化學反應(yīng)工程第五版(朱炳辰)課后復(fù)習題答案

第一章

1.1在銀催化劑上進行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng):

進入反應(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72%,甲醛的收率為69.2%。試計算

(1)(1反應(yīng)的選擇性；

(2)(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進入反應(yīng)器的原料氣中,甲醇：空氣：水蒸氣一：4：13(摩爾比，當進入

反應(yīng)器的總原lOOmol摩，物雌物的進料組度無數(shù)n<mol>

CH2/(2+4+1.3=0.274027.40

VJHL

34/(2+4+1.3=0.547954.79

空氣

13/(2+4+1.3=0.178117.81

水1.000WO.O

設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為X,甲醛的收率為Y,根據(jù)(1.3和(1.5式可得反應(yīng)器出口甲

醇、甲醛和二氧化碳自摩爾數(shù)；、八口科？分別為：

n=n<1-X>=7.672mol

n=nY=18.96mol

n=n<X-Y>=0.7672mol

結(jié)合f逑愛虎的化學計量式，水In、,氧氣和和契氣(n的摩爾數(shù)分別為：

n=n+n+2n=38.30mol

wwopc

n=n-l/2n-3/2n=0.8788mol

O00Pc

n=n=43.28mol

NNO

所以，反應(yīng)器出口氣體組成為:_______________________________

組分工摩爾數(shù)(mol摩爾分率

-%-

CH不OH]7.672

HCHG18.966.983

HO17.26

238.3

34.87

20.7672

c0.8788

42CQ0.7999

鋁植化劑由一氧化碳和氫

1.1.2工業(yè)上采用銅鋅合成鐲，其主副反應(yīng)如下:由

于化學平衡的限制，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份放空，大部份經(jīng)循環(huán)壓縮機后與原料

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Fkg/h粗甲醇AkmoVh

循環(huán)壓縮

lOOkmol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

co26.8215.49

H68.2569.78

CO

21.460.82

CH

40.553.62

N2.9210.29

粗甲醇的組成為CHOH89.15%,<CH>O3.55%,CHOHO6.20%,均為

分量百分率。在操作壓方及溫度卡，其類組分均2為不凝組分，但在冷凝冷卻過程

中可部份溶解于粗甲醇中，對1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO9.82g,CO9.38g,H

1.76g,CH2.14g,N5.38go若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2(摩爾比，試計算；

(1)4(1二氧化碳的單程轉(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)新鮮原料氣進料流量為lOOkmo附則根據(jù)已知條件，計算進料原料氣

組成以質(zhì)量分率表示如下：

F<kmol/h>質(zhì)量分率X%

組分摩爾質(zhì)量4________

CO28和26.8272.05

26.82

耳268.2513.1

Co441.466.164

2_L46

CH160.550.8443

40.55OQO

N2?^7QAA

22.92inn1AA

總計--------1UU

100

其中x=yMCyM。

iiiii

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y.

co2815.49

耳269.78

co440.82

CH163.62

2oinoa

2

忠占計升inn

其中冷凝分離后氣體平均份子量為

M=SyM=9.554

又遇成空氣體流量為Akmol/h,粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N作衡算

得：2

538B/28x100010.1029A=2.92<A>

對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得：

100xl0.42=B+9.554A<B>

聯(lián)立(A、(B兩個方程解之得

A=26.91kmol/hB=785.2kg/hg

后產(chǎn)物中8摩爾流量為

F=0.1549A+9.38B/<28義1000>

CO

將求得的A、B值代入得

F=4.431kmol/h

CO

2/30

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co摩爾流量為

F=100x0.2682+7.2x1（X）x0.1549=138.4kmol/h

co.o

所以co的單程轉(zhuǎn)化率為

產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO〕CO］耳、2cH和N總量D為

粗甲醇中甲醇的量為2

<B-D>X/M=<785.2-0.02848B>x0.8915/32=21.25kmol/h

甲m

所以，甲醇的全程收率為

Y=21.25/26.82=79.24%

甲醇的單程收率為

￥=21.25/138.4=15.36%

2反應(yīng)動力學基礎(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C的關(guān)系曲線,用鏡面法求得t=3.5h時該點的切A

線，即為水解速率。

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X~V/Q作野生V/Q用.20min的率作用翠留得該巧件下的pC/d”/。>值同

AR?R。°0.148

V/Qmin0J20.200.260.340.45

X%20.030.040.050.060.070.0

故8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io/皿。

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1.5mo以故可把反應(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

枳分得

解得X=82.76%?

2.5解；題中給出450P時的k停，而反應(yīng)是在490c下,故首先要求出490C時的k值,2

利用（2.27試,求出頻率因子A:'

l<2=Aexp（春）

A=kexp(-^)=2277I?■億58x38.314x723=1.145X10l6

k;=Aexp(-導(dǎo)=1.145X1016?-17.58x104/8.31^723=1.055X104m3(MPa)0.5/m3,h

490C的Kp值由題給公式計算出

log\=2047.8/763-2.4943log763-1.256x12x763+1.8564x10-7x7632

+3.206=^4.2524

K=5.592x10-2

p

求k值：

求客組分的分壓值：

各組分的分率及分壓值為

NH10%p=3MPa

N19.06p=5.718MPa

%

Hp=17.15MPa

57.18

AH-CHp=4.137MPa

—%

3/30

反應(yīng)速率為：

26解；圖21（1圖22

反應(yīng)（2可逆反應(yīng)

糜演吸熱反應(yīng)

<3>M點速率最大A點速率最小M點速率最大A點速率最小

<4>O點速率最大JB點速率最小H點速率最大B點速率最小

3R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。

28解：（1求出轉(zhuǎn)化率為80%時各組分的分壓：

XSO0SON￡

07.011.0082.0100.0

0.807<l-O.8O>=1.4115.6x0.5=8.25.6081.097.1

<3>求平衡溫度Te

利用（2.31式求逆反應(yīng)活化能后值

<5>利用（2.31式求最佳溫度T“

2.9解：反應(yīng)物A的消耗速率應(yīng)為兩發(fā)應(yīng)速率之和，即

利用（2.6式

積分之

2.10解：以lOOmol為計算基準，設(shè)X為三甲基苯的轉(zhuǎn)化率,Y為生成的甲苯摩爾數(shù)。

由題給條件可知,混合氣中氫的含量為20%所以有:

66.67-33.33X-Y=20

x0.8-20=20.01kmol（甲苯量

生成的二甲基苯量：3333x0.8-20.01=€.654kmol

生成的甲烷量：33.33x0.8+20.01=46.67kmol

剩余的三甲基苯量：3333x（l-0.8=6.666kmol

氨氣含量為：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：

211解：（1恒容過程淇反應(yīng)式可表示為：

反應(yīng)速率式表示為：

設(shè)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)先后摩爾數(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：y=1?

由（2.52式可求得組分的瞬Q濃度：

C(1—X)=2.523>10-2(1—0.8)

C1+6yXA==2.803/0-2moi/I

AAA0T1^x1x0.8

r=kC=1.39x10i4exp(—18973/483)x2.803x10-2=3.395x10-^mol/1.s

AA

乙醇的生成速率為：

4/30

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X=0.8時

（2翁于恒壓過程，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（252式可求得轉(zhuǎn)化率為80%時的濃度：

6

2.13解：方法（1,先求出總摩爾變化數(shù)A。

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)速率為：

以一摩爾反應(yīng)物A為基準，總摩爾變化數(shù)為：

初始濃度為：

則有

方法（2,可將C表示為：

方法（3,利用物翕衡算可分別求出反應(yīng)物A生成R及S的瞬間選擇性S,S，于是可求出產(chǎn)物R及S的收率

y,y，求得A轉(zhuǎn)化率為85%時的分率：

鋁：

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：

9+9+9=1

由于ABV

99

將AB代入上式得：

整理得：

999

將A'B'V代入速率方程中

其中

2.15解;根據(jù)速率控制步躲及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其余近似達到平衡，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達

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)總覆蓋率為1的原則，則有：

或者

整理得，

9999

將A.B'R'V代入反應(yīng)速率方程，得：

其中

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：

其余的兩步可認為達到平衡，則有：

9+9+9=1

由于ABV，有：

99

將A,V代入速率式，得：

k=kK

式中sA°故上述假定與題意符合。但上述假定的反應(yīng)步驟不是惟一的。

218解：先用積分法求其動力學方程。

設(shè)為一級不可逆反應(yīng)，其速率表達式為：

積分得:八

C

InfAO）

t<h>0123456789

C

ln（k）

00.442（.83111531.60>2.1082.45728623.4IS3.84：1

A

作圖得向來線，其斜率為0.4255,故假設(shè)一級反應(yīng)是合理的，其動力學方程可表示為：用

微分法求解動力學方程

首先用C?t曲線，在曲線上取時間為0,1,2,……9h所對應(yīng)點的切線，為了準確可采用鏡面法，求得各切線

的斜率即為對應(yīng)的de/dt之值，然后再以dC/dt-C作圖,所求的dC/dt值如下表所示：

5/30

t<h>0123456789

C<mol/1>1.400.900.610.400280.170.120.080.0450.03

dC/dt<mol/l.h>0.700.450.2950.1910.1470.0950.060.0330.0250.015

設(shè)為二級不可逆反應(yīng)，用dC3f作圖得向來線，其斜率為0.5h”,其動力學方程可表示為：

或者將速率方程直線化,即鬲邊或?qū)?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=L004句，反應(yīng)速率常數(shù)值為k=0.4996o

還可用一數(shù)學公式來擬合C~t曲線，然后再將該數(shù)學公式對t求導(dǎo)，求得dC/dt之值，此法會比作圖法來

的準確。

3釜式反應(yīng)器

XX

t=C(pAf=C(pAf"A=1>XA_

Vt

AOo(-RAO0k2C2(1-X)2kC1-X

AAOAOAAOA

=x=169.6min(2.83h)

3.1解：(15.6x0.021—0.95

<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

2.83ho

3.2解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的份子量分別為80.5,84和62kg/kmol,每

小時產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h

0.3266x80.5—/u

=91.11kg/h

每小時需氯乙醇：0?95x30%

0.3266x84彳加ci/u

=190.2kg/h

每小時需碳酸氫鈉：°?95x15%

Q=................=275.81/h

原料體積流量:o1.02

C=0,3266>1000=1.231mol/l

氯乙醇初始濃度:AO0.95x275.8

反應(yīng)時間：

反應(yīng)體積：丫=Q0(t+1')=275.8x(2.968+0.5)=956.5I

V956.5

Y=q=12751

(2)(2反應(yīng)器的實際體積:f0.75

3.3解：用AJBRS分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當量關(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：

于是可求由A的平衡轉(zhuǎn)化率：

現(xiàn)以丙酸濃度對時間作圖：

由上圖，當C聲0515x14.7mol?l時,所對應(yīng)的反應(yīng)時間為48min。由于在同樣

條件下，間歇裝應(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48mh1。

丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=l12.6mol/mino

所需丙酸鈉的量為:112.6/0.72=156.4mol/min。

原料處理量為：Q0==156-4/(0.0515+52.5)=57.84I/min

反應(yīng)器體積：丫=0*+"二57,84x(18+20+10)=45121

6/30

實際反應(yīng)體積：4512/0.8=56401

34解?<1>

.（由最值積分得出

<2>若A全部轉(zhuǎn)化為凡即X=1.0,則由上面的積分式知,18，這顯然是不可能

的。

35解：因為B過量所以:

恒容時：

dC.-

A=kC

"dt1A(A

dC

_c=kC_kC

dt1A2C<B>

(B式除以(A式得；

(C

將t,C,C及t,C,C嬴據(jù)代入（C式化簡得:

1AC2AC

解之得：

<2>先生出最大轉(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，然后進行求解。但子

細分析這兩種情況,其實質(zhì)是下述反應(yīng)的特例：

A—~kJA——K.)A

123<A>

當卜2二°時，（A式變?yōu)锳1人24<B>

當k；二°時，（A式變?yōu)锳g—A3<O

當k;=0耳=0時，（人式變?yōu)椋ィ〢2）A3

其中式（D即為書講的一級不可逆連串反應(yīng)?？梢娭灰玫剑ˋ式的解，則可今

易化簡得到（B,v。及vD>式的解。

對于<A>式，可列出如下微分方程組：

dC

_1=kC_kC

dt1111<1>

dC2=kC+kC_kC_kC

dt11231222<2>

dC

3=kC_kC

dt2223<3>

由題意知初始條件為：

7/30

C(O)=C，C(O)=C(O)=O

o<4>

聯(lián)立求解此微分方程組可得：

C「C網(wǎng)1叫W

10[a。ap

<5>

[kk-

C=C10(>----+1A

2iap

IV<6>

lkk

C(kkeatept

C二12__+

310、aP除工一Pj

<7>

1P

式中,a由如下式確定:

ap=kk*+kk+kk

121221<8>

a+p=_(k+k+k+k)

現(xiàn)在可用上述結(jié)果"本質(zhì)進行計算:<9>

k=4.0min1,k=3.6min_i,k=1.5minJ,k?=O,t=1min

f11l1122

由(5?(9式得

(2當時，由(5-(9式得

(3此時為k1=0的情況，當…時，由匕=4.0min_i,

k=1.5min_i,k?=3.6minj殂

22得：

tnIrkCC21

S肘7c.1流2c=1+2KC

3.7解：(1BA1A2AB1+2A-

由上式知，欲使S增加，需使C低,C西,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C低,C高,故可用下圖所示的多釜串聯(lián)方式：

(3用半藺歇良應(yīng)器,若欲使C低,C高,可以將B一次先加入反應(yīng)器，然后滴加

AB

A.

38解：(1

羋必/在C=CX=3.露艮0.989=3.165mol/I

^^濃度苯酚AOA

先M+HQC=18.82根3.165=59.56mol/min=335.9kg/h

0苯酚

(2全混流反應(yīng)器

并訪*aQC=16.財艮3.才艮0.989=50.69mol/min=285.9kg/h

本酚產(chǎn)重o苯酚

(3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)器或者全混流反應(yīng)

器，其原料處理量不變，但由于C增加一倍，故C也增加一倍，故上述兩個反應(yīng)

AB菜質(zhì)

器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。

8/30

3.9解：(1第二章2.9題已求出t=0.39^F=2423min

<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的收率達到70%

(4對全混流反應(yīng)器，若使D.3958h,則有

解之得：C=0.4433

A

X=A0-CA=0.77840.95

所以：AAOC

這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達不到95%o

(1)(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)列出如卜的微

分方程組：

D(VC)A+(1.6C+16.4C2)V=QC

對A：AA0AO(1

對R:

d(vCR)_16CV=0

dtA(2

在反應(yīng)時間(IFC.4038h為方便起見取tM.4h將0.4iw的A均速加入反應(yīng)器，

0.4

Q=__=1m3/h

故00?4

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

VB=1m3M=0.4m3，故可算出原料A的濃度為:

c(1+0.4)x2.?.

C='/kmol/m3

AO0.4

由于:

代入(1,(2式則得如下一階非線性微分方程組:

dC7—C

A=A—1.6C—16.4C2

dt1+tAA(4

R=1.6C-R

dtA1+t(5

初始條件：H),C^),C^0

可用龍格一庫塔推進行數(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C和C可以進行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計算：

vN—NCV—CV

X=A0A=A0AA

AN0CV

式中V為所錮入的A的體A鍬盒AVR刖jC為所加入的A的濃度，且

AAA0

9/30

C=7kmol/m3；V為反應(yīng)結(jié)束時物系的體積,V=L4m3。

A°CV

Y=R.

同理可以計算出R的收率：RAOAV

3.10解：(1

110

X

對H求dV/dX=O可得：1一A1(二*/-

=1+X

將X=0.9代入上式，則I。。"A1

解遙XA=0.741

所以總骨混體積的最小值為

<2>

3.249C

=B1

40.09123-14C

懂得C=0.005992kmol/m3由

“4.676C-CC-0.005992

T=_______=B2B1B2

2434C2-14C34C(1-X)2-14C

I可埋A2B2AOA2B2

解得C=0.00126kmol/mj

B2

Y=2%=2>0426=126%

B的收率：B融C0.2

一目標函數(shù)改為B的收率，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：

C-C

AMAiT

A68C2

對“A:Ai

C-C

BiBi-1T

34C2-14C

對B：Ai

當日時，

C-C

AOA1=T

68C21

A1(1

C

B1T

34C2-14C1

A1B1

當M2時，

C—C

A1A2T

68C22

A2(3

C

B2T

34C2-14C2

B2(4

由（1式解出C代入（2式可解出C;由（1式解出C代入（3式可解出C;

B1A1A2

10/30

將CRC代入（4式可解中C，其為T,T的函數(shù)，即0B2=’《Ao工，丁?）

（5B，

式中C為常數(shù)。由題意，欲使C最大，則需對上述二元函數(shù)求極值：

AOB2

聯(lián)立上述兩個方程可以求出t及題中已給出Q,故由9=。0（二十12）可求

出q最大時反應(yīng)器系統(tǒng)電串體積。2將代入（5武即可求出B的最高濃度，

從而句進一步求出Y庵；,工代入C,則由X=<C-C>/C可求出最終轉(zhuǎn)化

、.BmaX12A2A2AOA2A0

率。

3.11解：

3X

490=Af

0.06447(1-X)(3.16-1.5x2.03X)2

X3-3.075X2+3.162X-1.077=0

整理得：AfAfAf

解得：X=0.821

反應(yīng)器G口A3得濃度分別為：

3.1(1所需的反應(yīng)體積；

(1)(2B及D的收率。已知操作溫度下Jk=6.85xia5]/moLs;

k=1.296x10^；;k=1.173xl&l/mol.s出的份子量為140；D的份子量為140。

2解：因=M=140,所以M=M=70

…CA乂

T_AOA

2(kC2-kC)+kCC

1A2B4T(1

C

T=B

(2

c-c

T=COC

kCC

3AC(3

由(2,(3式分別得：

_KTC2

kcz—1A

B1+kT

2(4

c

C=co

c1+kTC

3A(5

將（4,（5式及上述數(shù)據(jù)代入（1式，可整理為工的代數(shù)方程式，解之得T=3.831x

1210641

（1）（1反應(yīng)體積二TQQ=106.4X360=383001=38.30m3

⑵（2梭代入（4式得0B=1016m01"，所以B的收率為：

對A作物料衡算：-A=普

所以有：

0.2312

=9.40%

所以D的收率為:2.46

11/30

3.20解：(1二個3001全混串聯(lián)釜K=0.989,q

%=k(aJ。

N(1

V=Q0^XA2—\J=300

「2k(1—XJ(2

解得：X=0.8951

代入(求出此系統(tǒng)的體積流量：

W021/min

3.8題中已算出。9o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。

(2二個3001釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時,Q增。加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。

T=298K,T=309K,Q=0.05m3/min

00

△H=-209x103kJ/kmol

r

321解?k=1.8x1Sexp(—5526/309)=0.308

(i)(1條轉(zhuǎn)化率：

解得:*人：0.8221

反應(yīng)器法口物料中醋酎濃度：

322解.V=1m3,r=kC,k=0.98h—i,C=2.1kmol/l,X=0.9

(1)(1一4不可逆反應(yīng)：

所以Q=0.109m3/h

丙二醇的濃度=。刈'人=2,1x0,9=1.89kmol/m3

<2>采用定態(tài)下連續(xù)操作

所以q=0.109nWh

丙二醇的產(chǎn)量=°」09x1.89=0.2058kmol/h=4.939kmol/日

(3畝連續(xù)釜在低的反應(yīng)物濃度下操作，反映速率慢，故產(chǎn)量低。

4管式反應(yīng)器

4.1在常壓及800℃等溫下在活塞流反應(yīng)器中進行下列氣相均相反應(yīng)：

在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：

式中q及f分別為甲苯及氫的濃度再1。幾原料處理量為2kmol/h,其中甲苯與

氫的摩T爾1等于lo若反應(yīng)器的直徑為50m叫試計算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時的

反應(yīng)器長度。

解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過程,原料甲苯與氫的摩爾比等于1,

即：

c=C則有.C=C=C(1-x)

TOHO,火J伺：THTOT

示中下標T和H分別代表甲苯與氫,其中：

所以,所需反應(yīng)器體積為：

12/30

dX

V=QC（p^dXT_=Qc^T—

r0TO01.5CC0.50TO01.5C15

THT

dX

=0.278x10河。95T-----------------------------=0.4329X（1-895）25-1=3.006m3

o1.5（5.68x10^）i.5（1-XT）I.51.5-1

3.006-

=1531.1m

所以，反應(yīng)器的長度為：0.052x3.14/4

42根據(jù)習題32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

計算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進行比較。

解：題給條件說明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過程,在習題3.2中己算出:

所以，所需反應(yīng)器體積：

由計算結(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)器有輔助時間造成的。

4.31.013xISPa及20℃下在反應(yīng)體積為0.5皿的活塞流反應(yīng)器進行一氧化氮

氧化反應(yīng)：

式中的濃度單位為kmol/iwo進氣組成為10%NO,1%NO,9%0,80%N,若進氣流量為

0.6m3/h(標準狀況下，試計算反應(yīng)器出口的氣體組成。222

解：由NO氧化反應(yīng)計量方程式可知此過程為變?nèi)葸^程，其設(shè)計方程為：

Vr=pC<PAxadXAA

QA0o1.4x104C2co

RAB(A

示中AJB分別代表NO和O；由題意可知，若能求得出口轉(zhuǎn)化率，由(2.54式得：

便可求出反應(yīng)器出口氣體血成。己知：

所以,反應(yīng)速率為；

再將有關(guān)數(shù)據(jù)代入(A式：

0.5>14x4.159(10.05X)__________

=(PXA3A--------dX

1.789x3o(1-X)2(3.743-2.078X)A

AAIB

用數(shù)值積分試差求得：XA=99-7/G

因此，

另：本題由于惰性氣體用占80%,故此反應(yīng)過程可近似按恒容過程處理，也不會有

太大的誤差。

4.4在徑為76.2mm的活塞流反應(yīng)器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：

反應(yīng)壓力及溫度分別為2.026xl05Pa及815℃。進料含50%<mol>CH點余為水

蒸汽。進料量等于0.178kg/s。反應(yīng)速率方程如下：

式中P為乙烷分壓。在815℃時，速率常數(shù)k=1?0s/，平衡常數(shù)

K=7.49x104Pa，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，所需的反應(yīng)管長。

解：(1設(shè)下標A—乙烷B—乙烯氫。此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡

式求?。?/p>

若以1摩爾CH為基準，反應(yīng)先后各組分的含量如下：

26

13/30

反應(yīng)前10012

平衡時1-XXX12+X

因此，平衡時各組分分壓為:

將其代入平衡式有：

解此一元二次方程得：著=“I

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

以保證速率方程的單位與物料衡算式相一致。已知：

代入物料衡算式有

其反應(yīng)管長：

4.5于277℃,L013xl05Pa壓力下在活塞流反應(yīng)器進行氣固相催化反應(yīng):催化

劑的堆密度為700駟,在277c時出的轉(zhuǎn)化速率為：

式中的分壓以Pa表示，假定氣固兩相間的傳質(zhì)阻力可忽稍不計。加料組成為

23%B,46%A,31%Q(均為分量%，加料中不含酯，當X=35%時，所需的催化劑量是

多

B

少？反應(yīng)體積時多少？乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。

解：由反應(yīng)計量方程式知反應(yīng)過程為恒容過程，將速率方程變?yōu)锽組分轉(zhuǎn)化

率的函數(shù),其中：

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：

將上述有關(guān)數(shù)據(jù)代入設(shè)計方程：

采用數(shù)值積分便可得到所需的催化劑量：W=1.01x104kg

其反應(yīng)體積為：

4.6二氟一氯甲烷分解反應(yīng)為一級反應(yīng)：

流量為2kmoVh的純CHC1F氣體先在預(yù)熱器預(yù)熱至7009，然后在一活塞流反應(yīng)

器中700C等溫下反應(yīng)。在預(yù)熱器中CHC1F已部份轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率為20%o若反應(yīng)

器入口處反應(yīng)氣體的線速度為20m/s,當出口星CHC1F聯(lián)轉(zhuǎn)化率為40.8%時，出口

的氣體線速度時多少？反應(yīng)器的長度是多少？整個系余的壓力均為L013x

10sPa,700C時的反應(yīng)速率常數(shù)等于0.97S-1。若流量提高一倍,其余條件不變，則反

應(yīng)器長度是多少？

解：反應(yīng)歷程如下圖所示：

_____________4反應(yīng)器_____________>

」預(yù)熱器

溫度〒1TT=T

線速度u。uUf

轉(zhuǎn)化率xl)，nXX

AOA,hAJt

該反應(yīng)為變?nèi)葸^程，其中YAO=1'6A="2,

由(2.50式知：

由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時的線速度：

其出口處氣體線速度為：

由設(shè)計方程計算出反應(yīng)器長度：

那末需求出以反應(yīng)器入口為基準的出口轉(zhuǎn)化率Xo.據(jù)X=F-F/F，可求出

F=L6kmol/2F=L184kmol/耳所以,X=vl<?L184>/l.A=0.2展;宇"有:

遺"是由于皮應(yīng)器的截面就沒有固定，固定的是反應(yīng)氣體的線速度等條件，因此，

14/30

當流量提高一倍時，而其余條件不變，則反應(yīng)器的長度并不變，只是其截面積相應(yīng)

增加。

4.7擬設(shè)計一等溫反應(yīng)器進行下列液相反應(yīng)：

目的產(chǎn)物為&且R與B極難分離。試問：

(1)(1在原料配比上有何要求？

⑵(2若采用活塞流反應(yīng)器，應(yīng)采用什么樣的加料方式？

(3)(3如用間歇反應(yīng)器，又應(yīng)采用什么樣的加料方式？

解：對于復(fù)合反應(yīng)，選擇的原則主要是使目的產(chǎn)物R的最終收率或者選擇性

最大，根據(jù)動力學特征，其瞬時選擇性為：

由此式可知要使S最大,C越小越好，而C越大越好,而題意又給出R與B極難分

離，故又