反应工程答案第三章

1、个人收集整理仅供参考学习3釜式反应器3.1 在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：CH 3cOOC2H 5 NaOH > CH 3cOONa C2H 50H该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为 试问：(1)(2)0.02mol/l ,反应速率常数等于(1)(2)当反应器的反应体积为若反应器的反应体积为5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%1m时，需要多长的反应时间？2n3 ,所需的反应时间又是多少?解：(1)(2)2.83h 0XAfdXAc-=Cao( Ra)0.95一 169.6min(2.83h)t = CA0X AfdXA0k

2、AoCAo(JXA)2kCA0 1Xa5.6 0.02 1 - 0.95因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为3.2 拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应:CH 2clCH 2OHNaHCO 3 > CH 2OHCH 20HNaCl CO2223222以生产乙二醇，产量为20 kg/h ,使用15% (重量)的NaHCOK溶730% (重量)的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1:1,混合液的比重为1.02。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5.2l/mol.h ,要求转化率达到95%(1) (1)若辅助时间为

3、0.5h,试计算反应器的有效体积；(2) (2)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80.5,84和62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇:0.3266 80.50.95 30%=91.11kg/h每小时需碳酸氢钠:0.3266 84 0.95 15%=190.2kg/h原料体积流量:1.02氯乙醇初始浓度：反应时间：X AfCA00.3266 10001.231mol/1 0.95 275.8t = Cao 0dXAXAf dXAKCaCb kCAo0.952一 2.968h(1XA)25

4、.2 1.231 1 - 0.9591.11 190.2 二 275.8l / h反应体积：Vr = Q0(t t')= 275.8 (2.968 0.5) = 956.5l(2)(2)反应器的实际体积:Vr 956.50.75=1275l3.3 丙酸钠与盐酸的反应：C2H5COONa HCl = C2H5COOHNaCl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 50c 等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为 1,为了确定反应进 行的程度，在不同的反应时间下取出 10ml反应液用0.515N的NaOHS液滴定， 以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间

5、下，NaOH§液用量如下表所示：时间，min010203050ocNaOFffl量,ml52.232.123.518.914.410.5钠的转化率要达到平衡转化率的 90%试计算反应器的反应体积。假定（1）原 料装入以及加热至反应温度（50 C）所需的时间为20min,且在加热过程中不进 行反应；（2）卸料及清洗时间为10min； （3）反应过程中反应物密度恒定。解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出 任一时刻盐酸的浓度（也就是内酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1:1）为：-0.515Ca=Cb =051- VNaOHmOl/l10于是可求出A的平

6、衡转化率：CA0 一 CAe52.5T0.5XAe = = = 0.8Ca052.5Xa =XAe 90% = 0.8 90% =0.720.515 Ca=Cao(1Xa)一 52.5 (1 0.72)= 0.0515 14.7mol/l10现以内酸浓度对时间作图： 由上图，当CA=0.0515X14.7mol/l时，所对应的反应时间为 48min。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 器的反应时间也是48min。丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min 。所需丙酸钠的量为：112.6/0.72=156.4mol/min 原料处理量为：Q0

7、 = Fa0/Ca0 = 156.4/(0.0515 52.5); 57.841 /min反应器体积：V" Q0(t F)= 57.84 (18 20 10) = 45121实际反应体积：4512/0.8 = 564013.4 在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：A B R 1411000 _ _3rA T.1 10 exp（）CACBkmo1/m .h其反应速率方程为：T式中组分A及B的浓度CA及CB以kmol/m3为单位，温度T的单位为K。该反应的 热效应等于-4000kJ/kmol 。反应开始时溶液不含 R,组分A和B的浓度均等于3 0.04kmol/m , 合物的温度为

8、(1) (1)(2) (2)解：(1)反应混合物的平均热容按 4.102kJ/m 3.K计算。反应开始时反应混 50 Co试计算A的转化率达85%寸所需的反应时间及此时的反应温度。T =T。Ca0( - Hr)CXAf dX(Xa Xao)=3230.04 1-(-4000)1Xa = 323 39.01XA4.102( Ra)X AfA0 0dXA二 CA0 .1.1 1014exp(-kCACB dXA 11000323 39.01XA=91.32h)cAo(1Xa)2如果要求全部反应物都转化为产物 R,是否可能？为什么？(由数值积分得出)T = 323 39.01 0.85 = 356.

9、2K(2)若A全部转化为R,即X=1.0,则由上面的积分式知，t - 8,这显然是不可能 的。3.5在间歇反应器中进行液相反应:ABCrA = KCaCbrD = kzCcCBA的初始浓度为0.1kmol/m3,C, D的初始浓度为零，B过量，反应时间为ti时, CA=0.055kmol/m3, CC=0.038 kmol/m 3,而反应时间为 t2 时，CA=0.01 kmol/m 3, _3CC=0.042kmol/m ,试求：(1)(2)(3)(1) k2/ki；(2)产物C的最大浓度；(3)对应C的最大浓度时A的转化率。解：(1)因为B过量，所以：rA包容时:=k1CA,rD = k2

10、CC ,rC = rA 一 rD = k1CA 一 k2CCdCA .'cA KCadtdC dCC = KCa - k2Cc(A)(B)(B)式除以(A)式得: 'dCCk2CC二11dCAKCa解此微分方程得：CC 二k2 Ca闪C A0<CA0 )1C ACA0(C)将tl,CA,Cc及t2,CA,Cc数据代入(C)式化简得：0.42 0.55x 0.38 0.1x= 0.42 0.550.38 0.1解之得： x = 一 = 0.525 = 2 k1k1先求出最大转化率：ik2XA,max =1 -(二)%=0.7425k2产物C的最大收率：1k2Yc,max=-

11、|(1-Xai(1-Xa) =0.49051k2 J-k1产物C的最大浓度：3CC max = Ca0YC max = 0.1 0.4905= 0.0491kmol/m c ,max A0 c ,max3.6在等温间歇反应器中进行液相反应k1k3A1 A2A3初始的反应物料中不含4和A3, A的浓度为2mol/l ,在反应温度下 ki=4.0min -1,k 2=3.6min -1,k 3=1.5min -1。试求：(1) (1)反应时间为1.0min时，反应物系的组成。(2) (2)反应时间无限延长时，反应物系的组成。(3) (3)将上述反应改为a1-*t A2A3反应时间无限延长时,反应物

12、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：A1.KtA3(A)' 当k2=0时，(A)式变为A仁A2-* A3(B)' 当 k1=0 时，(A)式变为 A1 T A2A3(C)''当 k1 - 0,k2 - 0 时，(A)式变为 AT A2 T 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(A)式的解，则可容易化简得到(B) ,(C)及(D)式的解。对于(A)式，可列出如下微分方程组：dtdC2标dC3=k1C1k2c3 - k1C2 - k2c2dt'=

13、k2c2 - k2c3由题意知初始条件为：Ci(0) =Ci0,C2(0) =C3(0) =0联立求解此微分方程组可得：C10k2 kKk1 (二k2)e ti(工，k1)C2C10kKki (k2)ea? a - P |_ a(0 +卜2上区1 P(P +K)(P+卜2上灯P Jj(5)(6)khkhe"C3=C10 丁一 一式中，？aP°由如下式确定： k1k2 k1k2 k2kl(8)口 + P = -(k1 + k； + k2 + k2)现在可用上述结果对本题进行计算：(1)k1 = 4.0min ', k1 = 3.6min 1,k2 = 1.5min1,

14、 k2 = 0,t =1min由(5)。C A1C A2，(9)式得= 0.5592mol/l= 0.5098mol/lCA3 =0.931mol/l(2)当t -8时，由(5)(9)式得CA1 =CA2 =0 CA3 ' 2.0mol/l1(3)此时为k1 =0的情况，当t 一时，由k1 =4.0min ,11k2=1.5min ,k2=3.6min 得：Ca1 =0CA2 =1.412mol/lCA3 =0.588mol/l3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应:A 2B RrR = k1cACB2A B SrS = k2cACB目的产物为R, B的价格远较A贵且不易回收，试问

15、：(1) (1)如何选择原料配比？(2) (2)若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？(3) (3)若用半间歇反应器，加料方式又如何？2U 7 A rRk1CACB1S = ； r = nZ = -vb |Ra| kCaCB +2k2cACb 1 十2k2cA解：(1)k1CB由上式知，欲使S增加，需使CA低，G高，但由于B的价格高且不易回收，故 应按主反应的计量比投料为好。(2)保证G低，G高，故可用下图所示的多釜串联方式:(3)用半间歇反应器，若欲使 CA低，G高，可以将B一次先加入反应器，然后 滴加A.3.8在一个体积为3001的反应器中86c等温下将浓度为3.2kmol/m3的

16、过氧 化氢异丙苯溶液分解：C6 H 5c (CH3)2COH ，CH 3cOCH3 C6 H 50H生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s-1,最终转化率达98.9%,试计算苯酚的产量。(1) (1)如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min;(2) (2)如果是全混流反应器；(3) (3)试比较上二问的计算结果；(4) (4)若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？解：(1)=CA0 0X AfdXA( Ra)二 CA0 0X AfdXAkA0CA0(1 一 XA)Tn11Xa11ln56.37s = 0.94min0.8 1

17、- 0.989Vr =Q.(t t。)=Qo(0.94 15) = 300l Q0 =300/15.94 = 18.821/min苯酚浓度C苯酚= CA0XA= 3.2 0.989 = 3.165mo1/1苯酚产量 Q°C苯酚=18.82父 3.165= 59.56mo1/min =335.9kg/h (2)全混流反应器一Q0C A0X AfQ0X AfVr kCA0(1 XAf) k(1XAf)=0.26691/s= 16.021/minVrk(1 - XAf)300 0.08(1 一 0.989)X Af0.989苯酚产量 Q0C苯酚=16.02父 3.2父 0.989= 50.

18、69mol/min = 285.9kg/h(3)说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低， 反应速度慢的原因。(4)由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反 应器，其原料处理量不变，但由于 Qb增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两 个反应器中苯酚的产量均增加一倍。3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：3A B RrR = 1.6cAkmol/m .h2A > DrD = 8.2CAkmol/m3.hd及r分别为产物D及R的生成速率。反应用的原料为A及B的混合液，其中A 的浓度等于2kmol/m3。(1) (1)计算A的转化率达95%寸所

19、需的反应时间；(2) (2) A的转化率为95%寸，R的收率是多少？(3) (3)若反应温度不变，要求 D的收率达70%能否办到？(4) (4)改用全混反应器操作，反应温度与原料组成均不改变，保持空时与(1)的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%(5) (5)在全混反应器中操作时，A的转化率如仍要求达到95%其它条件不变，R的收率是多少？(6) (6)若采用半间歇操作，B先放入反应器内，开始反应时 A按(1)计算的时间均速加入反应器内。假如 B的量为1m3, A为0.4m3,试计算A加 完时，组分A所能达到的转化率及R的收率。解：(1)第二章 2.9 题已求出 t=0.396h=24.23

20、minS =(啊/(一啊=餐=屿二1R dt dtdCA1.6CA 16.4CA 1 10.25CACA =CA0(1 XA) = 2(1 0.95) = 0.1kmol/m3CA0.1C A0SRdCA = 一11 10.25CA110.25ln(1 10.25CA)0.13=0.2305kmol/m3CR0.2305R- = 0.1153CA0(3)若转化率仍为0.95,且温度为常数，则D的瞬时选择性为:SD =2 8.2ca1.6 16.4CA32.8(1 一 Xa)34.4-32.8XaYd =X Af0 SDdXAD的收率:0.95 32.8(1 - Xa)A dXA = 0.834

21、80.70 34.4 一 32.8XA这说明能使D的收率达到70%(4)对全混流反应器，若使T =t=0.3958h,则有0.3958 = Ca0-ca 21.6CA 16.4CA解之得：。=0.4433XA = CA0 -CA = 0.7784Y 0.95所以：CA0这说明在这种情况下转化率达不到(5)(5)对全混流反应器，若Yr = SXAfX Af95%X=0.95,贝U R的收率为：0.951 10.25CA0(1 - XAf) 1 10.25 2(1 一 0.95)=0.4691(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A的转化率及R的收率，需要求出A及R的

22、浓度随时间的变化关系，现列出如下 的微分方程组：d(VCA)对 A： dt对R:d(VCR)dtV 二V。2(1.6Ca 16.4CA)V =Q0Ca0-1.6CAV =0(1)(3)V0 = 1m3在反应时间(t=0.4038h,为方便起见取t =0.4h)内将0.4 m3的A均速加入反应器内，故41m3/h 0.4采用间歇釜操作时，原料为 A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m3.现采用半间33歇釜操作，且vb =1m，va=0.4m ,故可算出原料A的浓度为：C A0(1 0.4) 20.4kmol/m3由于：dg)dtd(VCR)=Cadt dV=CRdV dCAV A dtdtd

23、V V dCR dtdtdt代入(1), (2)式则得如下一阶非线性微分方程组:d°A 7 - Ca2A =A 1.6CA 16.4CA(4)dt 1 t A AdCR =1.6C a dtCRn(5)初始条件：t=0,C a=0,Cr=0可用龙格-库塔法进行数值求解。取步长 t=0.02h ,直至求至t=0.4h即可。Xa=NNa0CaoVa CaVCA0V A用t=0.4h 时的CA和Cr可以进行A的转化率和 R的收率计算：式中VA为所加入的 A的体积，且 VA=0.4m3;CAo为所加入的 A的浓度，且 CAo=7kmol/m3; V为反应结束时物系的体积，V=1.4n3。Y

24、CrV Y R 一同理可以计算出R的收率： CA0VA3.10 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 =68CAkmol/m3.hrR = 14CBkmol/m3.h加料中组分试问:(1)(2)(3)(1)(2)(3)A的浓度为0.2kmol/m3,流量为4n3/h,要求A的最终转化率为90%总反应体积的最小值是多少？此时目的产物B的收率是多少？如优化目标函数改为 B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：(1)Vr =Vr1Vr2Q0CA0XA1, Q0cA0(XA2 - XaJklCAo(1Xai)21 Xaik2CAo(1XA2)22 对上式

25、求 dVr/dXAi=0 可得：1 一 XA1 (1 - XA2) 将 *2=0.9 代入上式，则 100d xAi)3=1 + XA1 解之得Xai=0.741所以总反应体积的最小值为Vr M Vr233 3.249 4.676= 7.925m30.741+ 0.9-0.741i680.21-0.741)2(1-0.9)22Rb =34CA 14CbCai =Ca0(1 XAf ) = 0.0518RB1 =34CA1 14cBi = 0.09123 14cBi二 Vr1 = C B1 - C B0Q0RB13.249CB1即 40.09123 14cB1解得 CBi=0.005992 km

26、ol/m 34.676 Cb2 Cbi2同理CB2 - 0.005992434C；2 - 14Cb2 34Ca0(1 - Xa2)2 - 14Cb23解得 CB2=0.00126 kmol/mC 2 0.00126YB=22 二 1.26%B的收率：CA00.2目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第 衡算方程分别为：CAi 1 - CAii个釜,组分A,B的对A:68cAi对B:当i=1CCBi - CBi .J 2i34cAi14cBi i时，A0 - CA1 2-二-1 68CAi1(1)CB134CAi 14Cbi当i=2时，CA1 - CA2T2- =-268CA22(2)(

27、3)CB221 Z34C：2 14cB2二2(1)式解出CAi代入(2)式可解出Gi；由(1)式解出G2；将CBi及CA2代入(4 )式可解出 G2,其为pB2 = f (CA0，1，2)CAi代入(4)(3)式可解1, P 2的函数，即(5)式中CAo为常数。由题意，欲使 G2最大，则需对上述二元函数求极值:CC_B2 = 0 _B2 = 0"：2联立上述两个方程可以求出 及P 2。题中已给出Q,故由Vr =Q0( +%)可求 出CB2最大时反应器系统的总体积。将 ，P2代入(5)式即可求出B的最高浓 度，从而可进一步求出 YmaX将P2代入CA2,则由XA2=(CA0-CA2)/

28、C A0可求出最终 转化率。3.11 在反应体积为 490cn3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应:4NH 3 6HCHO > (CH2)6N4 6H2O式中(A) -NH3,(B) HCH或应速率方程为： 2rA = kCACBmol/l.s式中k = 1.42Ml03exp(-3090/T)。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量进入反应器，反应温度可取为36 C,假设该系统密度恒定，试求氨的转化率Xa及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度G及Cbo解：c 4.06C Ao2.03 mol /12c 6.32CB03.16

29、 mol /123Q0=2 1.5 = 3.0cm3/sCa 3(1Xa)= 3.16 1.5 2.03XA6C b = CB0 - CA0X A4k = 1.42 103 exp(-3090/ 309) = 0.06447Vr =Q 0cA 0X AfkCACB490 =Q0cA0X Af-I6-"2kCA0(1 -Xa)(Cb0-CaoXa)243XAf即得:20.06447(1 一 XAf )(3.16 1.5 2.03XAf )2mol /l整理得：XAf 3.075X：f 3.162Xa. 1.077=0解得：XAf=0.821反应器出口 A,B得浓度分别为：CA =CA0

30、(1 XA) = 2.03 (1 0.821)= 0.3634 mol/l-6一CB =CB0 CA0XA = 3.16 1.5 2.03 0.821 = 0.6602 43.12在一多釜用联系统，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应。各 个反应器的体积均为0.01m3,反应温度为100C,酯化反应的速率常数为 4.76x 10-4l/mol.min,逆反应(酯的水解)的速率常数为 1.63 x 10-4 l/mol.min 。反 应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60%求此用联系统釜的数目。解：等体积的多釜用联系统k1cAeB - k2CCCD(A)CA

31、i 1 - CAiA,B,C,D分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。由计量关系得:C B = C B0 - (C A0 - C A )CC = CD=C A0从已知条件计算出:- 1.8864CA0一6.48mol/l4.0 60- 2.2864CB010.33 mol/l4.0 460.01 864 604.0= 129.6min若i=1,则(B)式变为:解之得：CA1 = 4.364若i=2,则(B)式变为: 解之得：CA2=3.20若i=3,则(B)式变为:解之得：CA3 = 2.53V1Q0C A0 X A1_ 22kCA0(1 Xa1)1Q0将上述数据代入(A)式，化简后得到:CAi =0.

32、04056cAi 1.5113cAi 一 0.887(B)0.04056CA1 1.5113cAi 0.887 = CA0 =6.48 mol/l, XA1 = 0.3260.04056CA2 1.5113CA2 0.887 = CA1 =4.364 mol/l,XA1 = 0.5060.04056CA3 1.5113CA3 - 0.887 = CA2 = 3.2 mol/l,XA1 = 0.609即：三釜串联能满足要求3.13 以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台 反应釜，一台的反应体积为3m,另一台则为1吊。现拟将它们用来生产醋酸丁酯， 初步决定采用等温连续操作

33、，原料中醋酸的0.浓度为0.15kmol/m3, 丁酯则大量 过剩，该反应对醋酸为 2级，在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol ,要求醋酸的最终转化率不小于 50%这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采 用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？为什么？试计算你所选用的方案得到 的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应 如何？解：因为反应级数大于1,所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才能使醋酸 丁酯产量最大。现进行计算：Vr2 _Ca0(Xa2-Xa1)一 3Q。 kCA0(1 Xa2)2Q0二式联立化简后得到：(将入2=0.5代入)230.5 2.75

34、XA1 2.5XA1 一 X；1 =0解之得：4=0.2232 kCA0(1XA1)2 V1.2 0.15(1 0.223)2 13 人 二 0.4873 m / h醋酸丁酯产如果进行的、A1= Q0C A0X A20.223= 0.4873 0.15 0.5 = 36.55级反应，可进行如下计算:mol / h(1)VM(1)小反应器在前，大反应器在后：C A0X aiQo kCA0(1 Xai) QoVr2 _CA0(Xa2-Xai)3Qo kCA0(1 - Xa2)Qo联立二式，且将Xa2=0.5代入，化简后得到：2X：1 3XA1 0.5 = 0解得：Xa1=0.1771所以有:k(1

35、- XQX ai超71) = 5.5760.1771/h醋酸丁酯产号 ,Q0cA0XA2 = 5.576 0.15 0.5 = 0.4182 =kmol /h(2)大反应器在前，小反应器在后：VMCA0xA1Q0 - kCA0(1 Xai)QOVr2 = C A0( XA2 - XA1 ) = 1Q0kCA0(1 一 XA2)Q0解得 Xa1=0.3924Q0所以有：3k(1XQ 3 1.2(1 0.3924)一一 5.575X A10.3924m3/h产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。3.14 等温下进行1.5级液相不可逆反应：At B + C。反应速率常数等于5mT/kmol

36、1.5.h , A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为 1.5m3/h ,试 分别计算下列情况下A的转化率达95%寸所需的反应体积：(1)全混流反应器;(2) 两个等体积的全混流反应器串联；(3)保证总反应体积最小的前提下，两个全 混流反应器串联。解：(1)全混流反应器Vr =Q0CA0X AkCA.5(1XA)1.51.5 2 0.95317=18.02m5 2(1 - 0.95)Vr1Q0C A0X A1Vr2kcA0(J Xa1)1.5Q°Ca0(Xa2 - Xa1)kcA.5(1 _Xa2)1.5由于Vr1 =Vr2,所以由上二式得:Xai (Xa2-Xai)(

37、1Xa1)1.5(1Xa2)1.5将Xa2=0.95代入上式，化简后得到Xai=0.8245,所以:VM-¥匹 15 二 2.379 kCA.0(1-XA1)1.5用联系统总体积为：Vr = 2Vr1 = 4.758(3) (3)此时的情况同(1),即V” 18.033.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为 20m的全混流反应器, 进行液相反应：k1C A2R > Dk2CRC,Cr为组分A及R的浓度。ra为组分A的转化速率，d为D的生成速率。原料中 A 的浓度等于 0.1kmol/m3,反应温度下，ki=0.1min-1, k2=1.25m3/kmol.min

38、,试计 算反应器出口处A的转化率及R的收率。解：Q0四: 40min 0.5XaCR yr = R R cCA0CA0X AkiCA0(1Xa)0.1(1 X a)所以:Xa = 0.80,Ca = CA0(1 一 Xa) = 0.02kmol/m3CRklCA - 2k2CR即为：100cA CR 0.08 =0CR =0.02372kmol/m30.023720.23720.13.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应:2Au BA C k3 > DD = k3C aCc进料速率为30.69g/c m(1) (1)(2) (2)360l/h,其中含25%A,5%C均按质量百分率计算

39、），料液密度等于若出料中A的转化率为92%试计算：所需的反应体积；B及D的收率。已知操作温度下，k1=6.85X10-5l/mol§k2=1.296 x 10-9s1; ； k3=1.173X10-5l/mol.s ；B 的分子量为 140;D的分子量为 140。 解：因 MI=MD=140,所以 M=M=70F A0Q£WA = 360 0.69 25;。.。Ma70CA0K 迪3 = 2.46mol/l360FC0Q0 WcMc360 0.69 0.05 0.1774kmol/h70CA00.1774 1000 0.4929mol/l360CA0X A(1)(2)由,C

40、Bk3cAec(3)式分别得:一 k1 CA(3)将（4）,(4)CC01 k3 Ca（5）式及上述数据代入（1）式，可整理为（5）P的代数方程式，解之得T=3.831x 105s=106.4h2(kiCA k2CB) k3CACC2k1CAk2CB二 Cc0(2)(1)(1)反应体积 Vr = 9。= 106.4 父 360 = 383001 = 38.30m3（2）将。代入（4）式得 CB=1.016mol/l ,所以B的收率为:Yb2CbCA0对A作物料衡算:所以有：2 1.016 82.60%2.46Ca0-Ca=2Cb CdCD =CA0 CA 2cB = CA0XA 2cB = 2

41、.46 0.92 - 2 1.016 = 0.2312mol/1CD、1 YD 一 丁所以D的收率为：CA00.23129.40%2.463.17在CSTR进行下述反应：C6H 6 + Cl?-匕T(B)(C)C6 H5C1 HC1(M)(H)(1)C6H5C1 C12 k2 > C6H4C12 HC1(M)(C)C6H4CI2 CI2 k3 (D)(C)(D)(H)，C6H3C13 HC1(T)(H)如果 ki/k 2=8, k2/k 3=30,CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1.4 , ki r =1 l/mol,(2)(3)T为空时），试计算反应器出口 B,M,D,T,

42、C的浓度。各个反应对各反应物均为一级。解：CB0 = 10kmo1/m3,K/k2 =8,k2/k3 =3O,CCo/Cbo = 14kl =1分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：B: CB0 _Cb,Cbk1CBCCCB0r-CCMkICBCC - k2cMec,CMD： = 5,CDk2CCCM - k3CDCCT : =C1 ,CT =CCCD k3CCCD30C：Cc =CCo -Cm 2Cd -3Ct由(5)式得：8CbCC一 8 Cc 30CCCm240 CC1.4Cbo =CC Cm 2Cd 3CT = CC8CbCC8 Cc60CcCmCcCd240 Cc 10 C D

43、(6)联立(1) ,(2),(3),(4),（6）式（五个方程，五个未知数）：(2)式得:CM8CbCc8CboCc8 CC (1 CC)(8 Cc)(3)式得:30CcCm 2CD24Ocbocc240 CC (240 CC)(1 Cc)(8 Cc) (8)将（1）,，（8）式代入（6）得:_ _ 2_3-8CB0CC480CB0Cc24CB0CcB AC B B 0 CB 0 CB0 C1.4Cbo = Cc(1 Cc)(8 Cc) (240 Cc)(1 Cc)(8 %) (240，)(1)(8 Cc)整理得：Cc 475CC 3562c： - 9232CC - 26880= 0解得：C=

44、0.908 kmol/m 3代入（1）式得:代入（7）式得:代入（8）式得:代入（4）式得:-103CB2.301kmol/m3B 1 3.345CMCD8 2.301 3.3458 3.34530 3.345 5.427240 3.3455.427kmol/m3=2.238kmol/m3-13CT 3.345 2.238= 0.0312kmol/m330(4)（4）代入（2）式得:(1)(3)(4)验证：1.4CB0 = CC CM 2C D 3CT即.1.4 10 =3.345 5.427 2 2.238 3 0.031214.0 = 14.03. 18根据例题3.12中规定的条件和给定数

45、据，使用图解法分析此反应条 件下是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酊的转化率，使原料以0.001m/s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3.11,3.12知：_123 RA=kCACB =1.37 10exp（ 12628/T）CACBkmol/m3.sT0 = 326K,Q0 = 0.01m3 / h,Vr = 2.65m3CA0 =4.55kmol/m3,CB0 =5.34kmol/m33Hr =-33.5kJ/mol = 33.5 103kJ/kmolCpt =1980kJ/m3.K移热速率方程：qr =Q0：C

46、pt(T -T0)=19.8(T -326)放热速率方程：qg =(- Hr)(-RA)Vr 312= 33.5 103 1.37 10 exp(-12628/T)CA0(1-Xa)(Cbo-CaoXa) 2.65CA0(- Hr) I _ To _ X a绝热操作方程：Cpt由(3)式得：_Xa =l-Cpt(T -To)Cao( - Hr)'"个人收集整理仅供参考学习312_PCpt|g =33.5x103 x1.37x10 exp(12628/T)CA0 1p(T -T0)Ca0(AH r )PC ptI154 2Cbo p-(T -To) X2.65 = 553.3x

47、10 exp(-12628/T)(128.8-0.6291T +7.677x10-T )(-附) j一一(5)由(1)式及(5)式作图得:T326330340350360362.5365367.5370qg44.1163.87149.7314.8586.71670.8756.8：851.8942.1由上图可知，此反应条件下存在着两个定态点。如果为了提高顺丁烯二酸酊的 转化率，使Q=0.00im7s,而保持其它条件不变，则这时的移热速率线如q r所示 由图可知，q与qg线无交点，即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。 从例3.11可知，该反应温度不得超过373K,因此从图上知，不可能出现三

48、个定 态点的情况。3. 19根据习题3.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续 操作。试问：(1)(1)在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少？为什么？(2)若丙酸钠的转换率和内酸产量不变，所需空时为多少？能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时？(3)若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为(2)中单釜操作时平均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率。解：(1 )在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的 Vr=4512l,Q 0=57.84l/min,则可求出空时为 p =4512/57.84=78min。此即间歇操作 时的(t+t 0)。当改为连续操作时，转化

49、率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也 低于间歇反应器的结果。因 Q维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。这 是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。(2)若维持X=0.72 ,则可由3.3题中的数据得出X=0.72时所对应的反应速率， 进而求出这时对应的空时r =246.2min。因题意要求丙酸产量不变，故Q不能变， 必须将反应器体积增大至14240 l才行。(3)这时r 1=r/3=82.1min。利用3.3题中的数据，可求出 RAXa之关系，列 表如下：Xa00.10.20.40.60.8-Ra0.1719 0.13910.10960.06016:0.02363:0故可用作图法求此串联三釜最

50、终转化率。第三釜出口丙酸钠的转化率为: Xa3=0.787。3. 20根据习题3.8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为98.9%,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：(1)二个300 l全混用联釜，2=0.989,QoXA1 二 300k(1 Xa1)(1)个人收集整理仅供参考学习Vr2Q0(XA2 XA1) 二 300(2)k(1XA2)解得：Xai=0.8951代入(1)式求出此系统的体积流量:Q0,2300 0.08(1 0.8951)0.8951=2.812l/s= 168.71 /min3.8题中已算出Q0,1 =

51、 16.021/min 0因为最终转化率相同，故生产能力增加168.7/16.02=10.53 倍。(2)二个3001釜并联，在最终转化率相同时，Q增加一倍，生产能力也增加一 倍。3. 21在反应体积为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酊水解反应，进料体积流量为0.05 m3/min,醋酊浓度为0.22kmo1/ ml,温度为25C,出料温度为36C, 该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于 -209kJ/mo1,反应速率常数与温 度的关系如下：k=1.8 义 10-7 exp(-5526/T),min -1反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m3,热容可按2.94kJ/kg. 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：(1) (1)反应器出口物料中醋酊的浓度；(2) (2)单位时间内反应器向大气散出的热量。解：T0 = 298K,T = 309K,Q0 = 0.05m3/minHr = 209 103kJ/kmo1k = 1.8 107exp(-5526/309) = 0.308(1)(1)求转化率：Vr 二Q0XAfk(1XAf)0.05XAf0.308(1 - XAf)= 0.75解得:XAf=0.8221反应器出口物料中醋酊浓度:CA = CA0(1 一 XA) = 0.22(1 一 0.82