化学反应工程习题及解

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1、有如下平行反应：

1A?B???R（主反应）rR?k1CACBCR

k2A?B???S（副反应）rS?k2CACB

k（1）若采用间歇操作，试选择适合的加料方式；（2）若采用连续操作，试选择用适合的反应器型式；

（3）若主、副反应的活化能分别为30和20，反应温度宜高还是宜低？解：SP?rRk1?CRrSk2（1）若用间歇操作，应采用向事先含R的BR中同时参与A、B物料；（2）若用连续操作，应选用CSTR，A、B同时连续参与；（3）∵E1〉E2，∴反应温度宜高。（∵温度升高，有利于活化能高的反应）

2、在一等温操作的间歇釜式反应器中，进行某一级液相反应A→R，13分钟后，反应物转化率为70%，若让此反应在PFR或CSTR单釜中进行，为达到一致转化率，所需的空时和平均停留时间分别为多少？解：k?ln1t111?ln?0.0926min?1

1?xA131?0.7?1（1）PFR：??t?13min（2）CSTR：t?xA0.7??25.20min

k(1?xA)0.0926?(1?0.7)

3、1、有以下反应：C2H4的二聚反应，反应温度为200℃，反应活化能E?156.9kJ/mol，为使反应速率提高一倍，计算所需提高的温度为多少？解：反应速率提高一倍，即

k2?2k11

?lnk2E11?(?)k1RT1T215690011(?)?T2?481.56K

8.314473.15T2ln2??T?8.4?C

提高温度为8.4?C

4、在一反应体积为3m3的连续釜式反应器中等温进行以下液相反应：

A?B???PrP?1.6CAkmol/m3?h2A???QrQ?0.2CA2kmol/m3?h

rP及rQ分别为产物P及Q的生成速率，P为目的产物。反应用的原料为A及B的混合液，其中CA0＝2kmol/m3，每小时处理混合液6m3。求：反应器出口A、P、Q的浓度，P的收率及总选择性。

解：(?RA)?rP?2rQ??C?CACA0?CAVr3?A0??Q0(?RA)1.6CA?0.4CA262?CA1.6CA?0.4CA2?12

?CA?1kmol/m3??VrCCPCP?P???0.5Q0RP1.6CA1.6?1CP?0.8kmol/m3CQCQCQVr??????0.522Q0RQ0.2CA0.2?1CQ?0.1kmol/m3YP?SP?或：

CP0.8??0.40CA02YP0.4??0.8XA0.5

2

SP?RP1.6CA44???(?RA)1.6CA?0.4CA24?CA5

5、等体积的PFR和CSTR反应器按图示形成七种组合方式，VP下进行一级不可逆反应，反应速率进入反应器系统的体积流率v0?VM?1.0l。在等温条件

A0??rA??kcA，k?1min?1，c?1kmol/m3，

?1.0l/min，计算各种组合方式的最终转化率。

(a)(b)(c)

(d)(e)(f)

(g)

解：在等温条件下进行一级不可逆反应，反应速率??rA??kcA，k?1min?1，

cA0?1kmol/m3

（a）两个釜并联，转化率一致，有

?m1??m2?VR/(v0/2)?2mink?m1?22xA????0.6671?k?m1?1?23（b）两个釜串联，按先后计算，即

3

?m1??m2??m?VR/v0?1min第一个釜出口浓度cA1?cA0?1?k?m1?

其次个釜出口浓度c?cA1cA011Af?1?k??m2??1?k?2?1?2?m??1?1?4xA?1?14?34?0.75c）PFR接CSTR，设PFR出口浓度为

cA1

?P??m?VR/v0?1mincA1?ck?pA0e?

?k??1

c?cA1cA0epeAf?1?k??m??1?k???0.184m?2xA?1?0.184?0.816d）CSTR接PFR，设CSTR出口浓度为

cA1

?P??m?VR/v0?1minccA0A1??1?k?m?

?k?c?k?p?cA0epe?1Af?cA1e?1?k???0.184m?2xA?1?0.184?0.816e）两个PFR并联，转化率一致，有

?P1??P2?VR/(v0/2)?2minx?k?pA?1?e?1?e?2?0.865

f）两个PFR串联，设第一个PFR出口浓度

cA1

?p1??p2?VR/v0?1minc?k?p1A1?cA0e?e?1?0.368

cp2Af?c?k?A1e?0.368e?1?0.135xA?1?0.135?0.865g）PFR并CSTR，设两个反应器的进口流量相等，分别为v0/2

?P??m?VR/?v0/2??2mincA,p?cA0e?k?p?e?2?0.135

4

（（（（（cA,m?cAf?cA01??0.3331?k?1?1?2???m?0.135?0.333?0.2342xA?1?0.234?0.766

编号ABCDEFG连接方式两个CSTR并联两个CSTR串联PFR串联CSTRCSTR串联PFR两个PFR并联两个PFR串联CSTR与PFR并联总转化率0.6670.750.8160.8160.8650.8650.766

6、在一容积为4m3的BR中进行液相均相反应A+B→P，在75C下等温操作，试验测得

0

rA=kCACB（kmol/l.s），已知k=2.78(l/kmol.s)，A和B的初始浓度CA0=CBO=4mol/l，XA=80%，

该BR平均每分钟可处理0.684kmol的反应物A，试计算：

0

（1）今若把反应移到一个管内径为125mm的PFR中进行，假定仍维持在75C等温操作，且处理量与所要求达到的转化率均与BR一致，求所需的PFR管长l？（2）如反应移到一个CSTR中进行，求所需的反应器有效容积？解：（1）CA0=CBO=4mol/L，且为等mol反应，故：(?rA)??dCA2?kCACB?kCAdt?t?xA0.8??360S?6min?3kCA0(1?xA)2.78?4?10?(1?0.8)而PFR：??t?6min

VR?v0??FA00.684???6?1026l?1.03m3CA00.004L?

4VR1.03?4??84m?D20.1252?（2）CSTR：

5

t?xAkC2?0.83?(1?0.8)2?1799S?30min

A0(1?xA)2.78?4?10?VvFA0R?0t?Ct?0.6840.004?30?5130l?5.13m3A0

或：

(VR)P(V?1?xA

R)m(V(VR)P?1.03?5.13m3R)m?1?x?0.8

A16

t?xAkC2?0.83