1.c4molL,cImolLAo:A1:.c0.182mol厶x818%A2A23-17下列反應A+BTR,r二kcc21ABA+BTD,r二kcc21BA(1)若R是目的產物，選哪種反應器和加料方式好，為什么？(2)若D是目的產物，選哪種反應器和加料方式好，為什么？解(1)目的產物R的瞬時選擇率定義為:c隨A的濃度降低R的選擇性提高，cc若R是目的產物，A低B高選擇性高，半連續(xù)式操作或平推流反應器,將B一次加入或從入口加入，二A物料連續(xù)慢慢分散加入。3)目的產物D的瞬時選擇率定義為:c=_jacBc隨B的濃度降低和A的濃度提高，D的選擇性提高，cc即，A高B低的平推流管式反應器或半連續(xù)式操作，與上述加料相反。3-18有一個自催化反應A+AP+P,其速率方程為仃=kccAP,反應溫度下k=1m3(kmo1-min),cAo=2kmoVm3,處理量為1kmol,h（99%A,1%P），要求最總轉化率為90%。（1）根據反應特征怎樣確定反應器型式及組合？計算反應體積？（2）如果采用循環(huán)反應器，確定最佳循環(huán)比和它的體積。解：（1）本反應為自催化反應，因此選擇全混釜串聯管式反應器。（詳見P56-57）總濃度為C=C+C=C+C=2+0.2=2.02kmol/