反應(yīng)工程課后答案第二版

1.1在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)：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),反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%,甲醛的收率為69.2%。試計(jì)算(1)反應(yīng)的選擇性；(2)反應(yīng)器出口氣體的組成。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(shí)，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yio摩爾數(shù)H空氣水總計(jì)設(shè)甲醛的生成量為x,COa的生成量為y,則反應(yīng)器出口處組成為組分摩爾數(shù)n(mol)H空氣水Xy總計(jì)由甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%,甲醛的收率為69.2%得：解得x=18.96;所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：1.2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化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(guò)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)流程示意圖放空氣體粗甲醇Bkg/h循環(huán)壓縮冷凝分離合成原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：組分原料氣冷凝分離后的氣體粗甲醇的組成為CH?OH89.15%,(CH?)?03.55%,C?H?OH1.10%,H?O6.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(guò)程9.38g,H?1.76g,CH?2.14g,N?5.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2(摩爾比),(1)一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；(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)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原組分摩爾質(zhì)量))質(zhì)量分率2總計(jì)其中x;=y;M/EyM;。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=Ey?M?=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2總計(jì)其中冷凝分離后氣體平均分子量為又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h,粗甲醇的流量為Bkg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的N?作衡F’co.u=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4kmol/h(B-D)Xp/M=(785.2-0.02848B)×0.8915/32=21.25kmol/h2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)(1)以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)ky。(2)以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kg。(3)以分壓表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kg。(4)以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kc。解：利用(2.10)式及(2.27)式可求得問(wèn)題的解。注意題中所給比表面的單*(1)是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)?(2)是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)?圖2.2C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率(6)M點(diǎn)速率最大根據(jù)等速線的走向來(lái)判斷H,M點(diǎn)的速2.14在Pt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：(1)A+σ?Ao若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。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，A+o?AoAo?Bo+Rr?=kθ?-kpaOaBo?B+σ以表面反應(yīng)速率方程來(lái)代表整個(gè)反應(yīng)的速率方程：其中k=kKK,=kK?/RK2.15在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)：其反應(yīng)步驟可表示如下：(1)A+σ?Ao若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。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(xiě)出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：(1)A+σ?Ao(2)B?+2o?2Bo整個(gè)反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來(lái)表示：根據(jù)總覆蓋率為1的原則，則有：或K?P?B?+√K?P?O+KAP?B+O,=1整理得：其中K=k/kK3.1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度均為0.02mol/1,反應(yīng)速率常數(shù)等于5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。(1)當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為1m3時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間?(2)若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m3,所需的反應(yīng)時(shí)間又是多少?(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20kg/h,使用15%(重量)的NaHCO?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5.21/mol.h,要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。(1)若輔助時(shí)間為0.5h,試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積；(2)若裝填系數(shù)取0.75,試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解：(1)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(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h(2)反應(yīng)器的實(shí)際體積：3.8在一個(gè)體積為3001的反應(yīng)器中86℃等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過(guò)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(jí)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(jì)算苯酚的產(chǎn)量。(1)如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為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)若過(guò)氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣?(2)全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量2C*=16.02×3.2×0.989=50.69mol/min=(3)說(shuō)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(jí)反應(yīng)，由上述計(jì)算可知，無(wú)論是間歇反應(yīng)器或全混流反兩個(gè)反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.14等溫下進(jìn)行1.5級(jí)液相不可逆反應(yīng)：A→B+C。反應(yīng)速率常數(shù)等于5ml.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1.5m2/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)全混流反應(yīng)解：(1)全混流反應(yīng)器m3將Xg=0.95代入上式，化簡(jiǎn)后試差解得Xa=0.8245,所以：m3(3)此時(shí)的情況同(1),即V,=18.03m33.15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A→R中A的濃度等于0.1kmol/m3,反應(yīng)溫度下，k?=0.1min-1,kz=1.25m3/kmol.min,試計(jì)算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。X?=0.80,C?=C?(1-X?)=0.02kmol/m34管式反應(yīng)器F??=Q?C??=212=1kmol/h=0.278×10-3kmol/s的前提下(采用等溫操作),增產(chǎn)35%,請(qǐng)你擬定一具體措施(定量說(shuō)明)。設(shè)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(jì)算苯酚的產(chǎn)量，并比較不同類型反應(yīng)器的計(jì)算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：將已知數(shù)據(jù)代入得：FX?=QCmX?=0.319×3.2×0.989=由計(jì)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(jì)輔助時(shí)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)。4.11根據(jù)習(xí)題3.15所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計(jì)算：(1)所需的反應(yīng)體積；(2)若用兩個(gè)活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積是多少?(2)若用兩個(gè)PFR串聯(lián)，其總反應(yīng)體積與(1)相同。5停留時(shí)間分布與反應(yīng)器流動(dòng)模型5.2用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，得到離開(kāi)反應(yīng)器的示蹤劑與時(shí)間的關(guān)系如下：(1)該反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)F(0)及分布密度函數(shù)E(0)。(3)若用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少?(4)若用軸相擴(kuò)散模型來(lái)模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少?(5)若在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)k=1min1,且無(wú)副反應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解：(1)由圖可知C(≈)=1.0,而F(0)=F(t)=C(t)/C(≈),所以：(3)由(5.20)式可得模型參數(shù)N為：(5)用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬，前已求得N=75,應(yīng)用式(3.50)即可計(jì)算轉(zhuǎn)化5.5已知一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)=16texp(-4t),min-1,試求：(1)平均停留時(shí)間；(4)停留時(shí)間小于lmin的物料所占的分率；(5)停留時(shí)間大于lmin的物料所占的分率；(6)若用多釜串聯(lián)模型擬合，該反應(yīng)器相當(dāng)于幾個(gè)等體積的全混釜串聯(lián)?(7)若用軸向擴(kuò)散模型擬合，則模型參數(shù)Pe為多少?(8)若反應(yīng)物料為微觀流體，且進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)為6min1,Cm=1mol/1,試分別采用軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并加以比較：(9)若反應(yīng)物料為宏觀流體，其它條件與上述相同，試估計(jì)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并與微觀流體的結(jié)果加以比較?解：(1)由(5.20)式得：(2)因是閉式系統(tǒng)，所以：(3)空速為空時(shí)的倒數(shù)，所以：所以，停留時(shí)間小于1min的物料所占的分率為90.84%。(6)先計(jì)算方差：(8)因是一級(jí)不可逆反應(yīng)，所以估計(jì)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率既可用擴(kuò)散模型，也可采用多釜串聯(lián)模型，由(3.50)式得：采用擴(kuò)散模型，前已得到Pe=2.56,所以：α=(1+4kr/Pe)?=(1+4×代入(5.69)式得：(9)用離析流模型，因一級(jí)不可逆反應(yīng)，故間歇反應(yīng)器的C?(I)=C?me”反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率為X?=0.84,計(jì)算結(jié)果同前題用多釜串聯(lián)模型與擴(kuò)散模型結(jié)果5.7在一個(gè)全混流釜式反應(yīng)器中等溫進(jìn)行零級(jí)反