化學(xué)反應(yīng)工程第三章答案

3釜式反應(yīng)器3。1在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng):該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃002mol/l56l/molmin95％。試問(wèn)：（1）1m3時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？（2）2m3，解:（1）（2）因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)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)：20153

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(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí),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）0。5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積;（2）0。75,試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。80.5，8462kg/kmol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）(2)反應(yīng)器的實(shí)際體積:3。3丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：10ml0515NNaOH以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)時(shí)間下，NaOH時(shí)間,min010203050∝NaOH用量,ml52。232.123。518。914。410。5500kg/h,且丙酸90%.試計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（50℃）20min,且在加熱過(guò)程中不進(jìn)行（2）卸料及清洗時(shí)間為10min（3）反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物密度恒定。A,B，R，S為：A現(xiàn)以丙酸濃度對(duì)時(shí)間作圖：C0。0515×14.7mol/l48min.由于在同A樣條件下,間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)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)器體積：3.4其反應(yīng)速率方程為：ABCCkmol/mTK。該反應(yīng)的A B 3熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmolRAB0。04kmol/m3，反應(yīng)混合物的平均熱容按4。102kJ/m3.K計(jì)算。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度為50℃。(1）A85%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間及此時(shí)的反應(yīng)溫度.（2）R解:(1)（由數(shù)值積分得出）（2）若AR，即X10A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01kmol/m3,CDBt1

時(shí),C0。A055kmol/m3，C=0.038kmol/m3tC0。01kmol/m3，C=0。C042kmol/m3，試求：k/k；

2 A C2 1CCA（1）因?yàn)锽過(guò)量，所以:恒容時(shí)：(B)式除以（A）式得：解此微分方程得:

（B）

（A)tCCtC

（C）數(shù)據(jù)代入(C）式化簡(jiǎn)得：1 A C 2 A C解之得：先求出最大轉(zhuǎn)化率：CC3。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AA,A2mol/lk=4.0min—2 3 1 11,k=3。6min—1，k1。5min—1.試求:2 3（1）1。0min(2)反應(yīng)時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)物系的組成。（3)將上述反應(yīng)改為反應(yīng)時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)時(shí),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(shí)質(zhì)是下述反應(yīng)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(A易化簡(jiǎn)得到（B（C)及（D)式的解。對(duì)于（A）式,可列出如下微分方程組：由題意知初始條件為:聯(lián)立求解此微分方程組可得：（5）

（2）

（1）（3)（6)式中，由如下式確定：（9)

(7)

(8）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（3t得:3。7R,BA（1）如何選擇原料配比？(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）解:（1）SCA

低,CB

高，但由于B的價(jià)格高且不易回收，故應(yīng)按主反應(yīng)的計(jì)量比投料為好。（2）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A。300l863。2kmol/m3氧化氫異丙苯溶液分解:0.08s—1，98。9%,試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。（1）15min;(2）如果是全混流反應(yīng)器；（3）試比較上二問(wèn)的計(jì)算結(jié)果；（4)解:(1)(2）苯酚產(chǎn)量反應(yīng)速度慢的原因。由于該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，由上述計(jì)算可知，無(wú)論是間歇反應(yīng)器或全混流反CAB

也增加一倍，故上述兩個(gè)苯酚反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍.在間歇反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：rrDRABAD R的濃度等于2kmol/m3.A95%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間；A95%時(shí),RD70%,能否辦到? 的反應(yīng)時(shí)間相同，A95％？A的轉(zhuǎn)化率如仍要求達(dá)到95％,其它條件不變的收率是多少？ A(1B1m3，A0。4m3AAR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的瞬時(shí)選擇性為:D的收率：這說(shuō)明能使D的收率達(dá)到70％對(duì)全混流反應(yīng)器，若使τ=t=0。3958h,則有解之得：C所以：

=0.4433A這說(shuō)明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到95%。(5）X=0.95R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ARAR的微分方程組:對(duì)A: （1)對(duì)R：（2）（3)在反應(yīng)時(shí)間（t=0。4038ht0。4h）0.4m3A反應(yīng)器內(nèi)，故ABA2kmol/m3A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,C=0,C=0A R可用龍格———庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解.取步長(zhǎng)△t=002ht=0.4h用t=0。4h時(shí)的C和C可以進(jìn)行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計(jì)算:A R式中V為所加入的A的體積，且V=04m3;C為所加入的AA A A0C=7kmol/m3；V為反應(yīng)結(jié)束時(shí)物系的體積，V=1。4m3。A0同理可以計(jì)算出R的收率：3。10在兩個(gè)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):加料中組分A的濃度為02kmol/m34m3/hA的最終轉(zhuǎn)化率為試問(wèn)：(1）總反應(yīng)體積的最小值是多少？（2）B（3）B應(yīng)體積最小值是多少？解:（1）dV/dX=0r A1將X=0。9代入上式，則A2解之得X=0.741A1所以總反應(yīng)體積的最小值為（2）即解得CB1

=0.005992kmol/m3同理解得CB2

=0。00126kmol/m3B的收率:（3）BiA,B衡算方程分別為：當(dāng)i=1時(shí),（1)i=2

（2）（3）（4）由(1

代入CC代入CA1 B1 A1 A2將C及CB1

（4)Cτ，τB2 1 2(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τ

及τQ

最大時(shí)反應(yīng)1 2 0 B2器系統(tǒng)的總體積。將ττ(5）式即可求出BY。將τ

1

2

=（C

—C

可求出最終轉(zhuǎn)化率。BmaX

1 2 A2

A2 A0 A2 A03.11490cm3CSTR式中（A）—-NH(B）—HCHO，反應(yīng)速率方程為:3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C.B解:即得:解得:X=0。821Af反應(yīng)器出口A,B得濃度分別為:在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h1.8kgh0.01m31004.76×10-4l/molmin，逆反應(yīng)（酯的水解）1。63×10-4l/molmin864kg/m3解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B，C，D從已知條件計(jì)算出：將上述數(shù)據(jù)代入(A)式，化簡(jiǎn)后得到：若i=1，則（B）式變?yōu)椋航庵?i=2,則（B解之得:i=3，則（B）解之得：即：三釜串聯(lián)能滿(mǎn)足要求.3m31m30.0。15kmol/m321.2m3/h.kmol50%，這兩臺(tái)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(jì)算你所選用的方案得到的1丁酯產(chǎn)量最大.現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算：二式聯(lián)立化簡(jiǎn)后得到：(將XA2

=0.5代入)解之得：X=0.223A1醋酸丁酯產(chǎn)量=如果進(jìn)行的是一級(jí)反應(yīng)，可進(jìn)行如下計(jì)算:（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(jiǎn)后得到:解得:X=0。1771A1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X=0。3924A1所以有：產(chǎn)量同前.說(shuō)明對(duì)此一級(jí)反應(yīng)，連接方式?jīng)]有影響。3141.55m1.5/kmol1。5A2kmol/m31.5m3/h,試分別計(jì)算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95％時(shí)所需的反應(yīng)體積（1)(2）兩個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián);(3)保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解（1）全混流反應(yīng)器（2）由于，所以由上二式得:將X=0。95代入上式，化簡(jiǎn)后得到X=0。8245,所以:A2 A1串聯(lián)系統(tǒng)總體積為:（3)此時(shí)的情況同（1，即31505m3/min20m3進(jìn)行液相反應(yīng)：CCARrA

為D的生成速率。原料A R A DA01kmol/m3=0.1min—1,k=1.25m3/kmolmin，1 2試計(jì)算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。所以:即為:在全混流反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：360l/h25%A，5％C(均按質(zhì)量百分率計(jì)算）0.69g/cm3A92%，試計(jì)算：（1)所需的反應(yīng)體積；（2)BDk6。85×10—5l/mol。s；1k1。296×10—9s—1;k1。173×10—5l/mol。s;B140；D2 3為140。M=M=140M=M=70B D A

（1)

(2)(3)由（2),（3）式分別得:

（4)（5)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=3.831×105s=106.4h(1）反應(yīng)體積(2)將τ代入(4）BA所以有：所以D的收率為：CSTR（1)（2)k/k8k/k=30，C=10.0mol/l,氯對(duì)苯的加料比=1。4，kτ=11 2 2 3 B6 1（τ為空時(shí))，試計(jì)算反應(yīng)器出口B，M,D，T，C的濃度。各個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí).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(gè)方程,五個(gè)未知數(shù)由（2)式得:由（3

(7）

（8）將（1)，(7)（8）式代入(6）得整理得：解得：C=0。908kmol/m3C代入(1）式得：代入（7)式得：代入（8）式得：代入（4）式得:驗(yàn)證：即：3。120001m3/s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：T326T326330340350360362。5365367.5370q44.163.87149。7314。8586。7670。8756.8851。8942。1

（5)g由上圖可知，此反應(yīng)條件下存在著兩個(gè)定態(tài)點(diǎn).如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)gQ0。001m3/sq’0’qr g

r線無(wú)交點(diǎn)，即沒(méi)有定態(tài)點(diǎn)。這說(shuō)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(guò)373K，因此從圖上知,不可能出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)的情況.33操作。試問(wèn)：(1)在操作條件均不變時(shí),丙酸的產(chǎn)量是增加還是減少?為什么？3中的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時(shí)?若把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時(shí)間為(2）停留時(shí)間的三分之一,試預(yù)測(cè)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。（1）在操作條件均不變時(shí)，用習(xí)題3.3中已算出的V=4512l，Q=57。r 084l/min，則可求出空時(shí)為τ=4512/57.84=78min.（t+t）.0當(dāng)改為連續(xù)操作時(shí),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)Q0釜中反應(yīng)速率變低的緣故。（2X=0.723。3X0。72A A率,進(jìn)而求出這時(shí)對(duì)應(yīng)的空時(shí)τ=246。2min。因題意要求丙酸產(chǎn)量不變，故Q不0能變,必須將反應(yīng)器體積增大至14240l才行。（3）這時(shí)ττ/3=82.1min33R～X1 A A表如下：XAXA-R0 0.1 0.2 0.4 0.6 0。80.17190。13910。10960.060160。02363 0AA3787.38989轉(zhuǎn)化率時(shí),生產(chǎn)能力各增加多少？（1）二個(gè)300l全混串聯(lián)釜，X=0.989，A2(1）（2）解得:X=0。8951A1代入（1)式求出此系統(tǒng)的體積流量：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.0。75m30。05m3/min0.22kmol/m325℃,出料溫度為36209kJ/mol,反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：k=1。8×10-7exp（—5526/T)，min—11050kg