化学反应工程作业解答

1、解解6.气相基元反应A+2B-2P在30C和常压下的反应速率常数C=2.65XlOWkinol-s-现以气相分压来表示速率方程，即（-/a）=Wb2求Rp（假定气体为理想气体）解T=273+3O=3O3Kkc=2.65x104m6kmor2s_1c=-RT-1=kc心=k厶ACABRTRT）k_kc_2.65x104m6kinor2s-1卩（RT）（8.314kJkxnorK-1x3Q3KJ=1.655x10kmolm3s4kPa*310考虑反应At3P,其动力学方程为-“冷普=吟试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。解APp总/=0A0/?A0Paot=ta3（ao-a）Pa3（“ao-a）

2、3ao-2PaPa=M（*ao一愿.）“A_（3a-p/2RTdA：2RP总?2；加气严1Vd/Vdp总d/=(3ao一卩总)14在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：CH.COOH+C4H9OHhCH3COOC4Hp+H.O(a)(b)(r)(s)反应物配比为：A(mol):E(mol)=1:4.97,反应在100CF进行。A转化率达50%需要时间为24.6mm,辅助生产时间为30mm,每天生产2400kg醋酸丁酯(忽略分离损失)，计算反应器体积。混合物密度为750kg-nr3,反应器装填系数为0.75。A+BR+S6074116R产量2400/24=100kg-hr1

3、罟=0.862kmollu_1转化率50%,贝ijA的投料量竺竺=l724kmolhr10.5折算成质量流ftl.724x60=103.4kg-In-1A:B=1:4.97则B投料fil.724x4.97x74=634.lkg-hr-1总投料Ml03.4+634.1=737.5kg-hr-1换算成体积流量三U=0.9834n?hf750546总生产时间24.6+30=54.6min折合=0.91hr60反应器有效体积0.9834x0.91=0.8949m反应器总体积竺空=1.2m0.75有如下化学反应CH4+C2H2+HY2HYH4(I)(A)(B)(P)(I)在反应前各组分的摩尔数分别为/i

4、o=lmol；/?A0=2mol；/?Bo=3mol；/?PO=0,求化学膨胀率(用两种方法)。解方法一=)AOA1-1-15_1v211A丄)AO1+2+33A3方法二V-VU_K.v=lK.v=0l+0+(3-2)+2-(1+2+3)_1CAVr.v=O1+2+33在555K及0.3MPa下，在平推流管式反应器中进行气相反应AP,已知进料中含A30%(摩尔分数)，其余为惰性物料，加料流量为6.3mols,动力学方程式为-rA=0.27cAmolms-1为了达到95%转化率，试求：所需空速为多少？反应器容枳人小？63xl0-x&314x555.15300=0.0969m3s1=f95Jo02

5、7(1-xA)0l7hl1-0.95_1L1()SS厂宀ll10T=009sTVR=0.0969x11.10=1.075m3cA=0.0736kmolnT0.2标准空速为：XA=-00736=0.92641yCTpQSvk。-0.096927315X03=555.15x0.1013_o.131.07520.液相一级不可逆分解反应A-E+C于常温下在一个2m，全混流反应器(CSTR,MFR.连续搅拌槽式反应器)中等温进行。进II反应物浓度为lkmolmP,体积流量为InPhr】，出II转化率为80%。因后续工段设备故障，出II物流中断。操作人员为此紧急停止反应器进料。半小时后故障排除，生产恢复。

6、试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少？解v_cao-Q%-农T=1oi2首先求反应速率常数全混流反应器切断进出f斗即为间歇反应器仏=严CA0=尸心反应A+EtR+S,已知VR=0.001m3,物料进料速率V0=0.5XcAo=(Bo=5mol-m3,动力学方程式为-=竝乂5，其中1OOnkinol-hiun-1。求：(1)反应在平推流反应器中进行时出丨I转化率为多少？(2)欲用全混流反应器得到相同的出丨I转化率，反应器体积应多人?(3)若全混流反应器体积VR=0.001m3，可达到的转化率为多少？已知k=lmkmolhri,CBo=3kinol-m3,caitifn=0.02kinol-

7、nr3,水溶液流量为lOnPlu。解平推流人_1L%一1(_i)V0kCA0J(1-Q怨。l-GAAf=1-.VRkcA0=_,0.001x0.1x5=50.00051+_1+全混流冬=So-J=So-J=5-25石-rAkcAcB100 x0.0025,VR=VQr=0.5xIO，x4=2xi03m3岭So-A=A0_CA_aOAV0rAkgMoG-a)2(2)1=0.00111?=0.5x103xa100 x0.005(1-xA)2xA=0.3820在全混流反应器中进行如卜等温液相反应:2A-B+Cr(=kcfA+E-2DfD=22CACBA的初始浓度为2.5kinol-m-A和C的出II

8、浓度分别为0.45和0.75kinol-m-3o假设进口物流中不含E、C、D,反应时间为1250sec,求：出口物流中E和D的浓度；血和居。解反应共消耗A2.5-0.45=2.05kmolm-3每消耗2个A生成1个C,生成C所消耗flA2x0.75=1.5kinolnr3生成D所消耗的A为2.05-1.5=0.55kinolnr3每消耗1个A将生成2个D,因此D的11口浓度为155x2=1lkmolm每生成1个C伴生1个B,但每生成I个D又消耗0.5个B,所以，B的浓度为).75-0.5x1.1=0.2kmol-m-3q卄0.75-0rck、x0.45&=2.963x10-3mnols-1r=

9、-1250=rD2kix0.45x0.2=4.889xl0-3m3kinor1s-15可逆一级液相反应A；p,己知=05knx)lm巳cP0=0；当此反应在间歇反应器中进行，经过8mm后，A的转化率为33.3%,而平衡转化率是66.7%,求此反应的动力学方程式。解-Zk=-=A-匕=k“-kg-cj0=5。(17)Cp=S一等=A0(l-A)-/：2CaoA-茁=人-伙i+k2)xcLvh-(+kjx=drt=0.x=0-1ln_&+/)x_fk,S(A_耳_0667Cl。(1e)1e10.667-1x=0.333r=8111/1-、x0.333=8X2丿丿-10.6931_父丘1応=8人+人

10、=0.08664kJkr=2J/=0.05776minTU,=0.02888min_1-7X=-=0.0577&A-0.0288&d/8在两个串联的全混流反应器中进行一级反应，进出II条件一定时，试证明当反应器人小相同时，两个反应器的总容积最小。证ZRASTrR=lkinol-mniur1住=2cakinolm-hiiiir1rr=(?Akinolm-hiuir1其中R是所要求的目的产物，cAo=lkinobmo试问在卞述反应器进行等温操作时，预计最大的cr为多少?全混流反应器：（2）平推流反应器。10.A进行平行分解反应，其速率式为解低浓度操作对生成目的产物R有利，对全混流反应器，可在极低的

11、浓度卞操作Cr=(SoSf)Sp=(CAO一CA)1+2ca+cAf=1对平推流反应器，则尽量使其转化率提高。Cr=(%-Cf忌=dcA几1+3%=-111=0.462nx)lm331+015级不可逆连串反应h=025hrXh=005hi,进料流率为InPhr1,cAo=lkinol-nrcbo=cco=O试求：采用两个$=山的全混流反应器串联时，反应器出【I产物B的浓度。解1CA=CAO(VJ+第一个反应器出口：cA1=7-=0.8kniolnr3(1+0.25丿第一个反应器出口:cB=0.1905kmol-nrm(1+0.25X1+0.05)AQ第二个反应器出口：=:=0.64kniobn

12、r3(1+0.25)就第二个反应器又曲作物料衡算：V0CB2-%=伙仏-2K从中解出Cb：*%+%0.25x0.64+0.19051+0.05=丄匸&=03338kmolmVo+Ir17已知常压气相反应2A+E7R+S动力学方程为-“=kg-kg，试用下列三种方式表达动力学方程:组分分压；组分摩尔分率；组分初始浓度和A的转化率。-7=kg-g=k.-k2帶Pa=PQa-rA=kl(y；/一人(賭二=P息RTa+bI-n;fA、RT1一“Al=A0_1+_R0+11+g(1-“AfA=kiCao人I1+1k“RO+40入人1+gc“BO_O5Ca0“AB1+Egr_“so_0CaXas177?-

13、I/hGo_O5Ca0“aGo+5Ca(Xa1+g)19均相气相反应A-3P,服从二级反应动力学。在05MPa、350C和Uo=4m$hW采用一个25mm内径，长2m的实验反应器，能获得60%转化率。设计一个工业平推流反应器,当处理量为320n?hr】,进料中含50%A,50%惰性物料时，在2.5MPa和350C下反应,为获得80%的转化率.求需用25mm内径，长2m的管子多少根?这些管子应并联还是串联？解(1)求速率常数kaoRT&3际6纽严965诚2Vrx0.025x2=9.817x10-)21_a1+2心1辰AOO4x0.6+12111(l-0.6)+l-91X4.905r=SI。=2.

14、454x10-4hi-=0.8836sK4k=4.905x=57.52mkmosTrcAQ0.8836x0.0965(2)求反应器体积和管数)A0=3$A=A0A=05x2=2,xA=0.8Vo=320mhiT=0.08889111V10.5x2500 x0.088898.314x673.15001985kmolsTPagRT0.5x25008.314x623.15=0.2334kiiiol-nr3+4111(1-xA)+xA0.0198557.52x0.233424J-0.8+4111(1-0.8)+0.8-4=0.06564m30.065649.817xl04=67管子的串并联要从流体阻力

15、和流型考虑，在保持平推流的前提卜尽量并联。20.有一气相分解反应，其化学反应式为AtR+S,反应速率方程为-kkc&反应温度为500Co这时测得的反应速率常数为R=0.25m3kmol-is。反应在内径为25mm、长为lm的管式反应器中进行，器内压强维持在101.3kPa（绝），进料中仅含组分A,当其转化率为20%,空间速度为45111（反应条件下的计算值）。试求反应条件卞的平均停留时间和空间时间。解=A05A=lx=11101.31心ACA01+1.=aoA0RT8.314x(273.15+500).=VonT273.15=w=0.01576kiiiolnr37c=0.00785lhr=28

16、.26sSvVQS、T45x(273.15+500)严_1w1+心&AOjo(弋)(1+5厂砂(1-aa)2AI791-；+ln(l-AAf)-l1i(l-0)oU-Af1-0丿10.25x0.01576U-0.2+2=70.3s非理想流动1.有一有效容积VR=lm送入液体的流量为1.8n?lu-A的反应器，现用脉冲示踪法测得其出口液体中示踪剂质量浓度变化关系为：t/mm01020304050607080c/kgnr3036543210求其停留时间分布规律，即F（f）,E,na；解示踪法求停留时间分布规律Z/ninic/kg-m3EcFEQ)tct2c000000010330.1250.012

17、53030020690.37500.02501202400305140.58330.02081504500404180.750.01671606400503210.8750.01251507500602230.95830.00831207200701241.00.0042704900800241.0000L248033200ytc8oot=33.33mm工c2433200-f2=-33.332=272.2mnr242.对某一反应器用阶跃法测得出门处不同时间的示踪剂质量浓度变化关系为:Mmin0246810121416c/kgnr300.050.110.20.310.430.480.500.50

18、求其停留时间分布规律，即F(f),E,na；解：阶跃法求停留时间分布规律co=O.5kgmZ/nunc/kg-nr3ZcFEQ)ZAcc。f2Acc000000020.050.050.10.050.20.440.110.160.220.060.481.9260.20.360.40.091.086.4880.310.670.620.111.7614.08100.431.10.860.122.424120.481.580.960.051.214.4140.52.081.00.020.567.84160.52.581.0000Z7.6869.12A工论-r2=69.12-7.682=10.14min2=7.68111U13.请将习题一中停留时间分布规律用对比时间&作变量，求F(&),E0,er-解tr=巧=rb;LrKr=vR_iKL5=33.33mintiiiin01020304050607080c-kg-nr3036543210Ee)=rE(t)00.41660.8330.6940.55560.41660.27660.1390尸=F（r）00.06250.250.47920.66670.81250.91670.97921.0尸(&)=尸(e(0)=te(i)f_3333-7_333