化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

...wd......wd......wd...1緒論1.1在銀催化劑上進(jìn)展甲醇氧化為甲醛的反響：進(jìn)入反響器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3〔摩爾比〕，反響后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%。試計(jì)算〔1〕反響的選擇性；〔2〕反響器出口氣體的組成。解：〔1〕由〔1.7〕式得反響的選擇性為：〔2〕進(jìn)入反響器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3〔摩爾比〕，當(dāng)進(jìn)入反響器的總原料量為100mol時(shí)，則反響器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/〔2+4+1.3〕=0.274027.40空氣4/〔2+4+1.3〕=0.547954.79水1.3/〔2+4+1.3〕=0.178117.81總計(jì)1.000100.0設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為YP，根據(jù)〔1.3〕和〔1.5〕式可得反響器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩爾數(shù)nA、nP和nc分別為：nA=nA0(1-XA)=7.672molnP=nA0YP=18.96molnC=nA0(XA-YP)=0.7672mol結(jié)合上述反響的化學(xué)計(jì)量式，水〔nW〕、氧氣〔nO〕和氮?dú)狻瞡N〕的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC=38.30molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788molnN=nN0=43.28mol所以，反響器出口氣體組成為：組分摩爾數(shù)〔mol〕摩爾分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391.2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反響如下：由于化學(xué)平衡的限制，反響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，即將反響后的氣體冷卻，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局部放空，大局部經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與原料氣混合返回合成塔中。以以以下圖是生產(chǎn)流程示意圖冷凝別離冷凝別離合成合成原料氣Bkg/h粗甲醇Akmol/h循環(huán)壓縮循環(huán)壓縮100kmol放空氣體原料氣和冷凝別離后的氣體組成如下：〔mol〕組分原料氣冷凝別離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的組成為CH3OH89.15%,(CH3)2O3.55%,C3H9OH1.10%,H2O6.20%,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過程中可局部溶解于粗甲醇中，對(duì)1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO29.82g,CO9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。假設(shè)循環(huán)氣與原料氣之比為7.2〔摩爾比〕，試計(jì)算：〔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)條件，計(jì)算進(jìn)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844總計(jì)

100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=∑yiMi=10.42kg/kmol。經(jīng)冷凝別離后的氣體組成〔亦即放空氣體的組成〕如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計(jì)

100其中冷凝別離后氣體平均分子量為M’m=∑yiMi=9.554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N2作衡算得：5.38B/28×1000+0.1029A=2.92(A)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A(B)聯(lián)立〔A〕、〔B〕兩個(gè)方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反響后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反響器出口處的CO摩爾流量為F’CO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B)×0.8915/32=21.25kmol/h所以，甲醇的全程收率為Y總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為Y單=21.25/138.4=15.36%2反響動(dòng)力學(xué)根基2.1在一體積為4L的恒容反響器中進(jìn)展A的水解反響，反響前A的含量為12.23%〔重量〕，混合物的密度為1g/mL，反響物A的分子量為88。在等溫常壓下不斷取樣分析，測(cè)的組分A的濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如下：反響時(shí)間〔h〕1.02.03.04.05.06.07.08.09.0CA(mol/L)0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03試求反響時(shí)間為3.5h的A的水解速率。解：利用反響時(shí)間與組分A的濃度變化數(shù)據(jù)，作出CA～t的關(guān)系曲線，用鏡面法求得t=3.5h時(shí)該點(diǎn)的切線，即為水解速率。切線的斜率為由〔2.6〕式可知反響物的水解速率為2.2在一管式反響器中常壓300℃等溫下進(jìn)展甲烷化反響：催化劑體積為10ml，原料氣中CO的含量為3%，其余為N2,H2氣體，改變進(jìn)口原料氣流量Q0進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，測(cè)得出口CO的轉(zhuǎn)化率為：Q0(ml/min)83.367.650.038.529.422.2X(%)203040506070試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為50ml/min時(shí)CO的轉(zhuǎn)化速率。解：是一個(gè)流動(dòng)反響器，其反響速率式可用〔2.7〕式來表示故反響速率可表示為：用XA～VR/Q0作圖，過VR/Q0=0.20min的點(diǎn)作切線，即得該條件下的dXA/d(VR/Q0)值α。VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.0故CO的轉(zhuǎn)化速率為2.3在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反響的正反響動(dòng)力學(xué)方程為：式中yCO和yCO2為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率，0.1MPa壓力及700K時(shí)反響速率常數(shù)kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化劑的比外表積為30m2/g，堆密度為1.13g/cm3，試計(jì)算：〔1〕以反響體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kV?！?〕以反響相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kg?！?〕以分壓表示反響物系組成時(shí)的速率常數(shù)kg?！?〕以摩爾濃度表示反響物系組成時(shí)的速率常數(shù)kC。解：利用〔2.10〕式及〔2.28〕式可求得問題的解。注意題中所給比外表的單位換算成m2/m3。2.4在等溫下進(jìn)展液相反響A+B→C+D，在該條件下的反響速率方程為：假設(shè)將A和B的初始濃度均為3mol/l的原料混合進(jìn)展反響，求反響4min時(shí)A的轉(zhuǎn)化率。解：由題中條件知是個(gè)等容反響過程，且A和B的初始濃度均相等，即為1.5mol/l，故可把反響速率式簡(jiǎn)化，得由〔2.6〕式可知代入速率方程式化簡(jiǎn)整理得積分得解得XA=82.76%。2.5氨合成塔入口的氣體組成為3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。該塔是在30MPa壓力下操作。催化劑床層中某處的溫度為490℃，反響氣體中氨含量為10%〔mol〕，試計(jì)算該處的反響速率。在Fe催化劑上氨合成反響速率式為：逆反響的活化能。450℃時(shí)，且，490℃時(shí)，Kp可按下式計(jì)算：注：m3為標(biāo)準(zhǔn)立方米。解：題中給出450℃時(shí)的k2值，而反響是在490℃下，故首先要求出490℃時(shí)的k2值。利用〔2.27〕試，求出頻率因子A:490℃的Kp值由題給公式計(jì)算出求k1值：求各組分的分壓值：各組分的分率及分壓值為NH310%pNH3=3MPaN219.06%pN2=5.718MPaH257.18%pH2=17.15MPaAr+CH413.79%pAr+CH4=4.137MPa反響速率為：2.6下面是兩個(gè)反響的T-X圖，圖中AB是平衡曲線，NP是最正確溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖答復(fù)：〔1〕是可逆反響還是不可逆反響〔2〕是放熱反響還是吸熱反響〔3〕在等溫線上，A,D,O,E,M點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最小〔4〕在等轉(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,F及B點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最小〔5〕在C,R兩點(diǎn)中，誰的速率大〔6〕根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大解：圖2.1圖2.2〔1〕可逆反響可逆反響〔2〕放熱反響吸熱反響(3)M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小(4)O點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小H點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小(5)R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率(6)M點(diǎn)速率最大根據(jù)等速線的走向來判斷H,M點(diǎn)的速率大小。2.7在進(jìn)展一氧化碳變換反響動(dòng)力學(xué)研究中，采用B106催化劑進(jìn)展試驗(yàn)，測(cè)得正反響活化能為,如果不考慮逆反響，試問反響溫度是550℃時(shí)的速率比反響溫度是400℃時(shí)的速率大多少倍解：從題中可知，反響條件除了溫度不同外，其它條件都一樣，而溫度的影響表現(xiàn)在反響速率常數(shù)k上，故可用反響速率常數(shù)之比來描述反響速率之比。2.8常壓下，在釩催化劑上進(jìn)展SO2氧化反響，原料氣組成為7%O2及82%N2。試計(jì)算轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的最正確溫度。二氧化硫在釩催化劑上氧化的正反響活化能為，化學(xué)計(jì)量數(shù)等于2，反響式為：其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為：該反響的熱效應(yīng)。解：〔1〕求出轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)各組分的分壓：以100mol為基準(zhǔn)xSO2O2SO3N2∑07.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-5.6×0.5=8.25.6082.097.2〔2〕求與上述組成對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)KP值：(3)求平衡溫度Te(4)利用〔2.31〕式求逆反響活化能值(5)利用〔2.31〕式求最正確溫度TOP2.9在一恒容反響器中進(jìn)展以下液相反響：式中rR,rD分別表示產(chǎn)物R及D的生成速率。反響用的原料為A與B的混合物，其中A的濃度為2kmol/m3，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率到達(dá)95%時(shí)所需的反響時(shí)間。解：反響物A的消耗速率應(yīng)為兩反響速率之和，即利用〔2.6〕式積分之2.10在催化劑上進(jìn)展三甲基苯的氫解反響：反響器進(jìn)口原料氣組成為66.67%H2,33.33%三甲基苯。在0.1Mpa及523K下等溫反響，當(dāng)反響器出口三甲基苯的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，其混合氣體的氫含量為20%，試求：〔1〕此時(shí)反響器出口的氣體組成。〔2〕假設(shè)這兩個(gè)反響的動(dòng)力學(xué)方程分別為：則出口處二甲基苯的生成速率是多少解：以100mol為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè)X為三甲基苯的轉(zhuǎn)化率，Y為生成的甲苯摩爾數(shù)?！?〕用物料衡算求出口氣體組成：組分名稱X=0時(shí)X=0.8時(shí)三甲基苯(A)33.3333.33〔1-X〕氫〔B〕66.6766.67-33.33X-Y二甲基苯(C)033.33X-Y甲烷(D)033.33X+Y甲基苯〔E〕0Y∑100.0100.0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解得Y=66.67-33.33×0.8-20=20.01kmol〔甲苯量〕生成的二甲基苯量：33.33×0.8-20.01=6.654kmol生成的甲烷量：33.33×0.8+20.01=46.67kmol剩余的三甲基苯量：33.33×〔1-0.8〕=6.666kmol氫氣含量為：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%?！?〕由題給條件可知，三甲基苯的出口濃度為：2.11在210℃等溫下進(jìn)展亞硝酸乙脂的氣相分解反響：該反響為一級(jí)不可逆反響，反響速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為，假設(shè)反響是在恒容下進(jìn)展，系統(tǒng)的起始總壓為0.1013MPa，采用的是純亞硝酸乙脂，試計(jì)算亞硝酸乙脂分解率為80%時(shí)，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。假設(shè)采用恒壓反響，乙醇的生成速率又是多少解：〔1〕恒容過程，其反響式可表示為：反響速率式表示為：設(shè)為理想氣體，反響物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，由于反響前后摩爾數(shù)有變化，是個(gè)變?nèi)葸^程，由〔2.49〕式可求得總摩爾數(shù)的變化。由于反響物是純A，故有：yA0=1。由〔2.52〕式可求得組分的瞬間濃度：乙醇的生成速率為：2.12甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750℃等溫下的轉(zhuǎn)化反響為：原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為1：4，假設(shè)這個(gè)反響對(duì)各反響物均為一級(jí)，k=2l/mol.s,試求：〔1〕反響在恒容下進(jìn)展，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa，當(dāng)反響器出口的CH4轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，CO2和H2的生成速率是多少〔2〕反響在恒壓下進(jìn)展，其他條件如〔1〕，CO2的生成速率又是多少解：〔1〕由題意可將反響速率表示為：對(duì)于恒容過程，則有當(dāng)XA0=0.8時(shí)〔2〕對(duì)于恒壓過程，是個(gè)變?nèi)莘错戇^程，由〔2.49〕式可求得總摩爾數(shù)的變化反響物A的原始分率：由〔2.52〕式可求得轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的濃度：2.13在473K等溫及常壓下進(jìn)展氣相反響：〔1〕〔2〕〔3〕式中CA為反響物A的濃度〔mol/l〕，原料中A和惰性氣體各為一半〔體積比〕，試求當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時(shí)，其轉(zhuǎn)化速率是多少解：方法〔1〕，先求出總摩爾變化數(shù)。首先將產(chǎn)物的生成速率變?yōu)閷?duì)應(yīng)的反響物的轉(zhuǎn)化速率：總反響速率為：以一摩爾反響物A為基準(zhǔn)，總摩爾變化數(shù)為：初始濃度為：則有方法〔2〕，可將CA表示為：方法〔3〕，利用物料衡算可分別求出反響物A生成R及S的瞬間選擇性SR,SS,因而可求出產(chǎn)物R及S的收率yR,yS,求得A轉(zhuǎn)化率為85%時(shí)的分率：其中：2.14在Pt催化劑上進(jìn)展異丙苯分解反響：以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反響步驟如下：〔1〕〔2〕〔3〕假設(shè)外表反響為速率控制步驟，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，除外表反響外，其它兩步到達(dá)平衡，描述如下：以外表反響速率方程來代表整個(gè)反響的速率方程：由于將代入上式得：整理得：將代入速率方程中其中2.15在銀催化劑上進(jìn)展乙烯氧化反響：化作其反響步驟可表示如下：〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕假設(shè)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，除外表反響步驟外，其余近似到達(dá)平衡，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：整個(gè)反響的速率方程以外表反響的速率方程來表示：根據(jù)總覆蓋率為1的原則，則有：或整理得：將代入反響速率方程，得：其中2.16設(shè)有反響，其反響步驟表示如下：〔1〕〔2〕〔3〕假設(shè)〔1〕速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：先寫出各步的速率式：由于〔1〕是速率控制步驟，第〔2〕步是不可逆反響，其反響速率應(yīng)等于〔1〕的吸附速率，故有：整理得：根據(jù)定態(tài)近似原則因?yàn)閷⒋肷鲜?，化?jiǎn)后得：最后將代入吸附速率式，即為該反響的動(dòng)力學(xué)方程式。2.17一氧化碳變換反響：在較低溫度下，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：試擬定該反響的適宜的反響步驟。解：根據(jù)題意，假設(shè)反響步驟如下：并假設(shè)第二步是控制步驟，其速率方程就代表了整個(gè)反響的速率方程：其余的兩步可認(rèn)為到達(dá)平衡，則有：由于，有：將代入速率式，得：式中。故上述假定與題意符合。但上述假定的反響步驟不是唯一的。2.18利用習(xí)題2.1的數(shù)據(jù)，試用積分法和微分法求其動(dòng)力學(xué)方程。解：先用積分法求其動(dòng)力學(xué)方程。設(shè)為一級(jí)不可逆反響，其速率表達(dá)式為：積分得：用～t作圖。t(h)0123456789

0

0.442

0.831

1.253

1.609

2.108

2.457

2.862

3.438

3.843作圖得一直線，其斜率為0.425h-1，故假設(shè)一級(jí)反響是合理的，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：用微分法求解動(dòng)力學(xué)方程首先用CA～t曲線，在曲線上取時(shí)間為0，1，2，……9h所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切線，為了準(zhǔn)確可采用鏡面法，求得各切線的斜率即為對(duì)應(yīng)的dCA/dt之值，然后再以dCA/dt～CA作圖，所求的dCA/dt值如下表所示：t(h)0123456789CA(mol/l)1.400.900.610.400.280.170.120.080.0450.03dCA/dt(mol/l.h)0.700.450.2950.1910.1470.0950.060.0330.0250.015設(shè)為一級(jí)不可逆反響，用dCA/dt～CA作圖得一直線，其斜率為0.5h-1，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：或?qū)⑺俾史匠讨本€化，即兩邊取對(duì)數(shù)，得：可簡(jiǎn)化為y=b+ax形式，利用多元回歸，可求得反響級(jí)數(shù)n=1.004≈1，反響速率常數(shù)值為k=0.4996。還可用一數(shù)學(xué)公式來擬合CA～t曲線，然后再將該數(shù)學(xué)公式對(duì)t求導(dǎo)，求得dCA/dt之值，此法會(huì)比作圖法來的準(zhǔn)確。2.19在Ni催化劑上進(jìn)展甲烷化反響：由實(shí)驗(yàn)測(cè)得200℃時(shí)甲烷的生成速率RCH4及CO和H2的分壓pCO,pH2的關(guān)系如下：pCO(MPa)0.100.180.4080.721.05pH2(MPa)0.10130.10130.10130.10130.1013RCH4假設(shè)該反響的動(dòng)力學(xué)方程可用冪函數(shù)表示，試用最小二乘法求一氧化碳的反響級(jí)數(shù)及正反響速率常數(shù)。解：由題意可寫出速率方程式：但由于氫的分壓保持為0.1013MPa的恒定值，反響速率式可簡(jiǎn)化為：式中。將速率式直線化：或式中，由殘差平方和最小而導(dǎo)出最小二乘法的系數(shù)計(jì)算式：序號(hào)yxx2xy1-4.916-2.3035.30211.322-4.328-1.7152.9417.4213-3.507-0.8970.8043.1444-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0490.002-0.125∑-18.26-5.2939.15722.73將累加值代入a,b系數(shù)式中，得：2.20在鉑催化劑上，乙烯深度氧化的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：式中pA,pB分別表示乙烯及氧的分壓。在473K等溫下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：號(hào)pA×103MPapB×103MPar×104mol/g.min18.9903.2300.672214.223.0001.07238.8604.0800.59848.3202.0300.71354.3700.8900.61067.7501.7400.83477.7501.8200.82886.1701.7300.65696.1301.7300.694106.9801.5600.791112.8701.0600.418試求該溫度下的反響速率常數(shù)k和吸附平衡常數(shù)KB。解：首先將動(dòng)力學(xué)方程式直線化：或y=b+ax。其中序號(hào)yx×103x2×105xy×103r〞×104δ,%10.6573.3201.0432.1230.6780.9020.6313.0000.9001.8921.1265.030.7784.0801.6653.1720.5685.040.4872.0200.4120.9880.82916.350.2530.8900.0790.2250.5824.660.4021.7400.3030.7000.8330.170.4131.8200.3310.7510.8161.480.4031.7300.2990.6980.6651.490.3911.7300.2990.6760.6614.8100.3711.5600.2430.5790.7870.5110.2701.0600.1120.2860.36911.7∑5.05622.875.66812.09

平均偏差，結(jié)果是令人滿意的。3釜式反響器3.1在等溫間歇反響器中進(jìn)展乙酸乙酯皂化反響：該反響對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反響開場(chǎng)時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反響速率常數(shù)等于5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率到達(dá)95%。試問：〔1〕當(dāng)反響器的反響體積為1m3時(shí)，需要多長(zhǎng)的反響時(shí)間〔2〕假設(shè)反響器的反響體積為2m3，，所需的反響時(shí)間又是多少解：〔1〕(2)因?yàn)殚g歇反響器的反響時(shí)間與反響器的大小無關(guān)，所以反響時(shí)間仍為2.83h。3.2擬在等溫間歇反響器中進(jìn)展氯乙醇的皂化反響：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20㎏/h，使用15%〔重量〕的NaHCO3水溶液及30%〔重量〕的氯乙醇水溶液作原料，反響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。該反響對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí)，在反響溫度下反響速率常數(shù)等于5.2l/mol.h，要求轉(zhuǎn)化率到達(dá)95%?！?〕假設(shè)輔助時(shí)間為0.5h，試計(jì)算反響器的有效體積；〔2〕假設(shè)裝填系數(shù)取0.75，試計(jì)算反響器的實(shí)際體積。解：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：反響時(shí)間：反響體積：〔2〕反響器的實(shí)際體積：3.3丙酸鈉與鹽酸的反響：為二級(jí)可逆反響〔對(duì)丙酸鈉和鹽酸均為一級(jí)〕，在實(shí)驗(yàn)室中用間歇反響器于50℃等溫下進(jìn)展該反響的實(shí)驗(yàn)。反響開場(chǎng)時(shí)兩反響物的摩爾比為1，為了確定反響進(jìn)展的程度，在不同的反響時(shí)間下取出10ml反響液用0.515N的NaOH溶液滴定，以確定未反響鹽酸濃度。不同反響時(shí)間下，NaOH溶液用量如下表所示：時(shí)間，min010203050∝NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5現(xiàn)擬用與實(shí)驗(yàn)室反響條件一樣的間歇反響器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要到達(dá)平衡轉(zhuǎn)化率的90%。試計(jì)算反響器的反響體積。假定〔1〕原料裝入以及加熱至反響溫度〔50℃〕所需的時(shí)間為20min，且在加熱過程中不進(jìn)展反響；〔2〕卸料及清洗時(shí)間為10min；〔3〕反響過程中反響物密度恒定。解：用A,B,R,S分別表示反響方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸的濃度〔也就是丙酸鈉的濃度，因?yàn)槠溆?jì)量比和投量比均為1：1〕為：于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)化率：現(xiàn)以丙酸濃度對(duì)時(shí)間作圖：由上圖，當(dāng)CA=0.0515×14.7mol/l時(shí)，所對(duì)應(yīng)的反響時(shí)間為48min。由于在同樣條件下，間歇反響器的反響時(shí)間與反響器的大小無關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反響器的反響時(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：反響器體積：實(shí)際反響體積：3.4在間歇反響器中，在絕熱條件下進(jìn)展液相反響：其反響速率方程為：式中組分A及B的濃度CA及CB以kmol/m3為單位，溫度T的單位為K。該反響的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反響開場(chǎng)時(shí)溶液不含R，組分A和B的濃度均等于0.04kmol/m3，反響混合物的平均熱容按4.102kJ/m3.K計(jì)算。反響開場(chǎng)時(shí)反響混合物的溫度為50℃?！?〕試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時(shí)所需的反響時(shí)間及此時(shí)的反響溫度?！?〕如果要求全部反響物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R，是否可能為什么解：(1)〔由數(shù)值積分得出〕(2)假設(shè)A全部轉(zhuǎn)化為R,即XA=1.0,則由上面的積分式知，t→∝,這顯然是不可能的。3.5在間歇反響器中進(jìn)展液相反響：A的初始濃度為0.1kmol/m3,C，D的初始濃度為零，B過量，反響時(shí)間為t1時(shí)，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038kmol/m3，而反響時(shí)間為t2時(shí)，CA=0.01kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，試求：〔1〕k2/k1;〔2〕產(chǎn)物C的最大濃度；〔3〕對(duì)應(yīng)C的最大濃度時(shí)A的轉(zhuǎn)化率。解：(1)因?yàn)锽過量，所以：恒容時(shí)：〔A〕(B)〔B〕式除以〔A〕式得：解此微分方程得：〔C〕將t1,CA,CC及t2,CA,CC數(shù)據(jù)代入〔C〕式化簡(jiǎn)得：解之得：(2)先求出最大轉(zhuǎn)化率:(3)產(chǎn)物C的最大收率：產(chǎn)物C的最大濃度：3.6在等溫間歇反響器中進(jìn)展液相反響初始的反響物料中不含A2和A3，A1的濃度為2mol/l，在反響溫度下k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。試求:〔1〕反響時(shí)間為1.0min時(shí)，反響物系的組成?！?〕反響時(shí)間無限延長(zhǎng)時(shí)，反響物系的組成?！?〕將上述反響改為反響時(shí)間無限延長(zhǎng)時(shí)，反響物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反響情況，可分別列出微分方程，然后進(jìn)展求解。但仔細(xì)分析這兩種情況，其實(shí)質(zhì)是下述反響的特例：(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〕即為書講的一級(jí)不可逆連串反響?？梢娭灰玫健睞〕式的解，則可容易化簡(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：(1)(2)(3)由題意知初始條件為：(4)聯(lián)立求解此微分方程組可得：(5)(6)(7)式中，由如下式確定：(8)(9)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對(duì)此題進(jìn)展計(jì)算：〔1〕由〔5〕～〔9〕式得〔2〕當(dāng)t→∝時(shí)，由〔5〕～〔9〕式得〔3〕此時(shí)為的情況，當(dāng)t→∝時(shí)，由得：3.7擬設(shè)計(jì)一反響裝置等溫進(jìn)展以下液相反響：目的產(chǎn)物為R，B的價(jià)格遠(yuǎn)較A貴且不易回收，試問：〔1〕若何選擇原料配比〔2〕假設(shè)采用多段全混流反響器串聯(lián)，何種加料方式最好〔3〕假設(shè)用半間歇反響器，加料方式又若何解：〔1〕由上式知，欲使S增加，需使CA低，CB高，但由于B的價(jià)格高且不易回收，故應(yīng)按主反響的計(jì)量比投料為好?！?〕保證CA低，CB高，故可用以以以下圖所示的多釜串聯(lián)方式：〔3〕用半間歇反響器，假設(shè)欲使CA低，CB高，可以將B一次先參加反響器，然后滴加A.3.8在一個(gè)體積為300l的反響器中86℃等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液分解：生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反響為一級(jí)反響，反響溫度下反響速率常數(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?！?〕如果這個(gè)反響器是間歇操作反響器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為15min;〔2〕如果是全混流反響器；〔3〕試對(duì)比上二問的計(jì)算結(jié)果；〔4〕假設(shè)過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果若何解：〔1〕苯酚濃度苯酚產(chǎn)量〔2〕全混流反響器苯酚產(chǎn)量〔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響物濃度低，反響速度慢的原因?！?〕由于該反響為一級(jí)反響，由上述計(jì)算可知，無論是間歇反響器或全混流反響器，其原料處理量不變，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩個(gè)反響器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.9在間歇反響器中等溫進(jìn)展以下液相反響：rD及rR分別為產(chǎn)物D及R的生成速率。反響用的原料為A及B的混合液，其中A的濃度等于2kmol/m3。〔1〕計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)所需的反響時(shí)間；〔2〕A的轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)，R的收率是多少〔3〕假設(shè)反響溫度不變，要求D的收率達(dá)70%，能否辦到〔4〕改用全混反響器操作，反響溫度與原料組成均不改變，保持空時(shí)與〔1〕的反響時(shí)間一樣，A的轉(zhuǎn)化率是否可到達(dá)95%〔5〕在全混反響器中操作時(shí)，A的轉(zhuǎn)化率如仍要求到達(dá)95%，其它條件不變，R的收率是多少〔6〕假設(shè)采用半間歇操作，B先放入反響器內(nèi)，開場(chǎng)反響時(shí)A按〔1〕計(jì)算的時(shí)間均速參加反響器內(nèi)。假設(shè)B的量為1m3，A為0.4m3，試計(jì)算A加完時(shí)，組分A所能到達(dá)的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：〔1〕第二章2.9題已求出t=0.396h=24.23min(2)(3)假設(shè)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：這說明能使D的收率到達(dá)70%〔4〕對(duì)全混流反響器，假設(shè)使τ=t=0.3958h,則有解之得：CA=0.4433所以：這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到95%。〔5〕對(duì)全混流反響器，假設(shè)X=0.95,則R的收率為：〔6〕依題意知半間歇式反響器屬于連續(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(shí)間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：對(duì)A:〔1〕對(duì)R:〔2〕〔3〕在反響時(shí)間〔t=0.4038h,為方便起見取t≈0.4h〕內(nèi)將0.4m3的A均速參加反響器內(nèi)，故采用間歇釜操作時(shí)，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，故可算出原料A的濃度為：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,CA=0,CR=0可用龍格---庫塔法進(jìn)展數(shù)值求解。取步長(zhǎng)△t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h時(shí)的CA和CR可以進(jìn)展A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計(jì)算：式中VA為所參加的A的體積，且VA=0.4m3;CA0為所參加的A的濃度，且CA0=7kmol/m3；V為反響完畢時(shí)物系的體積，V=1.4m3。同理可以計(jì)算出R的收率：3.10在兩個(gè)全混流反響器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進(jìn)展液相反響：加料中組分A的濃度為0.2kmol/m3,流量為4m3/h,要求A的最終轉(zhuǎn)化率為90%，試問：〔1〕總反響體積的最小值是多少〔2〕此時(shí)目的產(chǎn)物B的收率是多少〔3〕如優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改為B的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少此時(shí)總反響體積最小值是多少解：〔1〕對(duì)上式求dVr/dXA1=0可得：將XA2=0.9代入上式，則解之得XA1=0.741所以總反響體積的最小值為(2)即解得CB1=0.005992kmol/m3同理解得CB2=0.00126kmol/m3B的收率：(3)目標(biāo)函數(shù)改為B的收率，這時(shí)的計(jì)算步驟如下：對(duì)于第i個(gè)釜，組分A,B的衡算方程分別為：對(duì)A:對(duì)B:當(dāng)i=1時(shí)，〔1〕〔2〕當(dāng)i=2時(shí)，〔3〕〔4〕由〔1〕式解出CA1代入〔2〕式可解出CB1;由〔1〕式解出CA1代入〔3〕式可解出CA2;將CB1及CA2代入〔4〕式可解出CB2,其為τ1,τ2的函數(shù)，即〔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τ1及τ2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時(shí)反響器系統(tǒng)的總體積。將τ1,τ2代入〔5〕式即可求出B的最高濃度，從而可進(jìn)一步求出YBmaX.將τ1,τ2代入CA2，則由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率。3.11在反響體積為490cm3的CSTR中進(jìn)展氨與甲醛生成烏洛托品的反響：式中〔A〕--NH3,(B)—HCHO,反響速率方程為：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)入反響器，反響溫度可取為36℃，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率XA及反響器出口物料中氨和甲醛的濃度CA及CB。解：即得：整理得：解得：XAf=0.821反響器出口A,B得濃度分別為：3.12在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h的乙醇和1.8kg.h的醋酸進(jìn)展可逆反響。各個(gè)反響器的體積均為0.01m3，反響溫度為100℃，酯化反響的速率常數(shù)為4.76×10-4l/mol.min,逆反響〔酯的水解〕的速率常數(shù)為1.63×10-4l/mol.min。反響混合物的密度為864kg/m3,欲使醋酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)60%，求此串聯(lián)系統(tǒng)釜的數(shù)目。解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B,C,D分別代表乙酸，乙酸乙酯和水。由計(jì)量關(guān)系得：從條件計(jì)算出：將上述數(shù)據(jù)代入〔A〕式，化簡(jiǎn)后得到：假設(shè)i=1,則〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭僭O(shè)i=2,則〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭僭O(shè)i=3,則〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭矗喝?lián)能滿足要求。3.13以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反響可制得醋酸丁酯。倉庫里閑置著兩臺(tái)反響釜，一臺(tái)的反響體積為3m3,另一臺(tái)則為1m3。現(xiàn)擬將它們用來生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的0.濃度為0.15kmol/m3，丁酯則大量過剩，該反響對(duì)醋酸為2級(jí)，在反響溫度下反響速率常數(shù)等于1.2m3/h.kmol，要求醋酸的最終轉(zhuǎn)化率不小于50%，這兩臺(tái)反響釜可視為全混反響器，你認(rèn)為采用若何的串聯(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醋酸丁酯產(chǎn)量。如果進(jìn)展的反響是一級(jí)反響，這兩臺(tái)反響器的串聯(lián)方式又應(yīng)若何解：因?yàn)榉错懠?jí)數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應(yīng)當(dāng)是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進(jìn)展計(jì)算：二式聯(lián)立化簡(jiǎn)后得到：〔將XA2=0.5代入〕解之得：XA1=0.223醋酸丁酯產(chǎn)量=如果進(jìn)展的是一級(jí)反響，可進(jìn)展如下計(jì)算：〔1〕小反響器在前，大反響器在后:聯(lián)立二式，且將XA2=0.5代入，化簡(jiǎn)后得到:解得：XA1=0.1771所以有：醋酸丁酯產(chǎn)量=(2)大反響器在前，小反響器在后:解得XA1=0.3924所以有：產(chǎn)量同前。說明對(duì)此一級(jí)反響，連接方式?jīng)]有影響。3.14等溫下進(jìn)展1.5級(jí)液相不可逆反響：。反響速率常數(shù)等于5m1.5/kmol1.5.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反響裝置的流量為1.5m3/h，試分別計(jì)算以下情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)所需的反響體積：〔1〕全混流反響器;(2)兩個(gè)等體積的全混流反響器串聯(lián)；〔3〕保證總反響體積最小的前提下，兩個(gè)全混流反響器串聯(lián)。解：〔1〕全混流反響器〔2〕兩個(gè)等體積全混流反響器串聯(lián)由于，所以由上二式得：將XA2=0.95代入上式，化簡(jiǎn)后得到XA1=0.8245，所以：串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：〔3〕此時(shí)的情況同〔1〕，即3.15原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反響體積為20m3的全混流反響器，進(jìn)展液相反響：CA,CR為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，rD為D的生成速率。原料中A的濃度等于0.1kmol/m3，反響溫度下，k1=0.1min-1，k2=1.25m3/kmol.min,試計(jì)算反響器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：所以：即為：3.16在全混流反響器中等溫進(jìn)展以下液相反響：進(jìn)料速率為360l/h,其中含25%A,5%C〔均按質(zhì)量百分率計(jì)算〕，料液密度等于0.69g/cm3。假設(shè)出料中A的轉(zhuǎn)化率為92%，試計(jì)算：〔1〕所需的反響體積；〔2〕B及D的收率。操作溫度下，k1=6.85×10-5l/mol.s;k2=1.296×10-9s-1;;k3=1.173×10-5l/mol.s;B的分子量為140；D的分子量為140。解：因MB=MD=140,所以MA=MC=70〔1〕〔2〕〔3〕由〔2〕，〔3〕式分別得：〔4〕〔5〕將〔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〕反響體積〔2〕將τ代入〔4〕式得，所以B的收率為：對(duì)A作物料衡算：所以有：所以D的收率為：3．17在CSTR中進(jìn)展下述反響：〔1〕〔2〕〔3〕如果k1/k2=8,k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯對(duì)苯的加料比=1.4，k1τ=1l/mol,(τ為空時(shí))，試計(jì)算反響器出口B,M,D,T,C的濃度。各個(gè)反響對(duì)各反響物均為一級(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：(7)由〔3〕式得：(8)將〔1〕,(7),〔8〕式代入〔6〕得：整理得：解得：CC=0.908kmol/m3代入〔1〕式得：代入〔7〕式得：代入〔8〕式得：代入〔4〕式得：驗(yàn)證：即：3．18根據(jù)例題3.12中規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，使用圖解法分析此反響條件下是否存在多定態(tài)點(diǎn)如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使原料以0.001m3/s的流速連續(xù)進(jìn)入反響器，其它條件不變，試討論定態(tài)問題，在什么情況下出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)是否可能實(shí)現(xiàn)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：〔4〕〔4〕代入〔2〕式得：〔5〕由〔1〕式及〔5〕式作圖得：T326330340350360362.5365367.5370qg44.163.87149.7314.8586.7670.8756.8851.8942.1由上圖可知，此反響條件下存在著兩個(gè)定態(tài)點(diǎn)。如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使Q0=0.001m3/s,而保持其它條件不變，則這時(shí)的移熱速率線如q’r所示。由圖可知，q’r與qg線無交點(diǎn)，即沒有定態(tài)點(diǎn)。這說明采用上述條件是行不通的。從例3.11可知，該反響溫度不得超過373K，因此從圖上知，不可能出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)的情況。3．19根據(jù)習(xí)題3.3所規(guī)定的反響及給定數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問：〔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〔2〕假設(shè)丙酸鈉的轉(zhuǎn)換率和丙酸產(chǎn)量不變，所需空時(shí)為多少能否直接應(yīng)用3.3中的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時(shí)?〔3〕假設(shè)把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時(shí)間為〔2〕中單釜操作時(shí)平均停留時(shí)間的三分之一，試預(yù)測(cè)所能到達(dá)的轉(zhuǎn)化率。解：〔1〕在操作條件均不變時(shí)，用習(xí)題3.3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,則可求出空時(shí)為τ=4512/57.84=78min。此即間歇操作時(shí)的(t+t0)。當(dāng)改為連續(xù)操作時(shí)，轉(zhuǎn)化率下降了，所以反響器出口丙酸的濃度也低于間歇反響器的結(jié)果。因Q0維持不變，故最后必然導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降。這是由于在連續(xù)釜中反響速率變低的緣故?！?〕假設(shè)維持XA=0.72，則可由3.3題中的數(shù)據(jù)得出XA=0.72時(shí)所對(duì)應(yīng)的反響速率，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Q0不能變，必須將反響器體積增大至14240l才行?！?〕這時(shí)τ1=τ/3=82.1min。利用3.3題中的數(shù)據(jù)，可求出RA～XA之關(guān)系，列表如下：XA00.10.20.40.60.8-RA0.17190.13910.10960.060160.023630故可用作圖法求此串聯(lián)三釜最終轉(zhuǎn)化率。第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為：XA3=0.787。3．20根據(jù)習(xí)題3.8所規(guī)定的反響和數(shù)據(jù)，在單個(gè)全混流反響器中轉(zhuǎn)化率為98.9%，如果再有一個(gè)一樣大小的反響釜進(jìn)展串聯(lián)或并聯(lián)，要求到達(dá)同樣的轉(zhuǎn)化率時(shí)，生產(chǎn)能力各增加多少解：〔1〕二個(gè)300l全混串聯(lián)釜，XA2=0.989，〔1〕〔2〕解得：XA1=0.8951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)化率一樣，故生產(chǎn)能力增加168.7/16.02=10.53倍?！?〕二個(gè)300l釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率一樣時(shí)，Q0增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。3．21在反響體積為0.75m3的全混流反響器中進(jìn)展醋酐水解反響，進(jìn)料體積流量為0.05m3/min,醋酐濃度為0.22kmol/m3,溫度為25℃,出料溫度為36℃，該反響為一級(jí)不可逆放熱反響，反響熱效應(yīng)等于-209kJ/mol,反響速率常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：k=1.8×10-7exp(-5526/T),min-1反響物料的密度為常數(shù)，等于1050kg/m3,熱容可按2.94kJ/kg.℃計(jì)算。該反響器沒有安裝換熱器，僅通過反響器壁向大氣散熱。試計(jì)算：(1)反響器出口物料中醋酐的濃度；(2)單位時(shí)間內(nèi)反響器向大氣散出的熱量。解：〔1〕求轉(zhuǎn)化率：解得:XAf=0.8221反響器出口物料中醋酐濃度：〔2〕單位時(shí)間內(nèi)反響器向大氣散出的熱量：3．22在反響體積為1m3的釜式反響器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反響生產(chǎn)丙二醇-1，2：該反響對(duì)環(huán)氧丙烷為一級(jí)，反響溫度下反響速率常數(shù)等于0.98h-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(zhuǎn)化率為90%。〔1〕假設(shè)采用間歇操作，輔助時(shí)間為0.65h,則丙二醇-1，2的日產(chǎn)量是多少〔2〕有人建議改在定態(tài)下連續(xù)操作，其余條件不變，則丙二醇-1，2的日產(chǎn)量又是多少〔3〕為什么這兩種操作方式的產(chǎn)量會(huì)有不同解：〔1〕一級(jí)不可逆反響：所以Q0=0.109m3/h丙二醇的濃度=丙二醇的產(chǎn)量=(2)采用定態(tài)下連續(xù)操作所以Q0=0.109m3/h丙二醇的產(chǎn)量=〔3〕因連續(xù)釜在低的反響物濃度下操作，反映速率慢，故產(chǎn)量低。3．23根據(jù)習(xí)題3.11所規(guī)定的反響和數(shù)據(jù)，并假定反響過程中溶液密度恒定且等于1.02g/cm3,平均熱容為4.186kJ/kg.K,忽略反響熱隨溫度的變化，且為-2231kJ/kg烏洛托品，反響物料入口溫度為25℃。問：〔1〕絕熱溫升是多少假設(shè)采用絕熱操作能否使轉(zhuǎn)化率到達(dá)80%操作溫度為多少〔2〕在100℃下等溫操作，換熱速率為多少解：〔1〕絕熱升溫：由物料衡算式〔見3.11解答〕：由熱量衡算式得：T=298+37.13XA。聯(lián)立求解可得：XA=0.8578>0.8，T=329.9K可見，絕熱操作時(shí)轉(zhuǎn)化率可以到達(dá)80%?！?〕T0=298K,在T=373K下等溫操作，由物料衡算式可求出轉(zhuǎn)化率：所以有：XA=0.9052由〔3.87〕式可得物系與環(huán)境交換的熱量：由上式知TC>T,說明應(yīng)向反響器供熱。3．24某車間采用連續(xù)釜式反響器進(jìn)展已二酸和已二醇的縮聚反響，以生產(chǎn)醇酸樹酯。在正常操作條件下〔反響速度，進(jìn)出口流量等〕，已二酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%。某班從分析知，轉(zhuǎn)化率下降到70%，檢查發(fā)現(xiàn)釜底料液出口法蘭處漏料，經(jīng)搶修后，溫度流量均保持正常操作條件。但轉(zhuǎn)化率仍不能提高，試分析其原因。若何使轉(zhuǎn)化率提高到80%解：根據(jù)上述情況，可能是反響器的攪拌系統(tǒng)有些問題，導(dǎo)致反響器內(nèi)部存在死區(qū)或局部物料走了短路，這些均可導(dǎo)致反響器的效率降低，從而使轉(zhuǎn)化率下降。4管式反響器4.1在常壓及800℃等溫下在活塞流反響器中進(jìn)展以下氣相均相反響：在反響條件下該反響的速率方程為：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。假設(shè)反響器的直徑為50mm，試計(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)的反響器長(zhǎng)度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反響為恒容過程，原料甲苯與氫的摩爾比等于1，即：，則有：示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中：所以，所需反響器體積為：所以，反響器的長(zhǎng)度為：4.2根據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流反響器生產(chǎn)乙二醇，試計(jì)算所需的反響體積，并與間歇釜式反響器進(jìn)展對(duì)比。解：題給條件說明該反響為液相反響，可視為恒容過程，在習(xí)題3.2中已算出：所以，所需反響器體積：由計(jì)算結(jié)果可知，活塞流反響器的反響體積小，間歇釜式反響器的反響體積大，這是由于間歇式反響器有輔助時(shí)間造成的。4.31.013×105Pa及20℃下在反響體積為0.5m3的活塞流反響器進(jìn)展一氧化氮氧化反響：式中的濃度單位為kmol/m3。進(jìn)氣組成為10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,假設(shè)進(jìn)氣流量為0.6m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)狀況下〕，試計(jì)算反響器出口的氣體組成。解：由NO氧化反響計(jì)量方程式可知此過程為變?nèi)葸^程，其設(shè)計(jì)方程為：〔A〕示中A,B分別代表NO和O2。由題意可知，假設(shè)能求得出口轉(zhuǎn)化率，由〔2.54〕式得：便可求出反響器出口氣體組成。：所以，反響速率為：再將有關(guān)數(shù)據(jù)代入〔A〕式：〔B〕用數(shù)值積分試差求得：因此，另：此題由于惰性氣體N2占80%，故此反響過程可近似按恒容過程處理，也不會(huì)有太大的誤差。4.4在內(nèi)徑為76.2mm的活塞流反響器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：反響壓力及溫度分別為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。反響速率方程如下：式中pA為乙烷分壓。在815℃時(shí)，速率常數(shù)，平衡常數(shù)，假定其它副反響可忽略，試求：〔1〕此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率；〔2〕乙烷的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50%時(shí)，所需的反響管長(zhǎng)。解：〔1〕設(shè)下標(biāo)A—乙烷，B—乙烯，H—?dú)洹４藯l件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求?。杭僭O(shè)以1摩爾C2H6為基準(zhǔn)，反響前后各組分的含量如下：反響前10012平衡時(shí)1-XeXeXe12+Xe因此，平衡時(shí)各組分分壓為：將其代入平衡式有：解此一元二次方程得：〔2〕所需的反響管長(zhǎng)：首先把反響速率方程變?yōu)橐员ＷC速率方程的單位與物料衡算式相一致。：代入物料衡算式有其反響管長(zhǎng)：4.5于277℃，1.013×105Pa壓力下在活塞流反響器進(jìn)展氣固相催化反響:催化劑的堆密度為700kg/m3,在277℃時(shí)，B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響體積時(shí)多少乙酸乙酯的產(chǎn)量為2083kg/h。解：由反響計(jì)量方程式知反響過程為恒容過程，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(jì)方程：采用數(shù)值積分便可得到所需的催化劑量：其反響體積為：4.6二氟一氯甲烷分解反響為一級(jí)反響:流量為2kmol/h的純CHClF2氣體先在預(yù)熱器預(yù)熱至700℃，然后在一活塞流反響器中700℃等溫下反響。在預(yù)熱器中CHClF2已局部轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率為20%。假設(shè)反響器入口處反響氣體的線速度為20m/s，當(dāng)出口處CHClF2的轉(zhuǎn)化率為40.8%時(shí)，出口的氣體線速度時(shí)多少反響器的長(zhǎng)度是多少整個(gè)系統(tǒng)的壓力均為1.013×105Pa，700℃時(shí)的反響速率常數(shù)等于0.97s-1。假設(shè)流量提高一倍，其余條件不變，則反響器長(zhǎng)度是多少解：反響歷程如以以以下圖所示：反響器反響器 預(yù)熱器 溫度T0TinTf=TiN線速度u0uinuf轉(zhuǎn)化率XA0=0XA,inXA,f該反響為變?nèi)葸^程，其中，由〔2.50〕式知：由條件，且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的線速度：其出口處氣體線速度為：由設(shè)計(jì)方程計(jì)算出反響器長(zhǎng)度：那么需求出以反響器入口為基準(zhǔn)的出口轉(zhuǎn)化率XAf。據(jù)XA=FA0-FA/FA0，可求出FA,in=1.6kmol/h,FAf=1.184kmol/h,所以，XAf=(1.6-1.184)/1.6=0.26。因而有：這是由于反響器的截面積沒有固定，固定的是反響氣體的線速度等條件，因此，當(dāng)流量提高一倍時(shí)，而其余條件不變，則反響器的長(zhǎng)度并不變，只是其截面積相應(yīng)增加。4.7擬設(shè)計(jì)一等溫反響器進(jìn)展以下液相反響：目的產(chǎn)物為R，且R與B極難別離。試問：〔1〕在原料配比上有何要求〔2〕假設(shè)采用活塞流反響器，應(yīng)采用什么樣的加料方式〔3〕如用間歇反響器，又應(yīng)采用什么樣的加料方式解：對(duì)于復(fù)合反響，選擇的原則主要是使目的產(chǎn)物R的最終收率或選擇性最大，根據(jù)動(dòng)力學(xué)特征，其瞬時(shí)選擇性為：由此式可知要使S最大，CA越小越好，而CB越大越好，而題意又給出R與B極難別離，故又要求CB不能太大，兼顧二者要求：〔1〕原料配比，如果R與B極難別離為主要矛盾，則除去第二個(gè)反響所消耗的A量外，應(yīng)按第一個(gè)反響的化學(xué)計(jì)量比配料，而且使B組分盡量轉(zhuǎn)化?！?〕假設(shè)采用PFR，應(yīng)采用如以以下圖的加料方式，即A組分沿軸向側(cè)線分段進(jìn)料，而B則在入口處進(jìn)料。〔3〕如用半間歇反響器，應(yīng)采取B一次全部參加，然后慢慢參加A組分，直到到達(dá)要求的轉(zhuǎn)化率為止。4.8在管式反響器中400℃等溫下進(jìn)展氣相均相不可逆吸熱反響，該反響的活化能等于39.77kJ/mol?，F(xiàn)擬在反響器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下〔采用等溫操作〕，增產(chǎn)35%，請(qǐng)你擬定一具體措施〔定量說明〕。設(shè)氣體在反響器內(nèi)呈活塞流。解：題意要求在反響器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：可知，Q0與反響速率常數(shù)成正比，而改變反響溫度又只與k有關(guān)，所以，提高反響溫度可使其增產(chǎn)。具體值為:解此式可得：T2=702.7K。即把反響溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35%。4.9根據(jù)習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反響器，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量，并對(duì)比不同類型反響器的計(jì)算結(jié)果。解：用活塞流反響器：將數(shù)據(jù)代入得：解得：，所以苯酚產(chǎn)量為：由計(jì)算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反響器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式反響器的產(chǎn)量。但間歇式反響器假設(shè)不計(jì)輔助時(shí)間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量一樣〔當(dāng)然要在一樣條件下對(duì)比〕。4.10根據(jù)習(xí)題3.9所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反響器，反響溫度和原料組成均保持不變，而空時(shí)與習(xí)題3.9〔1〕的反響時(shí)間一樣，A的轉(zhuǎn)化率是否可到達(dá)95%R的收率是多少解：對(duì)于恒容過程，活塞流反響器所需空時(shí)與間歇反響器的反響時(shí)間一樣，所以A的轉(zhuǎn)化率是可以到達(dá)95%的。R的收率與間歇反響器時(shí)的收率也一樣，前已算出收率為11.52%。4.11根據(jù)習(xí)題3.14所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反響器，試計(jì)算：〔1〕所需的反響體積；〔2〕假設(shè)用兩個(gè)活塞流反響器串聯(lián)，總反響體積是多少解：〔1〕用PFR時(shí)所需的反響體積：〔2〕假設(shè)用兩個(gè)PFR串聯(lián)，其總反響體積與〔1〕一樣。4.12在管式反響器中進(jìn)展氣相基元反響：，參加物料A為氣相，B為液體，產(chǎn)物C為氣體。B在管的下部，氣相為B所飽和，反響在氣相中進(jìn)展。操作壓力為1.013×105Pa，B的飽和蒸汽壓為2.532×104Pa，反響溫度340℃，反響速率常數(shù)為102m3/mol.min，計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)50%時(shí)，A的轉(zhuǎn)化速率。如A的流量為0.1m3/min，反響體積是多少解：此反響為氣相反響，從化學(xué)計(jì)量方程式看，是變?nèi)莘错戇^程，但氣相中pB為常數(shù)，故可看成恒容過程。假定為理想氣體，其中：當(dāng)XA=50%時(shí)，A的轉(zhuǎn)化速率為：當(dāng)時(shí)，所以，此時(shí)所需反響體積為：4.13在一活塞流反響器中進(jìn)展以下反響：兩反響均為一級(jí)，反響溫度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。A的進(jìn)料流量為3m3/h,其中不含P和Q，試計(jì)算P的最高收率和總選擇性及到達(dá)最大收率時(shí)所需的反響體積。解：對(duì)一級(jí)連串反響可得如下關(guān)系是：(A)假設(shè)求最高收率，即令：，可得到：將(XA)m代入〔A〕式得最高收率：P的總選擇性：到達(dá)最大收率時(shí)的反響體積為：4.14液相平行反響：式中為化學(xué)計(jì)量系數(shù)。目的產(chǎn)物為P?！?〕寫出瞬時(shí)選擇性計(jì)算式。〔2〕假設(shè)，試求以下情況下的總選擇性?！瞐〕活塞流反響器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；〔b〕連續(xù)釜式反響器，濃度條件同〔a〕；〔c〕活塞流反響器，反響物A和B的參加方式如以以以下圖所示。反響物A從反響器的一端連續(xù)地參加，而B則從不同位置處分別連續(xù)參加，使得器內(nèi)處處B的濃度均等于1kmol/m3,反響器進(jìn)出口處A的濃度分別為19和1kmol/m3。解：〔1〕設(shè)A為關(guān)鍵組分，目的產(chǎn)物P的瞬時(shí)選擇性為：(2)假設(shè)，求以下情況下的總選擇性?！瞐〕活塞流反響器,因?yàn)镃A0=CB0,其化學(xué)計(jì)量系數(shù)一樣，所以CA=CB，則有，因此(b)連續(xù)釜式反響器(c)PFR,且B側(cè)線分段進(jìn)料，器內(nèi)B的濃度均等于1kmol/m3,則4.15在活塞流反響器中等溫等壓〔5.065×104Pa〕下進(jìn)展氣相反響:式中PA為A的分壓Pa，原料氣含量A10%〔mol〕，其余為惰性氣體。假設(shè)原料氣處理量為1800標(biāo)準(zhǔn)m3/h，要求A的轉(zhuǎn)化率到達(dá)90%，計(jì)算所需的反響體積及反響產(chǎn)物Q的收率。解：此反響為復(fù)合反響系統(tǒng)，一般需要多個(gè)物料衡算式聯(lián)立求解，方能解決問題。但這里三個(gè)平行反響均為一級(jí)，可簡(jiǎn)化處理。其組分A的總轉(zhuǎn)化速率為：又為變?nèi)葸^程：其中，所以有所需反響體積為：產(chǎn)物Q的收率：4.16在充填釩催化劑的活塞流反響器中進(jìn)展苯〔B〕氧化反響以生產(chǎn)順丁烯二酸酐〔MA〕：這三個(gè)反響均為一級(jí)反響，反響活化能〔kJ/mol〕如下：E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子〔kmol/kg.h.Pa〕分別為A1=0.2171,A2=1.372×108,A3=470.8反響系在1.013×105Pa和704K等溫進(jìn)展。原料氣為苯蒸汽與空氣的混合氣，其中含苯1.8%〔mol〕?，F(xiàn)擬生產(chǎn)順丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最終收率為42%。假設(shè)〔1〕可按恒容過程處理；〔2〕可采用擬均相模型。試計(jì)算〔1〕苯的最終轉(zhuǎn)化率；〔2〕原料氣需用量；〔3〕所需的催化劑量。解：〔1〕由題意知：，解之得：或：且：解此一階線性微分方程有：：代入上式化簡(jiǎn)得到：通過試差求出：〔2〕原料氣需用量。由收率定義知：總原料氣為：〔3〕欲使XB到達(dá)83.45%，所需催化劑量由物料衡算式求得：4.17〔1〕寫出絕熱管式反響器反響物料溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系的微分方程；〔2〕在什么情況下該方程可化為線性代數(shù)方程，并寫出方程。答復(fù)以下問題〔1〕，〔2〕時(shí)必須說明所使用的符號(hào)意義；〔3〕計(jì)算甲苯氫解反響的絕熱溫升。原料氣溫度為873K，氫及甲苯的摩爾比為5。反響熱△H298=-49974J/mol。熱容〔J/molK〕數(shù)據(jù)如下：H2:CP=20.786CH4:CP=0.04414T+27.87C6H6:CP=0.1067T+103.18C6H5CH3:CP=0.03535T+124.85〔4〕在〔3〕的條件下，如甲苯最終轉(zhuǎn)化率到達(dá)70%，試計(jì)算絕熱反響器的出口溫度。解：〔1〕絕熱管式反響器反響物料溫度T與轉(zhuǎn)化率XA的微分方程：(A)式中為基準(zhǔn)溫度下的熱效應(yīng)；Cpt為反響物料在基準(zhǔn)溫度下與反響溫度T之間的熱容；wA0為組分A的初始質(zhì)量分率；MA為組分A的分子量。〔2〕如果不考慮熱容Cpt隨物料組成及溫度的變化，即用平均溫度及平均組成下的熱容代替，則積分(A)式得：(B)式中：T0為反響入口；XA0為初始轉(zhuǎn)化率：此時(shí)〔A〕式化為線性方程。當(dāng)XA0=0時(shí)，又可寫成：〔3〕求絕熱溫升。T0=873K,XA0=0,A表示關(guān)鍵組分甲苯，其初始摩爾分率yA0=1/6,為計(jì)算方便將(B)式改寫成：(C)此時(shí)是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的。選入口T0為基準(zhǔn)溫度，需求出反響熱，以轉(zhuǎn)化1mol甲苯為計(jì)算基準(zhǔn)，則有：從基準(zhǔn)溫度T0到出口溫度反響物料的平均熱容為：(D)式中各組分熱容為各組分從基準(zhǔn)溫度至出口溫度的平均熱容。其絕熱溫升：(E)因?yàn)榉错懗隹谖粗孕鑼?C),(D)及(E)式聯(lián)立試差求解得：〔4〕在〔3〕的條件下，當(dāng)XA=0.7時(shí)，絕熱反響器的出口溫度：4.18氨水〔A〕與環(huán)氧乙烷〔B〕反響以生產(chǎn)一乙醇胺(M)，二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反響如下：反響速率方程為：該反響系在等溫下進(jìn)展，目的產(chǎn)物為一乙醇胺?！?〕請(qǐng)你提出原料配比的原則，并說明理由?！?〕選定一種適宜的反響器型式和操作方式?！?〕根據(jù)〔2〕的結(jié)果，說明原料參加方式?！?〕反響時(shí)間是否有所限制為什么解：〔1〕假設(shè)提出原料配比原則，應(yīng)分析其動(dòng)力學(xué)特征。這里以B為關(guān)鍵組分，目的產(chǎn)物M的瞬間選擇性：由此看出CA增大時(shí)，則S也增大，無疑，相對(duì)來說CB減少。也就是說配比原則是：允許的條件下，盡量使A過量?！?〕根據(jù)〔1〕的結(jié)果，可選活塞流反響器，并使B從側(cè)線分段進(jìn)料，而A從進(jìn)口進(jìn)料，采用連續(xù)操作，如以以下圖：〔3〕加料方式如〔2〕中的圖示?！?〕反響時(shí)間即停留時(shí)間有限制，因?yàn)槟康漠a(chǎn)物M為中間產(chǎn)物，存在最正確收率，為到達(dá)最大收率，須控制最正確反響時(shí)間。4.19現(xiàn)有反響體積為1m3的活塞流反響器兩個(gè)，擬用來分解濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反響為一級(jí)不可逆反響，并在86℃等溫下進(jìn)展，此時(shí)反響速率常數(shù)等于0.08s-1。過氧化氫異丙苯溶液處理量為2.4m3/min。試計(jì)算以下各種情況下過氧化氫異丙苯溶液的轉(zhuǎn)化率?！?〕兩個(gè)反響器串聯(lián)操作；〔2〕兩個(gè)反響器并聯(lián)操作，且保持兩個(gè)反響器的原料處理量一樣，即均等于1.2m3/min；〔3〕兩個(gè)反響器并聯(lián)操作，但兩者原料處理量之比為1：2，即一個(gè)為0.8m3/min，另一個(gè)則為1.6m3/min；〔4〕用一個(gè)反響體積為2m3的活塞流反響器替代；〔5〕假設(shè)將過氧化氫異丙苯的濃度提高到4kmol/m3，其余條件保持不變，那么，上列各種情況的計(jì)算結(jié)果是否改變相應(yīng)的苯酚產(chǎn)量是否改變〔6〕對(duì)比上列各項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果并討論之，從中你得到哪些結(jié)論解：〔1〕兩個(gè)反響器串聯(lián)操作如圖示：總反響體積為：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入即得：〔2〕結(jié)果同〔1〕。〔3〕第一個(gè)反響器，，而第二個(gè)反響器，，兩個(gè)反響器出口混合后：〔4〕用一個(gè)反響體積為2m3代替，其結(jié)果同〔1〕?！?〕當(dāng)CA0提高到4kmool/m3時(shí)，由可知，轉(zhuǎn)化率與CA0無關(guān)，所以，上列各種情況計(jì)算結(jié)果不變，而對(duì)苯酚產(chǎn)量：〔以摩爾流量表示〕說明苯酚產(chǎn)量與CA0成正比，即產(chǎn)量增加?！?〕從上列各種計(jì)算結(jié)果對(duì)比看出：〔a〕幾個(gè)PFR串聯(lián)與用一個(gè)大的PFR，只要保持二者的總體積一樣，其效果是一樣的?！瞓〕在并聯(lián)時(shí)，只要保持，其結(jié)果也是一樣的。但時(shí)，其總轉(zhuǎn)化率是下降的。〔c〕對(duì)一級(jí)反響最終轉(zhuǎn)化率與CA0無關(guān)，但目的產(chǎn)物的產(chǎn)量與CA0成正比關(guān)系。4.20在活塞流反響器中絕熱進(jìn)展丁二烯和乙烯合成環(huán)乙烯反響:該反響為氣相反響，反響速率方程為：進(jìn)料為丁二烯與乙烯的等摩爾混合物，溫度為440℃。操作壓力1.013×105Pa。該反響的熱效應(yīng)等于-1.256×105kJ/mol。假定各氣體的熱容為常數(shù)，且CPA=154,CPB=85.6,CPR=249,單位為J/mol.K。要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)12%，試計(jì)算〔1〕空時(shí)，平均停留時(shí)間及出口溫度；〔2〕假設(shè)改在440℃下等溫進(jìn)展，重復(fù)〔1〕的計(jì)算；〔3〕440℃下等溫反響時(shí)所需移走的熱量。解：〔1〕此反響為絕熱變溫變?nèi)莘错?，空時(shí)：平均停留時(shí)間：出口溫度：，：，并假定選入口溫度440℃為基準(zhǔn)溫度，題給為440℃下的熱效應(yīng)。假設(shè)以1molA為基準(zhǔn)，則：反響前1102XA1-XA1-XAXA2-XA所以，當(dāng)XA=0.12時(shí)，將數(shù)據(jù)代入并用數(shù)值積分得：〔2〕在440℃下等溫反響〔3〕440℃等溫反響，需移走熱量，如果忽略由于反響造成的各組分的變化所引起的熱容量變化，則假設(shè)維持等溫反響必須移走反響所放出的熱量：其中FA6的單位為mol/h4.21環(huán)氧乙烷與水反響生成乙二醇，副產(chǎn)二甘醇：這兩個(gè)反響對(duì)各自的反響物均為一級(jí)，速率常數(shù)比k2/k1為2，原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為20，且不含產(chǎn)物。〔1〕選擇何種型式的反響器好〔2〕欲使乙二醇的收率最大，轉(zhuǎn)化率為多少〔3〕有人認(rèn)為采用活塞流反響器好，乙二醇收率高但環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率低，故建議采用循環(huán)反響器以提高總轉(zhuǎn)化率，你認(rèn)為這種建議是否可行如果循環(huán)比ψ=25，并使空時(shí)與第〔2〕問的空時(shí)相等，則此時(shí)總轉(zhuǎn)化率及乙二醇的收率是提高還是降低解：〔1〕為解決問題方便，選H2O(B)為關(guān)鍵組分，環(huán)氧乙烷，乙二醇分別用A和Q表示。則乙二醇的瞬時(shí)選擇性為：分析可知欲使S↑必須使CB↑，即使H2O過量，因而選PFR，且水從反響器入口進(jìn)料，而環(huán)氧乙烷從側(cè)線分段進(jìn)料，相對(duì)來講可使CB更大?！?〕對(duì)水，乙二醇，二甘醇〔E〕為連串反響，存在最大收率〔對(duì)乙二醇而言〕，此反響為液相反響可視為恒容過程，根據(jù)速率方程有：(A)因，故上式又可寫成：(B)初始條件XB=0,YQ=0,解此一階線性常微分方程有：(C)令有：此題給原料中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為20，其轉(zhuǎn)化率是不可能到達(dá)這最正確轉(zhuǎn)化率的。但它告訴我們，當(dāng)CA=0時(shí)，為乙二醇的最大收率，即：(D)解：又因?yàn)椋簄B:nA=20:1，所以有代入可得：(E)將〔E〕式代入〔C〕式化簡(jiǎn)后可得：解此一元二次方程得：XB=0.048，也就是說欲使乙二醇收率最大，關(guān)鍵組分水的轉(zhuǎn)化率為4.8%?！?〕有人建議采用循環(huán)反響器，以提高轉(zhuǎn)化率是不行的，因?yàn)樵黾恿朔祷?，降低了反響速率，反而使XB降低。如Ψ=25時(shí)，可視為CSTR,當(dāng)空時(shí)與〔2〕中的空時(shí)相等時(shí)，使總轉(zhuǎn)化率下降，且使乙醇收率降低。4.22有一自催化液相反響，其速率方程為，反響溫度下，，每小時(shí)處理1000mol原料，其中A占99%〔mol〕，其余為P。要求最終轉(zhuǎn)化率為90%?！?〕為使所需反響體積最小，采用何種型式反響器好并算出你所選用的反響體積。〔2〕如果采用循環(huán)反響器，請(qǐng)確定最正確循環(huán)比及反響體積?！?〕當(dāng)循環(huán)比ψ=∞時(shí)，反響體積為多少〔4〕當(dāng)循環(huán)比ψ=0