化学反应工程王承学课后答案第三章

1、03-1在反应体积为1m3的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇HCOCHCH+HOTHCOHCHOHCH23223该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为098h一1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3，环氧丙烷的最终转化率为90%。若辅助时间为0.65h，天24h连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？HCOCHCH+HOTHCOHCHOHCH2(A)一级反应1ln0.98TO9Af=235h1Ct=_lnaokCAfV1m31v=二m3/h0t+1(2.35+0.65)h30丙二醇日产量=24V0CA0XAf124x_x2.1x0.9=15.12kmol

2、/天=3M=76kg/kmolB丙二醇日产量Q=76x15.12=1149-12kg/天3-2一个含有A和B液体(CA0=0.10mol/L、cB0=0.04mol/L)以体积流量2L/min流入容积VR=10L的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A-2B+C。已知由反应器流出的物料中含有A、B和C，cAf=0.04mol/L。试求：在反应器内条件下，A、B和C的反应速率？T解空时V=_Rv10L2L/minC-CAOAf=TrAfC-C(O.1-O.O4)mol/Lr=AOAf=Aft5min二0.012mol/Lminr=2r=0.024mol/(Lmin)BfAfr=r=0.012

3、mol/(Lmin)CfAf3-3一个液相反应：A+BR+S其中，k=7L/(molmin)1，k=3L/(molmin)2反应是在一个容积为120L的稳态全混流反应器中进行的，两条加料线，一个保持2.8mol/L反应物A的加料浓度，另一个保持1.6mol/L反应物B的加料浓度，两条线分别以等体积速率进入反应器，要求指定组分转化率为75%。求每条线的加料流量？假设反应器内密度为常数。解A+B_R+Sk2因B的浓度低，所以为指定组分，两条线混合后两组份的浓度各降一半因此，有：c-ccx=B0Bf=1一=75%BfccB0B0c=0.2mol/LBfc=CCX=1.40.8x0.75=0.8mol

4、/LAfA0B0BfA+BR+S因此，k出口2c=0.8mol/L初始1.40.800Afc=0.2mol/L反应掉0.60.6生成0.60.6Bfr=kcc-kccBf1AfBf2RfSf=7x0.8x0.2-3x0.6x0.6=0.04mol/Lminc-c=B0BfrBf0.8-0.20.04=15minVV=R总加料速率0V=8L/min15min每条线加料流量V0v0=4L/min23-4某液相二级反应A+BR+S,其速率常数k=992m3/（kmo1ks）,在全混流反应器中进行，c=cA0B0=2mol/L，要使出口A的转化率达0.875。求（1）在单个全混釜中进行，进料体积为0.

5、278m3/ks，求全混釜体积?2）当进料体积流量不变，用两个相等体积的釜串联，求全混釜总体积。解1.v=0.278m3/ks0c=c(1-x)=0.25mol/Lc=0.25mol/LAfA0Af，Bf=2.823ksc-ccx2x0.875=A0Af=A0Af=rkcc9.92x0.252AfAfBfV=vT=0.278x2.823=0.785m3釜体积为R0V=VRTOC o 1-5 h z2.两釜串联RiTx-xA2Alkc(1-x)2A0A2xT=T=Al12kc(1-x)2A0A1x=x=0.875A2Afx=0.725A1xt=ai=0.483ks1kc(1-x)2A0A1=vt

6、=0.278x0.483=0.134Ri0iA+R-P（目的）r=2ckmol/(m3h)pA2A-Rr=0.5ckmol/m3hRA=2V=2x0.134=0.268m3RRi因此，采用两个等体积釜相串联，反应器的总体积减小近3倍。3-5在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应：c=c=2kmol/m3A0B0试计算反应2h时A的转化率和产物P的收率？A+R-P（目的）2A-R=2r+r=3cRpA1rprR=2cA=0.5cAk=3h-1xAf=0.143rS=_pprAY=Sx=2x0.143=9.52%ppA33-6图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器，eA=0,A初始浓度为=3l/（

7、L）2moi/L,要求转化率为80%,rA=3cAmo1/匕mm，求每釜的空时ti和总反应空时。解图解法公式11r=c一cAiTAHTAi,ii式中左边为反应速率线，右边为釜间的操作线，两个釜有一个交点即为方程的解，其垂直向下做横坐标的垂线垂点的浓度值就是该釜的出口浓度值。r一3cx=80%rA3cA，xAf80%，所以,出口浓度为C=0.4mol/L以浓度c为横坐标，以反应速率为纵坐标，在坐标上绘仃一3cA通过原点的直线，当第一个釜入口为C=2mol/L时，以它为起点，以-1/Ti为斜率向左A0上方作直线与rA一3CA线相交于一点，用该点向下作垂线，求得第一釜的出口浓度，再以该浓度为起点继续

8、做平行第一条线的平行线，以此类推，要做出四条平行线，来调节平行线的斜率使第四釜的出口浓度正好等于C=0.4mol/L即为结束，然后在坐标上求得平行线的斜率值就为-1/ti,定出ti值，总空时为4ti。经画图求得斜率近为6,的空时为1/6min，总空时为2/3min。注意：当相串联的反应釜体积不相等时，通过各釜的空时不等，直线的斜率就不等。3-7在等温操作下的间歇釜中进行某一级液相反应，13min后反应物转化了70%，若把此反应移到平推流反应器和全混流反应器中进行，达到相同的转化率所需的时空和空速为多少?解间歇釜1lncAOct=13min，cAf一c(1一A0 x)Af一0.30cA0k一0.

9、093min-1r一kc，AA平推流Txdx一fXAAc0rA0Adc1cT一一fcAA一一-lnAf一13minAfckckcA0AA0全混流c-cc-cT=AOAf=AAf)=25.09minrkcI-x-AfAOAf3-8在某一全混流反应器中进行均相液相反应A-R,仃=kcA,转化率xA=0.50，其他值不变，（1）若把反应器的体积增大到原来的6倍,转化率为多少?解A-R,rA=kcA2（2）若反应在一个与其容积相同的平推流反应器中进行,转化率为多少？x=0.5,Afc-cT=AOAfrAfV=TvRVR1）0=6VR2）T=jXAmOkc2A0c-cAOAfrAfVRm解得=VRpcx

10、-f=此时xAfkcA0T二6txAf2nkckc(1-x)2A0A0Af=0.75=75%T=Tm12kcA0dxArAcAfckc2A0A1=c3A0dccc丿AfA0 x=66.67%AfkcA03-9在555K、03MPa的平推流管式反应器中进行A-P的气相反应。已知进料中含30%（摩尔分数）A,其余为惰性物料，A的加料流量为63mol/s,动力学方程为：r=0.27cmol/(m3s)AA为了达到95%的转化率,试求反应器的容积大小？解A-P（气相总摩尔数不变的反应）r=0.27c（mol/m3s）AA平推流cdcT=ICA0Alnao0.27F-=0.95.t=ln0.27c0、=

11、11.09sc_(1-x_)ppy0.3x106x0.3aoRTRT8.314x555v=_=0.32m3/sc二ao二a二oT95V=tv=3.55m3R03-10一级气相反应2ATR+2S在平推流管式反应器中进行，当空速为lmin-1时，纯A进料的转化率为90%，求A的转化率为95%时，该反应器的单位体积进料量。解2ATR+2S（气相等压变摩尔数反应）其膨胀率为：利用一级等压变容公式：kT=(1+)ln(1x)8xT代入T=1min,=0.5,x=90%kx1=(1+0.5)ln(10.90)0.5x0.90解得k=3min1(2)同理k=3min-i,8=0.5,x=95%AAf2r二1

12、.34min2又V乂R单位反应器体积进料量为v/V02=rv=rvv=0.746vo202o2ot=0746m3/m3R=1/23-11均相反应Af3R,服从二级反应动力学，在0.5MPa、623K和V0=4m3/h纯A进料下，采用一内径为25cm、长加的实验反应器能获得60%转化率。为设计工业规模的反应器，当处理量为320m3/h时，进料中含50%A和50%惰性物，同样在05MPa、623K下反应，要达到80%转化率，试问：需内径2.5cm、长加的管子多少根？解此题为二级等G+8xAAf+82x1xAAfAf313_2=2厂krcA0一根管子时：8A1压变容反应过程+28(1+8)ln(1x

13、)AAAfx二60%A1krc1A01xAlAl+82x_1xA1A1A1G+2x0.6+22x0.6+2x2x3ln0.4+28A1+8MnGx)A1A104=4.9051)在进料含50%A和50%惰性物8=l2=1A22x二80%A2krc2A02+82xA2A2+82x1xA2A2A2+28G+8)ln(1-x)A2A2A2=10.362cp2A01=AO1=_cp1A02A02(1)Tc01A01=0.473Tc2A02VR1v01VR2v02nvR1v=4m3h，v=320m3/hv，且010202式得工X2=0.437nv01n=338根，并联阻力小较好3-12该体系为间歇等温恒容

14、过程，反应前后分子数没有变化，因此可用浓度来表达，根据P.V=niRT关系，变为P.=CiRT。假设该反应为一级，将其积分关系式变为：kt=lnCao=lnPA0PAA以lnPA0/PA.对反应时间t.作图可得一条直线，其斜率为：k=0.0278s-1,该一级反应的动力学方程为：r=0.0278C将该反应用于平推流反应器中，用类似的公式kT=lnCPA0=InA0CpAfAf可求出反应空时。平推流反应条件为：初始分压P=0.1*0.8Mpa，转化率为0.95,P=P(1-x)A0AfA0A=0.004Mpa，所以空时为1/0.0278*ln0.08/0.004=107.76s=1.8m.n，反

15、应器体积为:V=tF/CRA0A0,F=100mol/h,A0C=P/RT=0.08/(8.314*373)=25.8mol/m3所以，反应器体积为1.8*100*25.8=0.116m33-13一个平推流管式反应器，AR为：的一级可逆反应其反应速率方程r二0.04c一0.01cmol.(Lmini)AAR，进料中含有A0二0.1moljL的a水溶液。求：平衡转化率；在反应器中的实际转化率。解：该反应为一级可逆反应，恒容过程(1)平衡转化率k+kcAo当反应达平衡时厂Ae/k0.04,k0.01cAe0.2cAo0.02mol/Lc一c:AoAe80%CAo在反应器中转化率：.xAedCa0.

16、04c一0.01(C一C0.05C一0.001dtA积分上式得：0.05C一0.001Ln(A0)0.05C0.001AA0A)V2Rv0(2)将AOXA一0气，mOl/(L罰一1)变为A浓度关系式,即：Ln(整理上式有：11.25XVRvv00XAf二1(1-ev0)1250，即出口转化率与进料速率有关，进料速率Af增大转化率下降。当v0=2L/min时，转化率为0.5063-14在一平推流反应器中进行下列反应：A一R一kTS反应均为一级反应，反应温度下k=0.3min-1,k12=0.10min-1，进料A的浓度为Cao,进料流量为150Lmin。试求目的产物R的最高收率和最大选择性，以及

17、在最大收率时的反应体积。dY0R二0解：对于一级连串反应的中间产物R，令dT，则其收率计算公k1(e-kiez)IT-k121式为：Topt1巾硝):-0.1=5.493(min)kT0.30.112代入收率计算公式中0.3Y(e-0.3x5.493e-0.1x5.493)-0.5775R0.1-0.3最佳转化率：1-x-j-e即opt-e1.65optcAox-1-0.192-80.8%A,opt所以，此时总选择性S-Yr/-0.5775十0.808-71.47%RX/RVv-0.2747(m3)Ropto3-14二级液相反应，反应物浓度为1mol/L，进入两个相串联全混流反应器中，严0.5

18、,在第一反应器出口A的浓度为05moljL,求第R2二个反应器出口A的浓度。根据已知条件列方程式为：Vc一cc一cR1=T=A。A1=A。A1V1rkc2oAfA1V2Vc一cc一cR2-二R1T二A1A2:A1A2VV2rkc2ooAfA2cA。-ImolL,c-05molL:.cA2025molL3-15有一个二级液相反应ATR,在一个全混流反应器后串联一个平推Ao流管式反应器中进行。进料中A的浓度为4mol在全混釜出口处a的浓度经测定为1moljL,平推流管式反应器的体积是全混流反应器体积的3倍。试求，平推流管式反应器出口A的转化率。A1R1TV1。rAfA1-A。V3VR2_R1v。T

19、-icA22kc2A1dc111A（一）crkccA1AfA2A1.c4molL,cImolLAo:A1:.c0.182mol厶x818%A2A23-17下列反应A+BTR,r二kcc21ABA+BTD,r二kcc21BA(1)若R是目的产物，选哪种反应器和加料方式好，为什么？(2)若D是目的产物，选哪种反应器和加料方式好，为什么？解(1)目的产物R的瞬时选择率定义为:c随A的浓度降低R的选择性提高，cc若R是目的产物，A低B高选择性高，半连续式操作或平推流反应器,将B一次加入或从入口加入，二A物料连续慢慢分散加入。3)目的产物D的瞬时选择率定义为:c=_jacBc随B的浓度降低和A的浓度提高，D的选择性提高，cc即，A高B低的平推流管式反应器或半连续式操作，与上述加料相反。3-18有一个自催化反应A+AP+P,其速率方程为仃=kccAP,反应温度下k=1m3(kmo1-min),cAo=2kmoVm3,处理量为1kmol,h（99%A,1%P），要求最总转化率为90%。（1）根据反应特征怎样确定反应器型式及组合？计算反应体积？（2）如果采用循环反应器，确定最佳循环比和它的体积。解：（1）本反应为自催化反应，因此选择全混釜串联管式反应器。（详见P56-57）总浓度为C=C+C=C+C=2+0.2=2.02kmol/