化工原理习题及答案釜式反应器

3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：CHCOOCH3 2

NaOH

COONaCHOH3 2 5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0.02mol/l/mol.min95%。试问：（1）（1）1m3时，需要多长的反应时间？2）（）若反应器的反应体积为2m3tC

XAf dXA

XAf dXA

1 XAA0 0

(R

A0

k2C

(1X

kC 1XA A0 A0 A A0 A 1

0.95

169.6min(2.83h)解）5.60.02 10.95(2)2.83h。拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：CH2

OH NaHCO2

OHCH2

OHNaClCO2 220/h，15%（重量）NaHCO3

水溶液重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸1：11.0295%。（1）（1）0.5h，试计算反应器的有效体积；（2）（2）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=0.3226kmol/h0.326680.5/h每小时需氯乙醇：0.9530%0.326684190.2kg/h0.9515%91.11190.2Q原料体积流量：0

275.8l/h1.020.32661000C氯乙醇初始浓度：A0反应时间：

1.231mol/l0.95275.8t

XAf dXA

1 XAf dXA

1

2.968hA0 0

kCCA

kC A0

(1X A

5.21.231 10.95r反应体积：Vr

Q(tt')275.8(2.9680.5)956.5l0 V r 1275l（2）（2）反应器的实际体积：

f 0.75丙酸钠与盐酸的反应：CHCOONaHClCH2 5 2

COOHNaCl5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50℃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0.515N的NaOH应时间下，NaOH时间，min010203050∝NaOHml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500kg/h，且丙酸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℃）所需的时间为20mi时间，min010203050∝NaOHmlA,B,R,S（1：1）为：C CA

0.515V10

NaOH

mol/l于是可求出A的平衡转化率：X CA0CAe

52.510.50.8Ae CA0

52.5X XA

90%0.890%0.72C A

(1X )A0 A

0.51552.5(10.72)0.051514.7mol/l10现以丙酸浓度对时间作图：

×14.7mol/l时，所对应的反应时间为48min。由于在A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。500kg/h=112.6mol/min所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min。0原料处理量为：Q0

F /CA0 A0

156.4/(0.051552.5)57.84l/minr反应器体积：Vr

Q(tt0

)57.84(182010)4512l实际反应体积：4512/0.85640l在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：ABRr其反应速率方程为：A

11000 1.1 1014exp(

Ckmol/m3.hA BABCCA B

kmol/m33.K3混合物的温度为50℃。（1）（1）A85应温度。（2）（2）如果要求全部反应物都转化为产物R，是否可能？为什么？解：(1)TT0

CA0

(HrCF0

)(XA

0.04(4000)X )323 XA0 4.102

32339.01XAtC

XAf dXA

XAf dXAA0 0

(R)A

A0

kCCA BC A0

dXA 1.1 1014exp(

(1X

91.32h（由数值积分得出）

32339.01XA

A0 AT32339.010.85356.2K(2AR然是不可能的。

=1.0,则由上面的积分式知，t→∝,这显A在间歇反应器中进行液相反应：ABC r kCCACBD r

1 A BkCCD 2 C B3,C，D的初始浓度为零，B过量，反应时间为t1

时，C

3，CA

=0.038Ckmol/m3，而反应时间为t2

时，C

=0.01kmol/m3，CA

3，试求：C（1）（1）k

/k;2 1（2）（2）产物C的最大浓度；（3）（3）对应C的最大浓度时A的转化率。解：(1)因为B过量，所以：rkrk'C,rk'Crrk'Ck'CA1A D2CCAD1A2CdC

A dt（A）dCCdt(B)

1Ak'C1A 2C（B）式除以（A）式得：dC k'CC 1 2CdC A 1A解此微分方程得：C CA

k'2C k' C2A 1 A1C k' C C12 A0 A0k'1

（C）将t,C,C及t,C

数据代入（C）式化简得：1 A C 2 A C0.420.380.420.550.380.1解之得：k' kx 2 0.525 2k' k1 11kk 21X1kXA,max

1()k2

0.7425产物C1 kY 1X 2 1X 0.4905kkCkk

A 1 A1 2k1产物CCC,max

CYA0C

0.10.49053在等温间歇反应器中进行液相反应1A11

AA32 33初始的反应物料中不含A2

和AA3

的浓度为2mol/l，在反应温度下k1

2

-1。试求:3（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。13）（3）将上述反应改为AAk31

反应时间无限延1 2 3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：2(A)2当(B)当

Ak123123时，（A）式变为时，（A）式变为k'02k'0

kA

AAA1 2 3AAA(C)当k'当1

10,k'2

0A式变为

AA2 3

1 2 3(D)1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1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：dC1kCk'Cdt(1)dC

1 1 1 12kC

k'Ck'CkCdt 1 1dC

2 3 1 2 2 2

(2)322dt kC322

k'C2 3

(3)由题意知初始条件为：(4)

C(0)C1

,C(0)C2

(0)0联立求解此微分方程组可得：k'k'

kk' k'et (k'etCC

2 1

1 1 2

2 1(5)

10

(k) (k1 1

kk' k k'et (k'etC C 1 2 1 2 2 2 10

(6)

kk

kk et etC

1 2

1 2 3(7)

10

式中，,由如下式确定： kk'kkk'k'(8)

1 2 1 2 2 1(9)

(k1

k'k1

k')2现在可用上述结果对本题进行计算：（1）k4.0min1,k'3.6min1,k1.5min1,k'

0,t1min1 1 2 2由（5）～（9）式得C 0.5592mol/lA1C 0.5098mol/lA2C 0.931mol/lA3（2）当t→∝时，由（5）～（9）式得C CA1 A2

0 C1A31

2.0mol/l1（3）此时为k'1

0的情况，当t→∝时，由k4.0min1,k1.5min1,k'2

3.6min1得：C 0A1C 1.412mol/lA2C 0.588mol/lA3拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：A2BR r kCC21 A B2ABS r kC2C2 A B目的产物为R，B的价格远较A贵且不易回收，试问：（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？rA RRBAkCrA RRBAS

1 A kCC22k

C2C

2kC1 2 A1 A B

2 A B kC解1） 1 B由上式知，欲使S增加，需使CA

低，CB

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。保证CA

低，CB

高，故可用下图所示的多釜串联方式：CA

低，CB

高，可以将B一次先加入反应器，然后滴加A.300l86℃3的过氧化氢异丙苯溶液分解：CHC6 5

)COH32

COCH3

CHOH6 5-1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量。（1）（1）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）怎样？1）t

XAf dXA

XAf dXA

1ln 1A0 0

(RA

A0

k CA0

(1

) k 1XA A 1ln

56.37s0.94min0.8 10.989V Qr

(tt0

)Q0

(0.9415)300lQ 300/15.94 18.82l/min0苯酚浓度C

C XA0

3.20.989/l苯酚产量QC

18.823.165/min/h0 苯酚全混流反应器QC XV 0 A0

QX0 Afr

(1XA0

) k(1X )AfV 0

k(1X AfXAf

3000.08(10.989)0.989

0.2669l/s16.02l/min苯酚产量QC

16.023.20.989/min/h0 苯酚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。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CAB

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：ABR rR

kmol/m3.hA2AD rD

8.2C2kmol/m3.hAr及rD

分别为产物D及RAB液，其中A的浓度等于2kmol/m3。（1）（1）计算A的转化率达95%时所需的反应时间；（2）（2）A的转化率为95%时，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）95%？（5）（5）（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）B1m3，A3，试计算AAR(2)S

dC dC dC( R)/( A) R

1AR dt dt dCA

2 1A A AC A

(1A0

)2(10.95)0.1kmol/m3AC CAR CA0

SdCR

0.12

1110.25CA

110.25

ln(110.25CA

)20.10.2305kmol/m3C 0.2305Y R 0.1153C 2A0(3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：28.2C

32.8(1XA)D 1.616.4CA

34.432.8XAD的收率：X

0.9532.8(1X )0.7Y AfSdX 0.7

A

0.8348D 0

A 0 34.432.8X AA这说明能使D的收率达到70%（4）对全混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有0.3958

C CA0 A解之得：CA

1.6CA

16.4C2AX所以：A

CA0CA0

A0.77840.95这说明在这种情况下转化率达不到95%。0.95（5）（5）对全混流反应器，若X=0.95,则RY SXR

110.25C

Af(1

0.95 0.4691) 110.252(10.95)A0 Af（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ARAR变化关系，现列出如下的微分方程组：dA

2QC对A: dt对R:dRdt

A AV0A

0 A0

（1）（2）VV0

Qt0（3）V0

1m3在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t≈0.4h）内将0.4m3的AQ均速加入反应器内，故0

0.40.4

1m3/h采用间歇釜操作时，原料为A与B2kmol/现采用半间歇釜操作，V 1m30.4m3，故可算出原料A的浓C度为：A0由于：

(10.4)20.4

B Akmol/m3d) dV dCA Cdt

V Adt dtd) dV dCR Cdt

V Rdt dtdVQdt 0代入12）式则得如下一阶非线性微分方程组：dCA

7CA

2dt 1t A A（4）dCR1.6Cdt

RC1tC（5）初始条件：t=0,C=0,C=0A R可用龙格---库塔法进行数值求解。取步长△和CA R

可以进行A的转化X率和R

N N A0 N

C VA0 C

CVAVA0 A0 A

AV

为所加入的A的浓度，且A A A0C=7kmol/m3；V为反应结束时物系的体积，V=3。A0CVY R同理可以计算出R的收率：R

C VA0 A3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：2AB rA

68C2kmol/m3.hABR rR

kmol/m3.hB3,流量为4m3/h,要求A的最终转化率为90%，试问：（1）（1）总反应体积的最小值是多少？（2）（2）此时目的产物B的收率是多少？（3）（3）如优化目标函数改为B此时总反应体积最小值是多少？Q1）QV V V

QC X0 A0

0CA0(XA2

X )A1r r

r2 kC

(1X

kC

(1X )21 A0 A1 2 A0 A21XA1

1 0对上式求dV

/dXr

=01XA1 A1

(1X )2A2将X=0.9代入上式，则100(1X

1XA2解之得XA1

A1 A1所以总反应体积的最小值为4 0.741 0.90.741V V

680.2(1

(1

3.2494.6767.925m3r(2)

r1 r2

2 2 R 2B

BC A1

(1XA0

)0.0518R 34C2B1

14CB1

0.09123B1V r1CB1CB0V1 Q R0 B13.249 CB14 0.0912314C即B1即解得

=0.005992kmol/m3B1 4.676 CB2CB1

C 0.005992B2同理2

4

(1X

14C解得

A2 B2 A0 A2 B2=0.00126kmol/m3B2YB

2CBCA0

20.001260.2(3)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A,BC CAi1 AiAi对A: 68C2 iAiC Bi

BiAi对B:Ai当i=1

BiC A0

A1（1）

2 1A1

CB1 1A1 B1（2）当i=2C A1

A22A22

2CB2 14C 2

（3）A2 B2（4）由（1）式解出CA1

代入

;由（1）式解出CB1

代入（3）式可解出C

;将C及C代入式可解出C,其为ττA2 B1 A2 B2 1

的函数，即（5）式中A0

CB2

C f(C ,,)B2 A0 1 2最大，则需对上述二元函数求极值:C1

C202联立上述两个方程可以求出τ1

及τ。题中已给出2

,故由0V Q

ττr 0 1 2 B2 1 2（5）式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出Y

BmaX

.将ττ1 2代入C，则由X=(C-C)/C可求出最终转化率。A2 A2 A0 A2 A0490cm3的CSTR4NH3

6HCHO(CH )N26 4

6HO2式中（A）--NH,(B)—HCHO,反应速率方程为：r kCC2

3mol/l.sA A Bk1.42103exp(3090/T)。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为1.06mol/l6.23mol/l3/s取为36℃，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CA解：

及CBC 4.06A0 2C 6.32B0 2

2.03 mol/l3.16 mol/lQ 21.53.0 cm3/s0C A

(1X )A0 AC CB B0

6C X4 A0

3.161.52.03XAk1.42103exp(3090/309)0.06447QC XV 0 A0 Af

QC X0 A0 Afr

C2 6A B

(1A0

)(CA B3X

C X )24 A0 A即得：

490

Af0.06447(1X )(3.161.52.03X )2Af AfX

3.075X2AfAfAf

3.162XAf

1.0770解得：XAf反应器出口A,B得浓度分别为：C C (1X )2.03(10.821)0.3634 mol/lA A0 AC CB B

6C X4 A0

3.161.52.030.8210.6602 mol/l.h3100℃×10-4l×10-4l/mol.min864kg/m360%，求此串联系统釜的数目。解：等体积的多釜串联系统C C AiAi

(A)kCC1 A

kCC2 C DA,B,C,D分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。由计量关系得：C CB B

(CA0

C)AC CC

C CA0 A从已知条件计算出：C 1.8864A0 4.060C 2.2B0 4.046

6.48 mol/l10.33 mol/l0.0186460 129.6 4.0将上述数据代入（A）式，化简后得到：CAi1

2Ai

1.5113CAi

0.887 (B)A1若i=1,则（B）A1

1.5113CA1

0.887CA0

6.48A1解之得：A1

4.364 mol/l,XA1

0.326A2若i=2,则A2

1.5113CA2

0.887CA1

4.364A2解之得：A2

3.20

mol/l,XA1

0.506A3若i=3,则（B）A3

1.5113CA3

0.887CA2

3.2A3解之得：A3

2.53

mol/l,XA1

0.609即：三釜串联能满足要求。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3m31m33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3/h.kmol50%，这两台反应釜可视为1才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算：rV1 CA0XA1 1rQ kC20

(1X )2 QA1 0rV2CA0(XA2r

XA1)3Q kC20

(1X )2 QA2 0（将

=0.5代入）A20.52.75X

2.5X2 X3 0A1解之得：XA1

A1 A1kC (1X )2 1.20.15(10.223)21Q A0 0 XA1

V 0.4873 m3/hr1 0.2230A0A2醋酸丁酯产=Q0A0A2

0.48730.150.536.55

mol/h如果进行的是一级反应，可进行如下计算：（1）（1）rV1r

C X 1A0 A1Q 0

(1A0

) QA1 0rV2r

C (XA0

XA1)3Q 0

(1A0

) QA2 0联立二式，且将X

=0.5代入，化简后得到:A2X2 3XA1

0.50解得：XA1Q

k(1XA1)1.2(10.1771)5.576

m3/h所以有：0

X 0.1771A10A0A2醋酸丁酯产=Q0A0A2

5.5760.150.50.4182

kmol/h(2)大反应器在前，小反应器在后:rV1r

C x 3A0 A1Q 0

(1x ) QA0 A1 0rV2CA0(xA2r

xA1)1Q 0解得XA1

(1x ) QA0 A2 0Q所以有：0

3k(1XA1

A1)31.2(10.3924)5.5750.3924

m3/h产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。1.5ABC5m/kmol.h，A2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为3/hA的转化率达95;(2（3保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。1）全混流反应器QV 0CA0XAQ

1.520.95 18.02 m3r kC1.5(1X A0 A

521.5(10.95)1.5（2）（2）两个等体积全混流反应器串联QV 0CA0XA1Qr1 kC1.5(1X A0 A1QV 0CA0(XA2Q

X )A1r2 kC1.5(1X )1.5rA0 Ar由于V由于r1

V ，所以由上二式得：XA1 (XA2

X )A1(1

)1.5 (1A1

)1.5A2将X=0.95QA2Q

=0.8245，所以：A1V 0CA0XA1

2.379 m3r1 kC1.5(1A0

)1.5A1串联系统总体积为：V

2Vrr1r

4.758 m3r3）（3）此时的情况同，V 18.03 m3r3/min20m3相反应：AR rA2RD

kC1 AkC2D 2 RC,C为组分A及Rr为组分Ar3A R A Dk1

=3/kmol.min,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。2解：V rVQ0

2.040min0.5C A0 A XAC kC (1X ) 0.1(1X )所以：

1 A0 A AX 0.80,CA

C (1A0

)0.02kmol/m3A CR 40kC 2kC21 A 2 R即为：100C2CA

0.080C 0.02372kmol/m3RY CRR C

0.023720.23720.1A0在全混流反应器中等温进行下列液相反应：2AB r kC2kCB 1 A 2 BACD rD

kCC3 A C进料速率为360l/h25%A,5%（均按质量百分率计算，料液密度等于/cm3。若出料中A的转化率为92%，试计算：（1）（1）所需的反应体积；（2）（2）B及D

×10-5l/mol.s;1k×10-9s-1;;k10-5l/mol.s;B140；D140。2 3解：因M

=140,所以

=M=70B D A CQF 0 A0 MA

3600.690.250.8871kmol/h70FC A0 QF0

0.887110002.46mol/l360QCF 03600.690.050.1774kmol/hQCC0 M 70C0.17741000C A0 360

0.4929mol/lC X A0 A2(kC2kC )kCC（1）

1 A 2 B

3 A CB CBkC2kC（2）

1 A 2 BC CC0 C（3）

kCC3 A C由3）式分别得：kC21C1B（4）C

1kA2 CC0C（5）

1kC3 A将5）式及上述数据代入1）式，可整理为τ解之得τ×105（1）（1）反应体积V Q 106.436038.30m3r 0B（2）（2）将τ代入（4）式得CB21.016

1.016mol/l，所以BY B 82.60%B C 2.46A0A0A对A作物料衡算：C A0A所以有：

2C CB DC CD A0

C 2CA

C XA0 2CB

2.460.9221.0160.2312mol/l Y D 9.40%A0所以D的收率为：D A0

2.46在CSTRCH Cl6 6 2

C161

HClHCl5（1）

(B)

(C) (M) (H)CHClCl6 5 2

C262

HCl4

HCl（2）

(M)

) (D) (H)CHCl Cl 3CHCl HCl6 4 2 2 6 3 3(C)（3）

) (H)

/k=8,k/k=30,C=10.0mol/l

τ=11 2 2 3 B6 1l/mol,(τ为空时)，试计算反应器出口B,M,D,T,C的浓度。各个反应对各反应物均为一级。解：C 10kmol/m3,k/k8,k/k30,C /C 1.4,k 1B0 1 2 2 3 C0 B0 1分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：C CB: B0 B,C

C B0kCC

B 1C

(1)1 BM:

C CCM ,C

C B CkCC

kC

M 8C

(2)1 B CCD: kCC

2 M C,C D

CCC M2 C M

kCC3 D

240CC

(3)CCT: kCTC

,C 1CCT 30 C D

(4)C:CC

3 C DC CC0 2CD3CT

(5)由（5）式得：

C

C 1C

C

C

M CCB0 C

T

8CC

240CC

10

D (6)联立1,(2),(3),(4)（）式（五个方程，五个未知数：由（2）式得：C C B C

CB0 C由（3）式得：

M 8CC

(1CC

)(8CC

) (7)CMC 30CC CM

240C

C2B0 CD 240CC

(240CC

)(1CC

)(8CC

) (8)将（1）,(7),（8）式代入（6）得：1.4C

C

CB0 C

480C C2B0 C

24C C3B0 CB0

(1CC

)(8CC

) (240CC

)(1CC

)(8CC

) (240CC

)(1CC

)(8C)CC

268800C C C C解得：C

=0.908kmol/m3C10C代入（1）式得：

1

2.301kmol/m3C代入（7）式得：

82.30183.345

5.427kmol/m3C代入（8）式得：

303.3452403.345

2.238kmol/m3C代入（4）式得：T

13.3452.2380.0312kmol/m330BCM验证：1.4C C BCM2CD3CT即：1.4103.3455.42722.23830.0312

14.014.03.12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酐的0.001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：R kCCA A

1.371012exp(12628/T

Ckmol/m3.sA BT326K,Q0

0.01m3/r

2.65m3C 4.55kmol/m3,CA0 B0

5.34kmol/m3H 33.5kJ/mol33.5103kJ/kmolrC 1980kJ/m3.Kpt移 热 速 率（1）放热速率方程：

方 程 ：

q QCr 0

(TT0

)19.8(T326)q (Hg

)(RA r33.51031.371012exp(12628/T（2）

(1A0

)(CA B0

C A0

)2.65AC

(H)绝 热 操（3）由（3）式得：C

作 方 程 ：

TT0

A0 r XC AptXA（4）

ptC (HA0

(TT)) 0（4）（4）代入（2）式得：q 33.51031.371012exp(12628/T

Cpt T)g C

A0

(H)A0 r

0C

pt

)2.65553.31015exp(12628/T)(128.87.677104T2)B0

(H)r

0（5）由（1）式及（5）式作图得：T326330340350T326330340350360365370qg二酸酐的转化率，使Q

=3/s,而保持其它条件不变，则这时的移热速0率线如q’r

qr g

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，不可能出现三个定态点的情况。3.3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？3.3若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为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。=4512l,Q=/min,则可求出空时为τ=4512/57.84=78minr 0歇操作时的(t+t)。当改为连续操作时，转化率下降了，所以反应器0Q0

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）

=0.72时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空AA时τ=246.2min。因题意要求丙酸产量不变，故Q0应器体积增大至14240l才行。

不能变，必须将反（3）这时ττ/3=82.1min3.3R～X1 A AX0X0A-R0A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

=0.787。A33.8中转化率为98.9要求达到同样的转化率时，生产能力各增加多少？1）二个300l

=0.989，A2QV 0XA1Q

300r1（1）

k(1X )A1Vr2（2）

Q(X X 0 A2 A1k(1X )A2A1

300代入（1）式求出此系统的体积流量：3000.08(10.8951)Q0,2

2.812l/s168.7l0.8951Q0,1

16.02l/min。因为最终转化率相同，故生产能力增加168.7/16.02=10.53倍。（2）300l0

增加一倍，生产能力也增加一倍。0.75m30.05m3325℃36℃，该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：×10-7exp(-5526/T),min-1反应物料的密度为常数，等于1050kg/m3换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算：(1)反应器出口物料中醋酐的浓度；(2)解：T298K,T309K,Q0

0.05m3/minH 209103kJ/kmolrk1.8107exp(5526/309)0.308（1）（1）求转化率：QXV 0 Af

0.05XAf

0.75r解得:XAf

k(1X )Af

0.308(1X )Af反应器出口物料中醋酐浓度：C CA

(1

)0.22(10.8221)0.03914kmol/m3A（2）单位时间内反应器向大气散出的热量：Q'QC0

(TT0

)(Hr

)(RA r0.0510502.94(309298)(209103)0.3080.22(10.8221)0.75191kJ/min1m3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-1，2：HCOCHCH2

HO2

COHCHOHCH2 3-13,环氧丙烷的最终转化率为90%。0.65h1，2是多少？的日产量又是多少？为什么这两种操作方式的产量会有不同？解：V 1m3,r kC ,k0.98h1,C /l,

0.9r A A A0 A（1）（1）一级不可逆反应：t1ln

1 ln

2.35hk 1XAf

0.98 10.9Vr所以Q

Q0=3/h

(tt0

)Q0

(2.350.65)10A0 丙二醇的浓=C X 2.10.91.89kmol/A0 1.891/30.63kmol/h15.15kmol日Q(2)采用定态下连续操作QQXV 0

00.9 1r所以Q

k(1XAf0=3/h0

) 0.98(10.9)0.1091.890.2058kmol/h4.939kmol日（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。3.11溶液密度恒定且等于/cm3,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随-2231kJ/kg25℃问：（1）（1）绝热温升是多少？若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温度为多少？（2）（2）在100℃下等温操作，换热速率为多少？CA0

2.03mol/l, 1.02kg/l(Hr

2231kJ/kg(乌洛托品312.3kJ/mol乌洛托品） 78.09kJ/mol(氨）C 4.186kJ/kg.Kpt

C (H)A0 r

2.03

37.13K（1）绝热升温：

C 1.024.186pt由物料衡算式（见3.11解答：X X1.42103exp(3090/T)(1X )(3.163.045X )2A A。A联立求解可得：XA可见，绝热操作时转化率可以达到80%。（2）T

=298K,在T=373K下等温操作，由物料衡算式可求出转化率：0 430 XA 3 1.42103exp(3090/373)(1X )(3.163.045X )2A A所以有：XA由（3.87）式可得物系与环境交换的热量：qUA(TT)QC

T)QC X (H)h 0 0

0 0 A0 Af r31031.024.186(373298)31032.030.905278.090.5302kJ/s由上式知T

>T,说明应向反应器供热。C某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反（8070%，检查解：根据上述情况，可能是反应器的搅拌系统有些问题，导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路，这些均可导致反应器的效率降低，从而使转化率下降。化学工业出版社-化工原理习题指导大题详细解答5-26.在25℃下，用CO33的CO水溶液分别与CO分压为50.65kPa的混合气接触，2 2 2操作条件下相平衡关系为p*×105x(kPa),试说明上述两种情况下的传质方向，并用气A相分压差和液相摩尔浓度差分别表示两种情况下的传质推动力。S解：xc MSA

0.0118/10001.8104Sp*×105××10-4Ap=50.65kPa>p* 所以传质方向为溶质由气相到液相（吸收过程）A A以气相分压差表示的传质推动力为 pA与CO2

p p*A

50.6529.920.8kPaSc* p SA

1000

0.017kmol/m3A M S

181.66105以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为c c*cA A

0.0170.010.007kmol/m3Sx'c' MSA

0.0518/10009.0104SP*×105××10-4(kPa)Ap=50.65kPa<p* 所以传质方向为溶质由液相到气相（解吸过程）A A以气相分压差表示的传质推动力为 pA

p*pA

149.450.6598.8kPa以液相摩尔浓度差表示的传质推动力为c cA

c*A

0.050.0170.033kmol/m35-二元混合气体中的溶质A。已知进塔气体中溶质的浓度为0.0（摩尔比，下同0.0003101kPa，温度为40℃，问:20℃时，塔底推动力（Y-Y*）变为原来的多少倍？温度不变，压力达到202kPa，塔底推动力（Y-Y*）变为原来的多少倍？已知：总压为101kPa，温度为40℃时，物系气液相平衡关系为Y*=50X。总压为101kPa，温度为20℃时，物系气液相平衡关系为Y*=20X解： 总压为101kPa，温度为40℃时YmX5031040.015 YY

0.030.0150.0151（1）压力不变，温度降为20 C时Ym'X2031040.006 YY

0.030.0060.0242YYYY20.0151

1.6倍(2)压力达到202kPa，温度为40 Cm''

Pm150251P 212Ym''X 2531040.0075 所以Y 2

0.030.00750.0225YYYY20.0151

1.5倍5-28.在一填料塔中进行吸收操作，原操作条件下，ka=k3.s，已知液相体积传质系数Y Xka L。试分别对m=0.1m=5.0X阻力减少的百分数。解：(1) m时1 1 1 1 1K aX

k aX

mkY

0.026

0.1

423.08(m3s)/kmolL2L

L0.66Lk a LX

k a20.660.026s)X1 1 1 1 1K a k X X

mkY

408.95(m3s)/kmol0.0411 0.10.026所以，阻力减少：1 1K a KX X

423.08408.953.34%1 423.08K aX(2) m5时1 1 1 1 46.15(m3s)/kmol1 1 1 1 K a kX

a mkY

a 0.026 50.026L2L

L0.66k a X L1 1

k a20.660.026s)X1 1 1 32.02(m3s)/kmolK'X

k'aX

mka 0.0411 50.026Y所以，阻力减少：1 1K a KX X

46.1532.0230.6%1 46.15K aX5-29.用清水在填料吸收塔中逆流吸收含有溶质 A的气体混合物。进塔气体浓度为0.05（摩尔分率在操作条件下相平衡关系为 Y*=5X，试分别计算液气比为 6、和4时，出塔气体的极限浓度和液体出口浓度。解(1)

L6m，当填料层高度为无穷时，操作线ab与平衡线交于塔顶。VYY1bY*=5Xb'a'aYY1bY*=5Xb'a'aX5-29附图2,min 2由物料衡算：V X X YY1 2 y

1 2,min0.05其中Y1

11y1

0.052610.050.05261X16

0.0088(2)

L5m，操作线ab与平衡线重叠VY mX 0，2,min 2YX

0.05260.01051,max m 5(3)

4m，操作线平衡线交于塔底。LVL1X Y 1

0.01051,max m 5由物料衡算：Y2,min

YLX1 V

1,max

X 0.052640.01050.010625-30.在填料塔中用清水吸收混合气体中的溶质，混合气中溶质的初始组成为0.0（尔分率操作液气比为3，在操作条件下，相平衡关系为 Y*=5X，通过计算比较逆流和并流吸收操作时溶质的最大吸收率。解：(1)逆流时y1110.05Y y1110.0511在塔底达平衡Y 0.0526X 1 0.01051 m 5Y Y2 1 V

X 0.052630.01050.02112max

1Y2Y21

10.021160%0.0526(2)并流时在塔底达平衡，Y1

5X1LX1

X V2

Y1YL 1VY5

Y1Y 5Y 50.05260.03291 8 2 8 Y 0.0329max

1 Y2

1 37.5%0.0526逆流时溶质吸收率高5-31.在101.3kPa、35℃ 104kPa。若操作时吸收剂用量为最小用量的 1.2倍，试计算操作液气比L/V及出塔液相组成X1其它条件不变，操作温度降为 15℃解：

104kPa，定量计算L/V及X如何变化。1(1)101.3kPa、35℃下E 104m 545P 10.00110.00110.02y1y2y11Y 0.0204，Y1 0.020410.0204

0.001212 L12

YY

0.02040.001518545YV545Y

min 1Xm L1.2L

1.2518622V V

minX

V

Y0.02040.0013.121051 2 L 1 2

622(2)温度降为15 C时E 1.2104m 118.5P 101.3L

YY

0.02040.001 1 2 112.7YVY

0.0204min 1Xm L1.2L

2 118.51.2112.7135.2V V

minX

V

Y0.02040.0011.41041 2 L 1 2

135.212X1Y2上X2Y12X1Y2上X2Y1下12112（习题5-32附图）YYY1(1)YE3(2)Y2XX2X3X1（1）YYY1(1)YE3(2)Y2XX2X12X11（2）Y1Y1YY1(2)(1)Y21EY22XX2X3X1YYY2Y2下上EXX1X2X35-33.用纯溶剂逆流吸收低浓度气体中的溶质，溶质的回收率用 表示，操作液气比为最小液气比的N。OG解：

倍。相平衡关系为Y*=mX，试以

、两个参数表达传质单元数L

YY YY1 2Y1m 1 2 m1 2Y1mV

min

XX1 2LL

mV V minSmV1/LYmX1 2Y mX2

Y 1Y2

111N OG 1

ln1

YmX1

SS Y mX2 21 1 1 1 1 ln1 1

1

1 1 1 1 ln1

11 5-34.在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收某低浓度气体混合物中的可溶组分。操作条件下，该系统的平衡线与操作线为平行的两条直线。已知气体混合物中惰性组分的摩尔流率为90kmol/m2.h，要求回收率达到90%，气相总体积传质系数K3.s，Y求填料层高度。解：

1Y1LmV1推动力处处相等。m2Y Ym2

Y mX12212

Y2

1YN YN

Y1 Y 0.91 2mOG Ym

11190

10.99HOG

V KaY

36001.25m0.02ZN H 91.2511.25mOG OG5-800mm的填料吸收塔内装6m高的填料，每小时处理2000m3（25℃，101.3kPa）的混合气，混合气中含丙酮5%，塔顶出口气体中含丙酮0.263%（均为摩尔分率）。以清水为吸收剂，每千克塔底出口溶液中含丙酮。在操作条件下的平衡关系为 Y*=2.0X试根据以上测得的数据计算气相总体积传质系数 Ka。Y解：y 5%，Y1

y 0.051y1 10.051y1y 0.263%，Y y2

0.263102 2.641032 2 1y261.2

10.2631021X 0，X12

58 100061.218Y Y mX Y 2.641032 2 2 2Y Y1 1

mX1

0.052620.02020.0122lnY121Y2mYY 0lnY121Y2m33Y ln0.0122 6.25102.6410312N YY 0.05262.641037.9912OG Ymz 6

6.25103H OG NOG

7.99而V

2000101.30.058.3142980.7850.82

154.74kmol/(m2h)VHOGKaVYKa

V 154.74 206.05kmol/(m Y H 0.751OG5-200m3/h（18℃、101.3kPa）的空气-氨混合物，用清水逆流吸收其中的氨，欲使氨含量由5%下降到0.04%（均为体积百分数）。出塔氨水组成为其最大组成的80%。有一填料塔，塔径为，填料层高 5m，操作条件下的相平衡关系为Y*X，问该塔是否合用？Ka可用下式计算：GKa=Wkmol/（m3.h.kPa）Gm---气体质量流速，kg/（m2.h；W---液体质量流速，kg/（m2.h。解：y 5%，Y1

1y1yy1

0.05 10.05y 0.04%，Y 0.04%4102 2Y

0.0526X 0，X 0.8X

0.8

10.8 0.02922 1

m 1.44Y Y mX Y 41042 2 2 2Y Y1 1

mX1

0.05261.440.02920.0106YY 001064104 3lnY121YlnY121Y2m410412N YY 0.0526410416.7812OG Ym

3.11103混合气体摩尔流率：200101.3G8.3140.7850.32

118.62kmol/(m2h)混合气体平均分子量：M0.05170.952928.4kg/kmol混合气体质量流速：m118.6228.43368.8kg/(m2h)惰性组分摩尔流率：VG1y1

118.6210.05112.69kmol/(m2h)又LX1

X V2

Y2L

YY1 2X X1

0.05264104112.69 201.45kmol/(m20.0292液体质量流速：w201.45183626.1kg/(m2h)K a0.0027m0.35w0.360.00273368.80.353626.10.360.886kmol/(m3hkPa)GKaK aP89.75kmol/(m3h)Y GV 112.69H OG KY

a89.751.26mzHOG

N

1.2616.7821.14mz需z实5m所以，该塔不合适。5-37.0.1（摩尔分率，下同）CO2，其余为空气，于20℃及2026kPa下在填料塔中用清水逆流吸收，使CO2的浓度降到0.5%2240m3/h（标准状态下0.0006，亨利系数E200MPa系数KLa50m3/h，塔径为。试求每小时的用水量(kg/h)解：y 0.1 x 0.0006Y 11 1y1

10.10.111，X0.5%

1 1x 10.00061y 0.5%，Y2

1

0.503%5.03103L YY 0.1115.03103 1 2V X X1 2

176.60.0006而V

0.7851.5222.4

50.96kmol/(m2

h)L176.650.968999.54kmol/(m2h)液体流量L8999.540.7851.5215895.4kmol/h=15895.418=286117.2kg/h=286.117t/h相平衡常数m

E20010398.7Yp 2026YX XX1 1

1Xm

0.111 98.7X XX2 2

2XYm Y

5.03103 5.09710598.7X X12lnX1X X12lnX1X25.2471045.097105ln2471045.097105mXN 1XX

0.00060

2.95OL Xm

2.03210

1000又K aCKaX L

SKaM LS

502778kmol/(m3h)18HOL

L 8999.543.24mK a 2778XzHOL

N

3.242.959.56m5-38.2,3m，用清水逆流吸收混合气中的丙酮（酮的分子量为58kg/kmo。丙酮含量为0.0（摩尔比，下同，混合气中惰性气体的流量为)3Y*=2X。试求：出塔液中丙酮的质量分率；气相总体积传质系数KYa(kmol/m3·s)3m,其它操作条件不变，问此吸收塔的吸收率为多大？解：（1）

L YY YY 1 2 1 2V X X X1 2 1X

YY1

0.050.0050.0151 L/V 3xw 1Mx

0.01558 0.0468xM (1x)M1 1 1

580.0150.98518（2） V1120/(22.436000.5)0.0278kmol/m2s(Y1-mX2)/(Y2-mX2)=Y1/Y21N 1

YmXS) 1 2

S] 1 ln[0.333100.667]4.16OG 1S Y2

mX2

0.333H z/N 3/4.16OG OGK aV/H 0.0278/0.720.0386 kmol/(m3·s)Y OG3） =3+3=6mS、HOG

不变,1

N'OG

z'HOGY

60.7218.32N'OG解得：Y'2

ln[(1S) 1S Y2

S]'

YY'1 Y'1

0.050.001090.05

0.9785-39．在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收含氨0.05（摩尔比）的空气—氨混合气中的20003/（标准状态1m/（标准状态Y*1.2XKa180kmol/m3hY用量为最小用量的倍，要求吸收率为98%。试求：x；1气相总传质单元高度H 和气相总传质单元数N ；OG OG若吸收剂改为含氨（摩尔比）的水溶液，问能否达到吸收率98%的要求，为什么？）Y1

0.05 Y2

0.05(10.98)0.001X 02Y1

YY1 X10.05/1.2

YY1.5 1Y 21mX

0.0278X m 0.0278 x

1 0.0270，1 1.5 1.5，

1 1X 10.02781（2）1

YmX1

0.051.20.02780.0166Y20.001Y 0.01660.0010.0056m ln0.01660.001N 0.050.0018.75OG 0.0056H 2000/22.4 0.89mOG180

200036001（3）

L0.050.001

1.76mV 0.0278YY 0.051.20.0015 max

1 2 96.4%Y 0.051 98%35-40.在一充有25mm阶梯环的填料塔中，用清水吸收混合气体中的NH（绝压Y0.752X3入塔浓度为0.0（摩尔分率，吸收率为99，操作液气比为最小液气比的倍，填料层高度为，试求：气相总体积传质系数KYa；。A塔底截面处NH3吸收的体积传质速率Na。A解：（1）

L( )

YY1 2V min

XX1 2YY1 2Y/m1m0.7520.990.744L×6VmL/V0.7521.116SmL/V0.7521.116由N

1 YmX0.674) 1 2

S]OG 10.674 Y2

mX2因为X2=0

Y 11Y 12N 1 S)

S]OG 1S 1 1 0.674)

0.674]10.674 10.9910.75又因Z H NOG OG

VNKa NKaVN0.045得 Y Z OG0.045 10.750.0553kmol/m3s8.752）NAa()LYYL由 1 2V X X0.050.050.991.116

YY Y2121X X X1 1 1得 X14，N a KA Y

a(Y1

Y)13×4)=9.19×10-4kmol/m3·s5-41.A组分。混合气中惰性气体的流率为30kmol/h，入塔时A组分的浓度为0.08（摩尔比87.5%Y*=2X，设计液气比为最小液气比的1.43倍，气相总体积传质系数K3·s，且KY Y

V，取塔径为1m，试计算：所需填料层高度为多少？设计成的吸收塔用于实际操作时，采用 10%吸收液再循环流程,即L=，新R鲜吸收剂用量及其它入塔条件不变，问吸收率为多少？解：V

3036000.78512

0.0106kmol/(m2s)H VOG KY

0.01060.57m0.0186L YY YY1 2Y1m 1 2 m20.8751 2Y1mV

min

XX1 2L L 1.431.752.50V VminSmVL

22.5

0.8N 1

YmX OG 1Sln1

1 Y mX

S 2 2 1

1 18ln14.38

10.8750.8zH N 0.574.382.50mOG OG吸收液再循环此时吸收剂入口浓度：X'

LX L X'2 R

0.1X' 1

1X'2 LLR

1.1

11 1V因为KY

aV0.8，VKY

a不变，即HOG

不变KaYN z 不变OG HOG此时SmVL

mV

0.80.7271.1N 1

YmX'1 2

SOG 1S

Y'mX' 2 2 0.082X' 4.38 1 0.727 11 10.72710.727ln

Y'2

X' 2

11 1 0.082X'9.437 11 12Y' X'2 11 9.437Y'1.534X'0.08 (1)2 1由物料衡算： LX'X1 2

VY1

Y'2V 1 X'X YY' 0.08Y'1 2 L 1 2

2.5 2X'0.032' (2)1 2将式(2)(1)X'0.0269Y'0.0128Y Y

Y2Y1

1 2100%10.012884%0.085-42.含苯1.96%（体积）的煤气用平均摩尔质量为 260kg/kmol的洗油在一填料塔逆流吸收，以回收其中95%的苯，煤气流率为1200kmol/h，塔顶进入的洗油中含苯%（摩尔分率洗油用量为最小用量的1.3倍，吸收塔在101.3kPa、27 C下操作，此时平衡关系为 Y*=0.125X。从吸收塔塔底引出的富油经加热后送入解吸顶，塔底通入水蒸汽，使苯从洗油中解吸出来，脱苯后的洗油冷却后送回吸收塔塔顶。水蒸气用量为最小用量的1.2倍，解吸塔在101.3kPa120衡关系为Y*=3.16X（kg/h。V,Y2

L,X2

L,X1

V’,Y’1吸收塔

V,Y1

L,X1 L,X2

V’,Y’2y 0.0196 x 0.005Y 1 0.02,X 2 0.0051 1

10.0196

2 1

10.005 1 2Y 1Y2 1

1

0.020.001L YY 0.020.001 1 2 0.123YVminYL

1mXL

0.020.1250.005 1.30.1230.159V

min洗油用量：L0.159V0.1591200191.28kmol/h191.2826049732.8kg/h吸收剂（洗油）出塔浓度X X V

0.005 1 0.0010.1241 2 L 1 2解吸塔V' X X

0.1590.1240.005X 0.1240.005212 212

0.304L L min

YY1 2

mX Y1

3.160.1240V' V'L 1.2 1.20.304L min水蒸汽用量：V'0.364L0.364191.2869.70kmol/h69.70181254.6kg/hm的吸收塔，从含氨体积分率）的空气中回收99%的氨。混合气体的质量流率为620kg/m2h吸收剂为清水，其质量流率为900kg/m2h在操作压力101.3kPa温度20 C下相平衡关系为Y*X体积传质系数ka与气相质量流率的0.7次方G成正比。吸收过程为气膜控制，气液逆流流动。试计算当操作条件分别做下列改变时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率：操作压力增大一倍；液体流率增大一倍；气体流率增大一倍。解：原工况：y

0.06Y 11 1y1

10.06Y 2

0.010.06386.38104水的摩尔流率：900L 50kmol/(m218混合气体平均分子量：M0.06170.942928.28kg/kmolV 620 0.0620.61kmol/(m2h)28.28mV 0.920.61S 0.371L 501N 1OG 1S

ln1

YmX1

SYm