反应工程计算题2010年

1、化学工程基础（武汉大学第二版）1在间歇反应器中进行等温一级反应At R+S,已知反应进行30S时反应物A的转化率为90%求转化率达到99%寸还需要多少时间？计算结果说明了什么？2、在间歇反应器中进行等温液相反应A+4 R已知（-r a） =kCACBmolL-1 min-1 ,k=0.3Lmol-1min-1,CAo=CBd=0.2molL -1,试计算反应物 A的转化率分别达到 90%和99%寸所需要的时间，并做比较。3、在间歇反应器中用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，其反应式为:CH3COOH+C4H9OH > CH3COOC4H9+H2OABCD反应在100C等温进行，进料物质的量比为A:

2、B=1:4.97，并以少量硫酸为催化剂。由于丁醇过量，其动力学方程为（-r a） =kA,式中k为1.74 x 10-2nikmol-1 min-1。已知反应物密度 p 为750kg/m3 （反应前后基本不变），若每天生产乙酸丁酯2450kg （不考虑分离过程损失），每批物料的非生产时间取0.5h ,求乙酸转化率为55%寸所需间歇反应器的体积（装料系数$解: CH3COOH+C4H3OH > CH3COOC4H9+H2O2450=0.75 ）。由化学反应方程可知：fa0 = 24 60 771-055 =0.0326kmol/minCAO60 1 74 4.97 "珈吨卅Vo7

3、50Fa00.03263 /一0.0186m /minCao 1.7532 2 2(-rA) =© 二心。1-xa 二丄XA0.55仆 crtA240.07 minkCA0 1 - Xa1.74 101.753 1 -0.55Xa3.Vr =V0 t n -0.0186 40.07 30 =1.30mVrt 二V锻"3"3答：略。4、在间歇反应器中进行二级液相反应 10min后的转化率为 要的反应时间。A+4 R+S,两种反应物的起始浓度均为1kmol/m3,反应80%如果将该反应改在全混流反应器中进行，求达到相同转化率所需解：间歇反应器:XAt=kCA0 (1-

4、X A )kCao 1-Xa0.80.4m3 kmol' min*10 1 1-0.8全混反应器:Xat=2kCA0 1-X A0.820.4 1 1-0.8=50min答：略。5、间歇反应器中进行液相反应A+4 R+S,反应温度为75C，实验测得的反应速率方程式为(-r a)=kCACB,k=3 x 10-3mkmol-1S1。当反应物A和B的初始浓度均为 5kmol/m3,A的转化率达 80%寸，该反应器每分钟能处理 0.684kmol(A)。今若将反应移到一个内径为 300mm的管式反 应器中进行，其他条件不变，试计算管式反应器的长度。解：间歇反应器：t=kCA0X1A-XA =

5、3 10靑 1 0.8 沁67在管式反应器中进行，达到同样转化率所需的反应时间相同:已知 FA0 =0.684kmol/ min;CA0 二 5kmol/m3Vrp 二 v°t0.684266.67x5603兀 2= 0.61m ; Vrp二一d LVrp0.61d23.140.32=8.63m4答：略。6、环氧乙烷和水催化生成乙二醇，其反应如下:/ 八 H2SO4fH2-0Hrn _rn+ HO* I£CII2-0H该反应以硫酸作催化剂，其反应动力学方程为(-rA ) =kCA(A为关键组分环氧乙烷)，k=0.311min-1,环氧乙烷和硫酸分别以 0.04kmol/L和

6、0.90% (质量分数)的水溶液等体积加入全混流反应器中。若转化率达80%每天生产乙二醇 8500kg，试计算：(1) 全混流反应器有效体积；(2) 若用二个有效容积均为40L的全混反应器串联，其最终转化率为多少？(3) 若用二个有效容积均为40L的全混反应器并联，其最终转化率为多少？(4) 若将反应改在活塞流反应器中进行，其余条件不变，则反应器的有效容积为多少？解：()环氧乙烷 FA085001 7.14kmol/h24 汉620.8CA0 =型=0.02 kmol /L(等体积)2体积流量：v0 工巫 二714 =357L/h =5.95L/minCA0O.°2rcstrV0XA

7、k(1-XA)5.95 0.80.311 1-0.8-76.5L(2)Vrcstr =40,串联：Vrcstri=VRCSTR2 有:Xaik(1 XA1 )XA2 - Xa!k(1-XA2)Vq Xai5.95 汉 Xaik(1-XAi厂 0.311(1-Xai)= 40=Xa1 = 67.6%又 VS 二 丫二了 = AX Xa2 二 89.5%1（3）并联：两个反应器的体积流量各为，VqVRcstr2=40 = xA =80.7%CSTRk（1-XA）（4）PFR反应器:v 15 951Xa =80%Vrp= Ln 氏二诙ln ror30.8L7、若将3题的酯化反应改在活塞流反应器中进行

8、,（1 ）转化率达55%所需要的反应器有效体积；（2）反应进行80min时的残余乙酸浓度。请利用3题的已知条件和计算结果计算:解：（1）；达到相同转化率所需的反应时间相同:3.Vrp =vot=O.O186 40.07=0.75mCaCAO1 kCAO1.75311.74 10，80 1.7533二 O.51Okmol / m答：略。8、在活塞流反应器中进行乙醛分解反应：CH3CHO t CH4+C0在791K, 1.O13 x 1O5Pa,进料为纯乙醛的条件下，该反应的速率方程为（-a） =kC2A,k=O.33m3kmol-1。若乙醛质量流量为 O.O2kgs-1,求乙醛转化率为40%时所

9、需要的 反应器有效容积和物料在反应器中的平均停留时间。Xa解：活塞流反应器Vrp=Faq至O kC2kC ao o 1 - Xa22-dxkCAo2名(1 +名)ln (1 _xA )十g3xA1 - Xa气体膨胀因子;、：A =亠二 =上!丄1'、A；二 Wa =1 1=1乙醛的摩尔质量 =44： Fao = 0102 =0.455 1O-3kmol/S在791K的条件下乙醛为气态：看成理想气体:PV =nRT=V=吨丿455 &314 5 791 =2.954 10/S P1.013汉105CA0455 10：=0.0154kmol/m32.954 10vrp= Fa2kC

10、A0 '3(1 + 累)Xa I2名(1 +名)n (1 -xA )+名 xA +*_Ia J0.455 10-320.33 0.01543(1 +1 )汉 0.42 汇1(1+1)1 n (10.4 )+1 汉 0.4 + I1-0.4= 5.81-2.043 0.4 2.6671 - 5.95m3v?p=tFa0CA02 ；Xa加0七丿n(乂人严乂+乂skCA01 - Xa0.33 0.01542 心(1 +1 )ln (1 _0.4 )+13工0.4 +口 +1)工0.4I '' %1-0.4= 196.773 1.0234 =201.4S答：略。9、顺丁烯二酸酐

11、的稀水溶液，在298K下进行连续水解，由于酸酐浓度仅为0.15kmol/m 3,可作一级反应处理，k=0.0024S-1,物料初始体积流量为1x 10-5m3/S，现有两个3x 10-3m3, 一个6x 10-3m3的全混流反应器和两个3x 10-3m3和一个6x 10-3m3的活塞流反应器可供采用，试求：(1 )若用一个6 x 10(2)(3)(4) 高？(5)若用一个若用两个若将一个若用两个解:-3m3的CSTR或两个3X 10-3m3的CSTR串联操作，哪一个转化率较大? 6 x 10-3m3的PFR操作，转化率为多少？3x 10-3m33x 10-3m3 的 PFR 放在一个 3X 1

12、0的CSTR并联操作，每一个反应器取 1/2的流量，转化率为多少？-3m3的CSTR之前或之后，哪一个转化率较3 x 10-3m3的PFR串联或并联操作,哪一个转化率较高?已知：k=0.0024S-1; v0 =1 10m3/S(1 一个 CSTR:Vrtv°xA5k 1-XA1 10Xa0.0024 1 -xA =Xa1 = 0.41863 101 10$XA2 -'XaiXA2 -'Xaik 1 -xA20.0024 1 -xA2=Xa2 = 66.2% PFR逢丄n- InkkVRP0.0024 6 1 0；Vo1 - Xa1 - XaVo1 10“1.4411

13、 44g =4.2207二1 - XaXa= 76.31%(3)两个CSTR并联:V rtXaVok 1 - Xa3 101 51 102Xa0.0024 1 -xA =59.02%(4) PFR > CSTRVrpV。1 1 In k1 - Xa1= xA1 =51.3%3 10”XA2 - XA13 101 10$0.00241 -xA11 10k 1 -Xa2= xA2 = 71.7%CSTR > PFR:VrpXa1 - Xa03 10：Xa1 -0V0k 1 -Xa11 10_ 0.0024 1 -xA1 -xA1 =0.4186VrpA dCV0k Ca0 CaCA =

14、 CA0 1 _ XA ； dC _CA0dXAV03 10“Ca1dCAdXAk CA0 CAkxA1Xa1 - Xa21 10* " 0.0024ln1-0.4186= 71.7%(5) > PFR > PFRVrp丄n丄k 1 -Xa13 10”1 10*In二 xA1 =0.5130.00241 - xA1VrpV0ln上亠k3 101 -Xa2Vrp 113 1011并联：一 InInXa 二 76.3%丄 k 1 -Xa 丄灯如0 直 0.00241 一 Xa2 2答：略。10、一活塞流反应器和一全混流反应器按下图所示两种方式连接。今分别在其中进行二级不k31

15、1可逆反应：2AB C ,已知k=0.0472m kmol S，物料在每个反应器中的停留时间均为60S，CA0=1kmol.m-3。若两反应器温度相同，反应过程中物料密度基本不变，试计算两种情 况下各反应器的出口浓度。T PFRt CSTR> T CSTR> PFR>解: (1) PFR > CSTR:t=Xa1kCA0 1-X A1Xa10.0472 1 1-x A160= xA1 = 2.832 - 2.832xA1 = xA1 = 0.739VRrCSTR2(XA2 - Xa1)(Xa2 - 0.739 2二 2.832xA2kCA0 (1 - Xa2)0.0472 1(1-xA2)2 =60-6.664XA2 3.571 =0"土 Jb2 -4ac 6.664土 J44.409- 40.45236.661.9891='XA2 二2a2 2.8322 2.8326.664 “.9891=82.5%5.664CA =CA0 (1-x A2 (2)CSTR > PFR :Vrcs；TR2=T(Xa1 - Xa0)2 2 = 60kCA0(1-XA1)0.0472 "1-XA1)2n 2.832x： -6.664Xa1 +2.832 =0_b