化学反应工程第三章答案

1、3釜式反应器$1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应:CHiCOOC2H5 + NaOH CHiCOONa + C2H5OH该反应对乙酸乙酯应氢氧化钠均为一级。反应开始时乙矗乙酯及氢氧化钠的浓 度均为001.该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5ImI,要求转化率达到5%(I)(I)若辅助时间为01,试计算反应器的有效体积；(1)(1)若装填系数取0.75,试计算反应器的实际体积。解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为0.5.4和M即/IUBoI每小时产乙二醇：*06t-05tt6 IuBOviI每小时需氯乙醇：91AikSfh0326684 = I902/?

2、每小时需碳酸氢钠：0.95x15%卧El02c03266lOOO=i23izzz氯乙醇初始浓度：0.95x275.8反应时间:丄X空=296甌5.2x1.231 1-0.95CXAl dXA _1X* dXA kCC kc2 (I-)2反应体积 Vr =0(/ +f) = 275.8 X (2.968 +0.5) = 956.5/0.75心輕= 1275/(I) (1)反应器的实际体积：fJ.J丙酸钠与盐酸的反应：C2H5COONa + HCl O C2H5COOH + NaCl为二级可逆反应(对丙酸钠和盐酸均为一级)，在实验室中用间歇反应器于SOeC 等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应

3、物的摩尔比为If为了确定反应进 行的程度,在不同的反应时间下取出IOfliI反应液用0$lSiI的AaOH溶液滴定, 以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，IlQOll溶液用量如下表所示：时间，0IO10IO50OCIIQOH 用量，MIS1.111.15.5lf14.4I0.S现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为S00k9h,且丙酸 钠的转化率要达到平衡转化率的。试计算反应器的反应体积。假定(I)原 料装入以及加热至反应温度(SO-C)所需的时间为i,且在加热过程中不进行反应；(t)卸料及清洗时间为IOoifi; (J)反应过程中反应物密度恒定。解：用A,BJ分别表示反应方

4、程式中的四种物质，利用当量关系可求出任 一时刻盐酸的浓度(也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为I： I)为:CA=CB =0.51510XVNeioHmoI /1于是可求出A的平衡转化率:525X 血=5-5 = 525-105 = 8 CAoXA = XAe 90% = 0.8x90% = 0.72CA = Clo(I 一 XA) = 52.5 (1-0.72) = 0.0515 X UJmOllI现以丙酸浓度对时间作图： 由上图，当O.-0.0SISXI4.7moI/I时，所对应的反应时间为4mifto由于在同 样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应

5、器的反应时间也是4aifto丙酸的产量为：$00蜂/1lll6flol/MiflO所需丙酸钠的量为:l Il07t-I5tattifto原料处理量为：0 =匕。/“)=156.4/(0.0515+ 52.5) = 5784min反应器体积：Vr = QOQ + 4)= 57.84 X (18 + 20 +10) = 4512Z实际反应体积：4512/0.8 = 5640/$彳在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应:其反应速率方程为：1A + BRrl =1.1 IO14 exp(-CACBknlOl Im3 JI式中组分Il及的浓度O及O以kM,为单位，温度！的单位为K。该反应的热效应等T4

6、000kJkfllo反应开始时溶液不含,组分Il和的浓度均等于0.04kMIm反应混合物的平均热容按4.I01Wm .K计算。反应开始时反应混 合物的温度为50(I)(I)试计算A的转化率达65%时所需的反应时间及此时的反应温度。(1) (1)如果要求全部反应物都转化为产物是否可能？为什么？解：(I)(由数值积分得出)T = 323 + 39.01 X 0.85 = 356.2K(勾若Il全部转化为Il 即x.o则由上面的积分式知,IfOC.这显然是不可能的。I.S在间歇反应器中进行液相反应:4 + B * C/*. = RC,CbC + B Dl)=BIl的初始浓度为0lkmol6 D的初始

7、浓度为零，过量，反应时间为首时,0.0055kflolfl Oo00I Iullm 而反应时间为 t时，0.a00l kttlMOo-0.04tkmla 试求：(I)kk.:(1)产物O的最大浓度；(5)对应O的最大浓度时A的转化率。解：因为过量，所以:rA =kcAD =k2cCC =rArD =klCA k2CC 恒容时：(B)式除以()式得:Ce = _ k&c dCzlklCA解此微分方程得：CCC=-将首O6及lOO。数据代入(O)式化简得:0.42 X 0.55X - 0.38 0.1X = 0.42 X 055 - 038 0.1 解之得：X =二= 0525 = )()先求出最

8、大转化率:=0.7425YA6在等温间歇反应器中进行液相反应AI O A2 A3初始的反应物料中不含 甌和亀，縮的浓度为tnol/l 在反应温度下k40akHekIHSetaiftekMIeSflliAlO 试求：(I)(I)反应时间为HOmh时，反应物系的组成。(1)(1)反应时间无限延长时，反应物系的组成。(I) (I)将上述反应改为含一odA反应时间无限延长时, 反应物系的组成。解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后进行求解。但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：(A)当“2=时，(R)式变为A1 A2 A3(B)当& =时，(H)式变为 AlTA2 0A3(O)

9、当Rl=(U2 =O时，(Il)式变为A1 A2 A3(D)其中式(D)即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到(H)式的解，则 可容易化简得到() (O)及(D)式的解。dCk = 1C1 k1Ci(S)对于式，可列出如下微分方程组:d = kiC1+k2C3-klC2-k2C2A= 2C2-Ar2C3由题意知初始条件为:CI(O) = C109C2(O) = C3(O) = O联立求解此微分方程组可得：C =C 仏2* I kk； (a + k2)/(0 + 底护110a a- a(a + kl)( + kl)G=S 亠 + l2 a a-厂厂IkIk2水2严評 c3cV式中，e,”由如

10、下式确定：a = kjk1 + 12 + k2ki + 0 = T +ki +k2 +2)现在可用上述结果对本题进行计算：(a + k2 )ectt ( kl)et(S)W(7)9 kl =40mi* =36minA2 =1.5min2 =OJ = Imin由Q)()式得CU=O.5592/C12 =05098加0/CA3 =0.93ImOI /1(1)当*fg时，由($)S)式得C41 = C12 = OCAi 2Qmol 11(J)此时为1=的情况，当Qf 8时，由=4min 得:k2 =1.5Inin2 = 3.6min1CA2=lA12mollC13 =0.588mollJ.7拟设计一

11、反应装置等温进行下列液相反应：A + 2B RFr= kC .,C2 A + B S=CB目的产物为R, 的价格远较Il贵且不易回收，试问：(I)(I)如何选择原料配比？(1)(1)若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好?(I)(I)若用半间歇反应器，加料方式又如何？S-VA rR _匕0&；_1kiC AC 2k2CCB 1+22CA解:(I)k&B由上式知，欲使$增加，需使O低，O高，但由于的价格高且不易回收，故 应按主反应的计量比投料为好。(1)保证O低，6高，故可用下图所示的多釜串联方式：(I)用半间歇反应器，若欲使O低，O高，可以将一次先加入反应器，然 后滴加A.$在一个体积为

12、$001的反应器中4C等温下将浓度为S0I9Sht则有0.3958 =57L6Cl+164C;解之得：C.-0e44ISC -C所以:XI = R= 0.7784 Y 095 CVAO这说明在这种情况下转化率达不到5%o095(5)(5)对全混流反应器，若X-0W则Il的收率为:Y - QV -LY- A 4691R Af 1 + 10.25CU)(I-XV) 1 + 10.25x2(1-0.95)*(6)依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组H的转化率及It的收率，需要求出角及It的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组:对血警2+(gwcg込(I)对:.6CI

13、V=Odt A()V=V()+0()f(I)Vo=I/沪在反应时间(20的li为方便起见取* QO仙)内将0.4 m1的*均速加入反QQ=- = lmy/h应器内，故 4釆用间歇釜操作时，原料为角与的混合物，的浓度为Ikml/ 现采用半间歇釜操作，且V=lm3,Vl=0.n3 f故可算出原料A的浓度为:C (l + 04)21 八 3CIO =ktnoUn0 0.4由于：yEAl=C 空+V 鱼 dtA dtdt肛VCR) C空+V经dtR dtdt代入(I), (!)式则得如下一阶非线性微分方程组:1=zL-I6c-164c初始条件：t-oo.-o.o.-o可用龙格一库塔法进行数值求解。取步

14、长 t-0.0ih,直至求至I-Oh即可。用 t-o.h时的O和O可以进行A的转化率和R的收率计算： X-NI-CtoVA-CIVA NMClOVI式中为所加入的A的体积，且T.-0,:OM为所加入的A的浓度，且OM-71Uiola,; 为反应结束时物系的体积，Y-I.WoYr=QL同理可以计算出R的收率： CAoKI$10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：2A BrA = 68Ckmol / rn JiB R rli = 14CBkmOl/miJi加料中组分A的浓度为0lkMltt1.M量为 V/要求A的最终转化率为0%,试问：(I)(I)总反应体积的最小值是多少？(t)(t)

15、此时目的产物的收率是多少？($)(5)如优化目标函数改为的收率最大，最终转化率为多少？此时总反应体积最小值是多少？解：(I)对上式求g6L0可得:1+X疫I Q.CAO(XA2-XAl) Mi)(I- XJ将 XM-O 代入上式，则(i-XJ = I+X解之得X.-0.741所以总反应体积的最小值为K=Kl K24680.2 (l-0741)0.741209-0741(1-0.9)2=3249 + 4.676 = 7.925m 3()RB = 34C： - 14CGI=CIo(I-XAz ) = 0.0518RBI = 34Ct - 14Cl = 0.09123 -14CBI _ % _ CB

16、l - GoQO RBi3 249CBI即 40.09123 14CBl解得 O000Z IUiaI/M1Cb2 - 0.00599234CAO(I-XI2)2-14C2 二 二 Ctn-Cjn 同理 243-14C2解得 Om-O.OOI16 I(MImi的收率:Y2x0.00126=1.26%(R目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第i个釜，组分止的衡算方程分别为： Ai _ 对 A:68C t *34Ci-X4CBf当il时,34CL-14Cl当i时，C ll _C&268Cl32(1-0.1771) = 5.576所以有：Xd01771醋酸丁酯产量 BB Qi)CAoXA2

17、= 5.576 0.15 0.5 = 0.4182kmol IhW大反应器在前，小反应器在后$Yj _ Cio5 -Qo RCAO(I-兀/H)QO匕2 二 Glo(AA2 - vAl ) = 1QQRQM(I-心2)Qo解得 X.-0.1914zX1) = 3xl2(l-0.3924)=沁 小 所以有：X03924产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。I-M等温下进行I级液相不可逆反应：AB+Co反应速率常数等于5 7uoh, A的浓度为ftkola,的溶液进入反应装置的流量为I.Sa1h试 分别计算下列情况下A的转化率达时所需的反应体积:(I)全混流反应器*W 两个等体积的全混流反

18、应器串联；(S)保证总反应体积最小的前提下，两个全 混流反应器串联。解:（I）全混流反应器l5x2x95C(I- Xj5一 5 X 2出 X (1 095)=1&02（1）（1）两个等体积全混流反应器串联 y - OoeAOXAlrlkC(l-X Al)L5 y - 0()CAo(X/22 - X/H)r2 kc(l-XAl)LS由于Vrl=Vr2f所以由上二式得：XAl 二(Xa2XJ(i-xj a%)LS将XM-OS代入上式，化简后得到-0i45,所以:=2379串联系统总体积为：以=2Kl=4-758 m（I）（5）此时的情况同（I）,即 =18.03 m3原料以0$7愉的流量连续通入反

19、应体积为0的全混流反应器， 进行液相反应：ATKrA =kiC A2R D口 OQ为组分及It的浓度。（为组分A的转化速率，h为D的生成速率。原料中 H 的浓度等于 O.IIuboI,反应温度下，k0M Iba I15fl7uiaiA试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。解:VT =0.20=4Omin0.5r -V(I-XJ 0 1(1-XJ 所以：.=40kc A-2k1Ci即为：XA = 0.80, CI = ClO(I - XA) = lkmOlIm3 一 CRIooC；+CR-0.08 = 0CR=O.02372肋 20 加 37 CR 0.02372 YR = = 0-2372S

20、 OJ1.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应：2A BrB = klC2 -k2CBA + C DrD = k3CACC进料速率为soh.其中含1S%A*5%O (均按质量百分率计算)，料液密度等于0.69 若出料中A的转化率为“,试计算：(I)(I)所需的反应体积；(t)(!) 及D的收率。已知操作温度下，k1-6asl0ol./:k-hm IOVu: IL-M7II04ImM:B的分子量为 M0； D的分子量为 I。解：因 M0所以.-70= O8871zC FtO 0.88711000 C “ IfICIft= 二=2A6mollQoFCO =幺些=360x0.69x0.05 =

21、kmOiIhC MCC 0.1774x1000 八皿“7/CIO = 0.4929AnOZ/360703605X(I)2仏心；k?C B) + k3C ACCCBk3C AC(J)式分别得:=V11 +W将(O(5)式及上述数据代入(I)式，可整理为T的代数方程式，解之得T -Ie5lIO7-IO6k-10.OM-IO0molh氯对苯的加料比 l. k. -1 mo.( 为空时)，试计算反应器出口 B.M.D.T.O的浓度。各个反应对各反应物均为一级。解.CBO =kmOllmiykiIkI =8,k2ki =30,Cc0C0 =L4,1 = l分别列出组分B.M.D.T.O的物料衡算式：Q

22、_ 8CliCcCTz= -C-.C = -CCCDl%g Cw2Cp+3C7.叫+迸 + 魏 + 訊联立（I） 41）4I）M） （）式（五个方程，五个未知数）：式得:%CcC - CC(7)W 8 + Cc(1 +Cc )(8 +Cc)式得:C _ 30CcCW _D 240 + CC (240 + CC )(1 + CC )(8 + CC)(I)式代入（6）得:480CznCz24CC：8C0CcI ” U L +(1 + CC )(8 + CC) (240+ Cc )(1+ Cc )(8 +Cc) (240 + CC)(1 + CC )(8 + CC)整理得：cc + 475(7： +

23、 3562CC - 9232CC - 26880 = 0IACltn=Cc +2S解得：Oo00 I(Mlft,代入(I)式得:W島301礙加代入式得:=8 X 2.301 X 3M二 s.427kfnol m38 + 3345代入式得:CD = 3壯 3 345 5.427 = 2.238肋。亦240 + 3.345代入式得:CT = 30 X 3345 X 2,238 = 2kml Imy140 = 14.0验证：14CBo = CC + CM + 2CD + 3C即Z L410 = 3.345 + 5.427 + 22.238 + 30.0312 件下是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯

24、二酸酹的转化率,使原料以000l的流速连续进入反应器，其它条件不变，试讨论定态问题，在什么情况下出 现三个定态点？是否可能实现？解：由例IahSJt知：-RA =RCIeB= l37xl()i2exp(-12628T)CCB2M3 sTo = 326X,0 = OMm3h9Vr =2.65m3ClO = 455kmol / m、CBQ= 534kmol / mAHr = 335kJ ItnOI = -33.5 IoikJ IkmOIPCPl=I9S0kJ / m3 .K移热速率方程:q= Q旗K(T - A)= 19.8(T - 326)(I )放热速率方程：qg = (-AH r)(-RA)

25、Vr=33.5103 1.37IO12exp(-12628/T)CIO(I- XA)(C 一CIOXA)2.65(tT-To = C绝热操作方程：叫(5)由(I)式得：PCPi5( 一旳)(T-TQ)(4)(4)代入()式得:q = 335 IO3 X137 IO12 exp(-12628/T)CIO 1 - 一一(T-7；)CBQ - K Pl (TTi) X2.65 = 5533IO15exp(-12628T)(128.8一0.6291T + 7.677X 104T2) (-z.)由(I)式及(5)式作图得:T1160“050160lt5I75S70X.00.10.140.60.-IL0U

26、7I9OJ191OIO60.0601600tS6I0故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第三釜出口丙酸钠的转化率为:X-0.77oJ. to根据习题所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率 为Q%,如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的 转化率时，生产能力各增加多少？解：(I)二个$00 I全混串联釜，XM-O9,VI = 儿1= 300k(iX Al)(I)V 2 = N X X11)= 300-XA2)(G解得：l-.s代入(I)式求出此系统的体积流量：C 300x0.08(1 0.8951). Qq 2 = 2812 IS = 1687 / InIn2 0.89

27、51$0题中已算出oi=16O2Zmin因为最终转化率相同，故生产能力增加I.7I6.O1-IO.5I 倍。(1)二个IOOI釜并联，在最终转化率相同时，O增加一倍，生产能力也增加一倍。I. t在反应体积为0.7S a1的全混流反应器中进行醋酹水解反应，进料体 积流量为005 /醋酊浓度为OAftkmoI/ 温度为t5*C料温度为 WC, 该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于I.反应速率常数与温度的关系如下：k-l. IOTnp(5516T)nil反应物料的密度为常数，等于IOSOk9/ M容可按t.9WM. C计算。该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算：(I)(I)

28、反应器出口物料中醋酹的浓度；(1)(t)单位时间内反应器向大气散出的热量。解：TQ= 298K,T = 309K,Q) = 0.05n3minNHr=-IW kJ IkmolR = I8 X Hf exp(5526/309) = 0.308(I)(I)求转化率：QttX .f0.05Xy -Af - - 75r 饥0308(I-XV)解得 t-Oll反应器出口物料中醋SF浓度：Cl = CIo(I 一 XA) = 0.22(1 一 0.8221) = 0.03914kmol / mi(1)单位时间内反应器向大气散出的热量：Qi = Q,pCpl (T+(MIrK-RA)Vr=0.05 1050 2.94(309 - 298) + (-209 103 )0.308 X 0.22(1 - 0.8221)0.75= -191JminI. M在反应体积为I 的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生 产丙二醇1：H2COC