合工大反应工程期末考试计算题部分全解

«1-1银催忆剂上乙烯氧化屯成环氧乙烷，进入反应器的气休组成「」CO210驰，Ar\叽其余为N=；出反应器气体中含C2M4]3J^(O24■呂伽”计算乙烷的转化率.环氣乙烷的收率及选择性。〔解〕银催化剂上乙烯氧化的反应式为GH汁^GH汁36—2CO24-2H2O以WOm"进料为基准〔心及卩分别表示环罠乙烷及二氧化碳的生成爲.moh则CaH<0,CiH*Oco,HaOArNa肚器建口150,00ti1闘'100反应器出口1—£a10杆/SISKB100—由反应器出口乙烯和氣的摩尔数.可轄以下方程(1—0—影/(100—rt/2)=0.131(7-y-t.5P)/(100-a/2)=0,048解之得◎=1»504tnoJ.5—0.989rnol乙烯的反应就为1.504+0.939/2=1.9985mo!乙烯的转化率玄为1£985八5=0.13323环氣乙焼的收*504/15=0,(0026选择性5^=1.504/1.9985=0,7526*或F=Sjc=Q,7526X0*13323—0.10026(0)今有变摩尔气相反应A+B-C,求膨胀因子J•另，假如进行等压反应，初始物料中A与B的摩尔比为1：2,试计算当A物质的转化率达到60%时,反应体系的体积变为初始体积的多少倍？解礼=1—(1+1)=—1由公式V二V(1+y5x)可知：V=1+y5x=1+丄X(-l)x0.6=0.80A0AAVA0AA1+20即,变为初始体积的0.8倍。(1)某反应2A=B+C,测得的实验结果如下:时间/min9.8259.6093.18142。9294.8589.410002000B生成量4.223。6434.849。0880。64106.68120120求该反应的反应级数及速率常数.解:将数据加以处理如下表，从而可作加(C/C)〜t图，如下图。AA0从图中可以求得其斜率为:2.30从图中可以求得其斜率为:2.30~612图中得到一条直线，可见,该反应为1级不可逆。时间/min9。8259。6093.18142。9294。8589.4(C/C)/%AA096。580。371。059。132.811。1ln(C/C)AA0-0.0356-0.21940.3425—0。5259-1。1147—2。1982于是于是可见C2.30lna=—-1C612A02.30k=二3.76xlO-3(min-1)612

(2)在某反应器中进行等温恒容一级不可逆反应,脉冲实验数据如下：时间(min)0510152025303540浓度(g/m3)035542100用表格的形式给出E(t)及F(t)；求停留时间介于10min~15min之间的物料所占的分率;试求平均停留时间t、空时、空速、及方差-2、c2。t0假设在同样的空时下,用全混流反应器,转化率可达0。8,试用多级模型计算该反应器能达到的转化率。解：1C(t)iC.(t)100min—C(t)iC.(t)100min—1)匸C(t)iF(t)-41C(t)tiC(t)++++++Xi20EE(t)iC(t)AtiiC(t)i(03554210)5数据计算结果如下:时间(min)0510152025303540浓度(g/m3)035542100E(t)00.030。050.050。040。020.0100F(t)00.150。40。650。850.951.001.001。002、0。65-0.4=0.253、平均停留时间：-tC(t)t15(min)C(t)方差及无因次方差分别为:=E=+X+Xq2®1247.5(min2)q2禅0.211，C(t)e12空时舀15分钟，空速=0・067分t,或0。0011秒-1=E-=4，模型参数：m-4.76Q2

e对于全混流反应器：，即:10.8-，故k=—=0・267;或kT二4115k15转化率巴1-1(1kT)m“J力5、0-945(1)4.76154.76（3）某气固相非催化反应，固体呈活塞流。颗粒组成（按体积）：半径为50微米的颗粒占40％,100微米的颗粒占30％，200微米的颗粒占30%。已知三种粒度完全反应时间分别为5分钟、10分钟、20分钟.试应用缩芯模型t二t试应用缩芯模型t二tfiXb+tf21-3(1-xM+2(1—x)BB-+tf31-(1-x)1/3B1，判断此反应的控制步骤（讲出理由）.分别计算反应时间为8分钟、10分钟、20分钟时固体的转化率.3，如果要求固体物料转化率达到98％,计算所需要的反应时间。解：1，由题给数据，发现如下规律：5分钟：10分钟：20分钟=50微米：100微米：200微米即卩：t:t:t=R:R:Rf1f2f3S1S2S3可见属于动力学控制.2,这时，缩芯模型公式简化为:t=t「1-(1-X)/3［，即：1-x=(1-厶3f3888分钟后，1—X=0.3X(1-)3+0.3X(1-)3,X=0.9328B1020B1010分钟后，1—X=0.3x(1-)3，X=0.9625B20B20分钟后，1-x=0，x=1.0BB3，由2的结果知,要求固体转化率达到98％，需要的时间必然大于10分钟，这时，就只剩下最大的颗粒了。TOC\o"1-5"\h\z1—x=0.4x0+0.3x0+0.3x(1-)3B20=11.89t=20=11.89或，设最大颗粒的转化率为xB,则有：1-x=0.4X0+0.3X0+0.3(1-x)=1-0.98，解得x=0.9333BBBt=t「1-(1—x)/3」=20x「1-(1-0.9333>/3］=11.89f3LB」L」

⑷一级不可逆液相反应A-P,活化能83140J/mol,反应温度150°C.在体积为V的等温平推流反应器中可达转化率xA=0.6。pA若将反应改在150C的间歇反应器中中进行。为使转化率能达到xA=0.6,若k=0.916h—1，求间歇反应器所需的反应时间。若将反应改在150C的全混流反应器（体积为Vm）中，为使转化率能达到xA=0.6,求Vm/Vp体积之比Amp为使Vm/Vp=1，该全混流反应器的温度应作如何变化？采用等体积的平推流与全混流串联（总体积为Vp）操作，则转化率可达多少?解：解：令“V0由题意,知：A即：k二—加(1—x)二—加(1—0.6)二0.9163A1,1,t二0.9163二1.00(h)k12,由xa二1—內二0.6'知kT=I'=1.64=1.64―m=0.91633,在另一温度t3,在另一温度t下，必须满足:k'T'=1.5t温度下全混流体积与活塞流相等,故知：0.9163k1以上两式相除得：二k283140以上两式相除得：二k283140)8.314(150+273.15))83140exp(—)8.314(t+273.15)0.91631.5解得：仁159C这时反应器体积为原体积的一半，故：k=0.9163/2二0.458由：CAfC1+kre—k由：CAfC1+kre—krA01+kr得：1—xAe-kr1+kre—0.4581+0.458=0.434故：x=0.566A(5)在常压下，在氧化铬/氧化铝催化剂上，丁烷脱氢反应为一级不可逆反应。反应在装有直径为0。4cm的球形催化剂的固定床反应器中等温进行，催化剂的比表面积为100m2/g，颗粒密度p为1.2g/cm3,有效扩散系数为0.0025cm2/s，床层p空隙率*为0。5,530£时反应速率常数kS为0。30cm3/(m2・s)。求1cm3体积床层所包含的催化剂内表面积S.计算内扩散有效因子3，假设外扩散阻力可忽略不计,给出以单位床层体积为基准的宏观动力学方程式.1,S二(1—GpS二(1-0.5)X1.2X100二60(m2//cm3)kpSkpS—p—gDeffTOC\o"1-5"\h\z0.2.'0.30x1.2x100o—80.0025Z=占1-加-丄=0.125(=0.120)©tanh3©3©©ssss3,外扩散阻力忽略不计，C-CAsAg(r)=kS-ZC二0.30x60x0.125C二2.25C(=2.16C)AgsiAgAgAgAg(6)在绝热固定床催化反应器中进行某氧化反应，入口温度为度420入口气体A浓度为7%(mol%)。出口气体的温度为590°C，出口气体A的浓度成为2.1%(mol%),在床层内三点A、E、C进行测定。1。测得A点温度为620C，你认为是否正确？为什么？2。测得B点转化率位80%