化工反應(yīng)工程答案 第四章

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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)行以下氣相均相反應(yīng)：在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：

r?1.5CTCH,mol/l.s

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(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)的反應(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，原料甲苯與氫的摩爾比等于1，即：

CT0?CH0，則有：CT?CH?CT0(1?XT)

0.5C6H5CH3?H2?C6H6?CH4

示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中：

CT0?pT0RT?0.5?1.013?10358.314?10?1073?5.68?10kmol/m?3?33FT0?Q0CT0?2/2?1kmol/h?0.278?10kmol/s

所以，所需反應(yīng)器體積為：

Vr?Q0CT0??0.278?10XT0dXT1.5CTCH0.5?Q0CT0?dXTXT0dXT1.5CT1.5?2.5?3?0.9501.5(5.68?10)2?31.5(1?XT)1.5?0.4329?(1?0.95)?11.5?1?3.006m33.006所以，反應(yīng)器的長(zhǎng)度為：0.05?3.14/4

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(jì)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(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：

Vr?Q0CA0??Q0X0A?1531.1m1ol/lQ0?275.8l/hCA0?1.23mdXAkCA0(1?XA)(CB0?CA0XA)?275.80.95?818.6lXAkCA01?XA5.2?1.2311?0.95

由計(jì)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(shí)間造成的。

4.31.013×105Pa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/m。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)器出口的氣體組成。

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：

22NO?O2?2NO23

rNO?1.4?10CNOCO,kmol/m.s423VrQ01.4?10CACB（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（2.54）式?CA0?XA0dXA42得：

y?ii0?yA0XAyi??A1??AyA0XA

便可求出反應(yīng)器出口氣體組成。已知：

???iA????1B0?0.09A2,yA0?0.10,yQm3/h?1.7888?10?40?0.6(273?20)/273?0.644m3/sF0.6i0?22.4?2.677?10?2kmol/h2.677?10?2C?0.1A0??4.159?10?30.644kmol/m3C2.677?10?2?0.09B0?0.644?3.743?10?3kmol/m3所以，反應(yīng)速率為：

C2214A0(1?XA)(CB0?r2CA0XA)A?1.4?10(1?0.05X2A)(1?0.05XA)?3?1.4?104(1?X2A)(3.743?2.078XA)?10(1?0.05X3A)

再將有關(guān)數(shù)據(jù)代入（A）式：

0.5?14?4.159?10?331.789?10?4??XA(1?0.05XA)0(1?X2A)(3.743?2.078XA)dXA用數(shù)值積分試差求得：XA?99.7%因此，

B）

（yA?yA0?yA0XA1?0.05XA0.09?1?0.1(1?0.997)1?0.05?0.997?0.032%yB?21?0.05?0.9972?0.1?0.997?4.227%0.1?yNO?221?0.05?0.9970.8?0.1?0.997?11.546%1?0.05?0.997

另：此題由于惰性氣體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：

2yN??84.197%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：

?dpAdt?kpAC2H6?C2H4?H2

?1式中pA為乙烷分壓。在815℃時(shí)，速率常數(shù)k?1.0s4，平衡常數(shù)

K?7.49?10Pa，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）（2）乙烷的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50%時(shí)，所需的反應(yīng)管長(zhǎng)。

解：（1）設(shè)下標(biāo)A—乙烷，B—乙烯，H—?dú)?。此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求取：

Kp?pBpHpA

pi0?pi??i?ApA0XAA1?yA0?yi0?XA?i?AyA0XAXAAyi?1?yA0?,pi?yiP＝1AeAeyA0?0.5，?A＝y(tǒng)A?1?1－11AAyA0?yA0X1?yA0?AX?0.5(1?X1?0.5XyA0XAA)yB0?yB?yH?0??K?XAe?B?A1?yA0?*0.5*XAeXA1?11?0.5XAe?0.5*X1?0.5XAeAe

pBpHpA?0.61?yByHPyAP2?0.5X(1?0.5XAe2Ae)(1?XAe)P?7.49*144

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10012平衡時(shí)1-XeXeXe12+Xe因此，平衡時(shí)各組分分壓為：

2?Xe2?Xe2?Xe

將其代入平衡式有：

Xe1?Xe254()?2.026?10/?7.49?102?Xe2?Xe

pB?P1Xe,pH?P1Xe,pA?P1(1?Xe)C2H6?C2H4?H2,H2O,?

解此一元二次方程得：Xe?0.61

（2）（2）所需的反應(yīng)管長(zhǎng)：首先把反應(yīng)速率方程變?yōu)?/p>

dtRT

以保證速率方程的單位與物料衡算式相一致。已知：

FA0?0.178?0.530?0.5?18?0.5?0.0037kmol/s?d?pA/RT??kpA,kmol/m.s3XAf?0.5XAe?0.305

代入物料衡算式有

Vr?FA0?X0AfdXAk(1?XA32?XART5)P12?XA1?XA1?2.026?10其反應(yīng)管長(zhǎng)：

?0.0037?8.314?10?1088?0.3050dXA?0.13m3

L?0.13(0.0762)?3.14/42?28.8m

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):

C2H5OH?CH3COOH?CH3COOC2H5?H2O(A)(B)(P)(Q)3

催化劑的堆密度為700kg/m,在277℃時(shí)，B的轉(zhuǎn)化速率為：

3600(1?1.515?10pP)

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(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)，所需的催化劑量是多少？反應(yīng)體積時(shí)多少？乙酸乙酯的產(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)化率的函數(shù)，其中：

pB?pB0(1?XB),pA?pA0?pB0XBpP?pB0XB,pQ?pQ0?pB0XBrB?4.096?10(0.3?8.885?10?7?6pQ)(pB?pPpQ/9.8pA)?4,kmol/kg.s

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：

pB0?0.1234?1.013?10pA