化学反应工程第五版(朱炳辰)课后复习题答案

第一章

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应:

进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3(摩尔比，反应后甲

醇的转化率达72%,甲醛的收率为69.2%。试计算

(1)(1反应的选择性；

(2)(2反应器出口气体的组成。

解：(1由(1.7式得反应的选择性为：

(2进入反应器的原料气中,甲醇：空气：水蒸气一：4：13(摩尔比，当进入

反应器的总原lOOmol摩，物雌物的进料组度无数n<mol>

CH2/(2+4+1.3=0.274027.40

VJHL

34/(2+4+1.3=0.547954.79

空气

13/(2+4+1.3=0.178117.81

水1.000WO.O

设甲醇的转化率为X,甲醛的收率为Y,根据(1.3和(1.5式可得反应器出口甲

醇、甲醛和二氧化碳自摩尔数；、八口科？分别为：

n=n<1-X>=7.672mol

n=nY=18.96mol

n=n<X-Y>=0.7672mol

结合f逑爱虎的化学计量式，水In、,氧气和和契气(n的摩尔数分别为：

n=n+n+2n=38.30mol

wwopc

n=n-l/2n-3/2n=0.8788mol

O00Pc

n=n=43.28mol

NNO

所以，反应器出口气体组成为:_______________________________

组分工摩尔数(mol摩尔分率

-%-

CH不OH]7.672

HCHG18.966.983

HO17.26

238.3

34.87

20.7672

c0.8788

42CQ0.7999

铝植化剂由一氧化碳和氢

1.1.2工业上采用铜锌合成镯，其主副反应如下:由

于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料

的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为

粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部份放空，大部份经循环压缩机后与原料

气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图

冷凝分离

合成

原料气Fkg/h粗甲醇AkmoVh

循环压缩

lOOkmol放空气体

原料气和冷凝分离后的气体组成如下：(mol

组分原料气冷凝分离后的气体

co26.8215.49

H68.2569.78

CO

21.460.82

CH

40.553.62

N2.9210.29

粗甲醇的组成为CHOH89.15%,<CH>O3.55%,CHOHO6.20%,均为

分量百分率。在操作压方及温度卡，其类组分均2为不凝组分，但在冷凝冷却过程

中可部份溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO9.82g,CO9.38g,H

1.76g,CH2.14g,N5.38go若循环气与原料气之比为7.2(摩尔比，试计算；

(1)4(1二氧化碳的单程转换率和全程转化率；

(2)(2甲醇的单程收率和全程收率。

解：(1设新鲜原料气进料流量为lOOkmo附则根据已知条件，计算进料原料气

组成以质量分率表示如下：

F<kmol/h>质量分率X%

组分摩尔质量4________

CO28和26.8272.05

26.82

耳268.2513.1

Co441.466.164

2_L46

CH160.550.8443

40.55OQO

N2©^7QAA

22.92inn1AA

总计--------1UU

100

其中x=yMCyM。

iiiii

经冷凝分离后的气体组成(亦即放空气体的组成如下:

组分摩尔质量摩尔分率y.

co2815.49

耳269.78

co440.82

CH163.62

2oinoa

2

忠占计升inn

其中冷凝分离后气体平均份子量为

M=SyM=9.554

又遇成空气体流量为Akmol/h,粗甲醇的流量为Bkg/h。对整个系统的N作衡算

得：2

538B/28x100010.1029A=2.92<A>

对整个系统就所有物料作衡算得：

100xl0.42=B+9.554A<B>

联立(A、(B两个方程解之得

A=26.91kmol/hB=785.2kg/hg

后产物中8摩尔流量为

F=0.1549A+9.38B/<28义1000>

CO

将求得的A、B值代入得

F=4.431kmol/h

CO

2/30

故co的全程转化率为

由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的co摩尔流量为

F=100x0.2682+7.2x1（X）x0.1549=138.4kmol/h

co.o

所以co的单程转化率为

产物粗甲醇所溶解的CO〕CO］耳、2cH和N总量D为

粗甲醇中甲醇的量为2

<B-D>X/M=<785.2-0.02848B>x0.8915/32=21.25kmol/h

甲m

所以，甲醇的全程收率为

Y=21.25/26.82=79.24%

甲醇的单程收率为

¥=21.25/138.4=15.36%

2反应动力学基础

2.1解：利用反应时间与组分A的浓度变化数据，作出C的关系曲线,用镜面法求得t=3.5h时该点的切A

线，即为水解速率。

切线的斜率为

由（2.6式可知反应物的水解速率为

2.2解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7式来表示

故反应速率可表示为：

用X~V/Q作野生V/Q用.20min的率作用翠留得该巧件下的pC/d”/。>值同

AR♦R。°0.148

V/Qmin0J20.200.260.340.45

X%20.030.040.050.060.070.0

故8的转化速率为

2.3解：利用（2.10式及（2.28式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成io/皿。

2.4解：由题中条件知是个等容反应过程且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mo以故可把反应速率式简化,

得

由（2.6式可知

代入速率方程式

化简整理得

枳分得

解得X=82.76%・

2.5解；题中给出450P时的k停，而反应是在490c下,故首先要求出490C时的k值,2

利用（2.27试,求出频率因子A:'

l<2=Aexp（春）

A=kexp(-^)=2277I©■亿58x38.314x723=1.145X10l6

k;=Aexp(-导=1.145X1016©-17.58x104/8.31^723=1.055X104m3(MPa)0.5/m3,h

490C的Kp值由题给公式计算出

log\=2047.8/763-2.4943log763-1.256x12x763+1.8564x10-7x7632

+3.206=^4.2524

K=5.592x10-2

p

求k值：

求客组分的分压值：

各组分的分率及分压值为

NH10%p=3MPa

N19.06p=5.718MPa

%

Hp=17.15MPa

57.18

AH-CHp=4.137MPa

—%

3/30

反应速率为：

26解；图21（1图22

反应（2可逆反应

糜演吸热反应

<3>M点速率最大A点速率最小M点速率最大A点速率最小

<4>O点速率最大JB点速率最小H点速率最大B点速率最小

3R点速率大于C点速率C点速率大于R点速率

<6>M点速率最大根据等速线的走向来判断H»M点的速率大小。

2.7解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同,而温度的影响表现在反应速率常数k上,

故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。

28解：（1求出转化率为80%时各组分的分压：

XSO0SON£

07.011.0082.0100.0

0.807<l-O.8O>=1.4115.6x0.5=8.25.6081.097.1

<3>求平衡温度Te

利用（2.31式求逆反应活化能后值

<5>利用（2.31式求最佳温度T“

2.9解：反应物A的消耗速率应为两发应速率之和，即

利用（2.6式

积分之

2.10解：以lOOmol为计算基准，设X为三甲基苯的转化率,Y为生成的甲苯摩尔数。

由题给条件可知,混合气中氢的含量为20%所以有:

66.67-33.33X-Y=20

x0.8-20=20.01kmol（甲苯量

生成的二甲基苯量：3333x0.8-20.01=€.654kmol

生成的甲烷量：33.33x0.8+20.01=46.67kmol

剩余的三甲基苯量：3333x（l-0.8=6.666kmol

氨气含量为：20kmol

故出口尾气组成为：三甲基苯6.666%氢气20%二甲基苯6.654%,甲烷46.67%,甲基苯20.01%。

（2）（2由题给条件可知三甲基苯的出口浓度为：

211解：（1恒容过程淇反应式可表示为：

反应速率式表示为：

设为理想气体反应物A的初始浓度为：

亚硝酸乙脂的分解速率为：

乙醇的生成速率为：

（2恒压过程,由于反应先后摩尔数有变化，是个变容过程，由（2.49式可求得总摩尔数的变化。

由于反应物是纯A,故有：y=1•

由（2.52式可求得组分的瞬Q浓度：

C(1—X)=2.523>10-2(1—0.8)

C1+6yXA==2.803/0-2moi/I

AAA0T1^x1x0.8

r=kC=1.39x10i4exp(—18973/483)x2.803x10-2=3.395x10-^mol/1.s

AA

乙醇的生成速率为：

4/30

2.12解：（1由题意可将反应速率表示为：

对于恒容过程,则有

当X=0.8时

（2翁于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49式可求得总摩尔数的变化

反应物A的原始分率：

由（252式可求得转化率为80%时的浓度：

6

2.13解：方法（1,先求出总摩尔变化数A。

首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：

总反应速率为：

以一摩尔反应物A为基准，总摩尔变化数为：

初始浓度为：

则有

方法（2,可将C表示为：

方法（3,利用物翕衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性S,S，于是可求出产物R及S的收率

y,y，求得A转化率为85%时的分率：

铝：

2.14解:根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其它两步达到平衡，描述如下：

以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程：

9+9+9=1

由于ABV

99

将AB代入上式得：

整理得：

999

将A'B'V代入速率方程中

其中

2.15解;根据速率控制步躲及定态近似原理，除表面反应步骤外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达

式：

整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示：

根据总覆盖率为1的原则，则有：

或者

整理得，

9999

将A.B'R'V代入反应速率方程，得：

其中

2.17解：根据题意,假设反应步骤如下：

并假设第二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程：

其余的两步可认为达到平衡，则有：

9+9+9=1

由于ABV，有：

99

将A,V代入速率式，得：

k=kK

式中sA°故上述假定与题意符合。但上述假定的反应步骤不是惟一的。

218解：先用积分法求其动力学方程。

设为一级不可逆反应，其速率表达式为：

积分得:八

C

InfAO）

t<h>0123456789

C

ln（k）

00.442（.83111531.60>2.1082.45728623.4IS3.84：1

A

作图得向来线，其斜率为0.4255,故假设一级反应是合理的，其动力学方程可表示为：用

微分法求解动力学方程

首先用C〜t曲线，在曲线上取时间为0,1,2,……9h所对应点的切线，为了准确可采用镜面法，求得各切线

的斜率即为对应的de/dt之值，然后再以dC/dt-C作图,所求的dC/dt值如下表所示：

5/30

t<h>0123456789

C<mol/1>1.400.900.610.400280.170.120.080.0450.03

dC/dt<mol/l.h>0.700.450.2950.1910.1470.0950.060.0330.0250.015

设为二级不可逆反应，用dC3f作图得向来线，其斜率为0.5h”,其动力学方程可表示为：

或者将速率方程直线化,即鬲边或对数，得：

可简化为y=b+ax形式,利用多元回归，可求得反应级数n=L004句，反应速率常数值为k=0.4996o

还可用一数学公式来拟合C~t曲线，然后再将该数学公式对t求导，求得dC/dt之值，此法会比作图法来

的准确。

3釜式反应器

XX

t=C(pAf=C(pAf"A=1>XA_

Vt

AOo(-RAO0k2C2(1-X)2kC1-X

AAOAOAAOA

=x=169.6min(2.83h)

3.1解：(15.6x0.021—0.95

<2>因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为

2.83ho

3.2解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的份子量分别为80.5,84和62kg/kmol,每

小时产乙二醇：20/62=0.3226kmol/h

0.3266x80.5—/u

=91.11kg/h

每小时需氯乙醇：0・95x30%

0.3266x84彳加ci/u

=190.2kg/h

每小时需碳酸氢钠：°・95x15%

Q=................=275.81/h

原料体积流量:o1.02

C=0,3266>1000=1.231mol/l

氯乙醇初始浓度:AO0.95x275.8

反应时间：

反应体积：丫=Q0(t+1')=275.8x(2.968+0.5)=956.5I

V956.5

Y=q=12751

(2)(2反应器的实际体积:f0.75

3.3解：用AJBRS分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一

时刻盐酸的浓度(也就是丙酸钠的浓度,因为其计量比和投量比均为1：1为：

于是可求由A的平衡转化率：

现以丙酸浓度对时间作图：

由上图，当C声0515x14.7mol?l时,所对应的反应时间为48min。由于在同样

条件下，间歇装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48mh1。

丙酸的产量为：500kg/h=l12.6mol/mino

所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min。

原料处理量为：Q0==156-4/(0.0515+52.5)=57.84I/min

反应器体积：丫=0*+"二57,84x(18+20+10)=45121

6/30

实际反应体积：4512/0.8=56401

34解・<1>

.（由最值积分得出

<2>若A全部转化为凡即X=1.0,则由上面的积分式知,18，这显然是不可能

的。

35解：因为B过量所以:

恒容时：

dC.-

A=kC

"dt1A(A

dC

_c=kC_kC

dt1A2C<B>

(B式除以(A式得；

(C

将t,C,C及t,C,C嬴据代入（C式化简得:

1AC2AC

解之得：

<2>先生出最大转化率：

<3>产物C的最大收率：

产物C的最大浓度：

3.6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。但子

细分析这两种情况,其实质是下述反应的特例：

A—~kJA——K.)A

123<A>

当卜2二°时，（A式变为A1人24<B>

当k；二°时，（A式变为Ag—A3<O

当k;=0耳=0时，（人式变为％）A2）A3

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式的解，则可今

易化简得到（B,v。及vD>式的解。

对于<A>式，可列出如下微分方程组：

dC

_1=kC_kC

dt1111<1>

dC2=kC+kC_kC_kC

dt11231222<2>

dC

3=kC_kC

dt2223<3>

由题意知初始条件为：

7/30

C(O)=C，C(O)=C(O)=O

o<4>

联立求解此微分方程组可得：

C「C网1叫W

10[a。ap

<5>

[kk-

C=C10(>----+1A

2iap

IV<6>

lkk

C(kkeatept

C二12__+

310、aP除工一Pj

<7>

1P

式中,a由如下式确定:

ap=kk*+kk+kk

121221<8>

a+p=_(k+k+k+k)

现在可用上述结果"本质进行计算:<9>

k=4.0min1,k=3.6min_i,k=1.5minJ,k•=O,t=1min

f11l1122

由(5〜(9式得

(2当时，由(5-(9式得

(3此时为k1=0的情况，当…时，由匕=4.0min_i,

k=1.5min_i,k•=3.6minj殂

22得：

tnIrkCC21

S肘7c.1流2c=1+2KC

3.7解：(1BA1A2AB1+2A-

由上式知，欲使S增加，需使C低,C西,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。

(2保证C低,C高,故可用下图所示的多釜串联方式：

(3用半蔺歇良应器,若欲使C低,C高,可以将B一次先加入反应器，然后滴加

AB

A.

38解：(1

芈必/在C=CX=3.露艮0.989=3.165mol/I

^^浓度苯酚AOA

先M+HQC=18.82根3.165=59.56mol/min=335.9kg/h

0苯酚

(2全混流反应器

并访*aQC=16.财艮3.才艮0.989=50.69mol/min=285.9kg/h

本酚产重o苯酚

(3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。

(4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者全混流反应

器，其原料处理量不变，但由于C增加一倍，故C也增加一倍，故上述两个反应

AB菜质

器中苯酚的产量均增加一倍。

8/30

3.9解：(1第二章2.9题已求出t=0.39^F=2423min

<2>

<3>若转化率仍为0.95,且温度为常数，则D的瞬时选择性为：

D的收率：

这说明能使D的收率达到70%

(4对全混流反应器，若使D.3958h,则有

解之得：C=0.4433

A

X=A0-CA=0.77840.95

所以：AAOC

这说明在这种情况下转化率达不到95%o

(1)(5对全混流反应器，若X=0.95,则R的收率为：

(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。为了求分组A的

转化率及R的收率，需要求出A及R的浓度随时间的变化关系现列出如卜的微

分方程组：

D(VC)A+(1.6C+16.4C2)V=QC

对A：AA0AO(1

对R:

d(vCR)_16CV=0

dtA(2

在反应时间(IFC.4038h为方便起见取tM.4h将0.4iw的A均速加入反应器，

0.4

Q=__=1m3/h

故00・4

采用间歇釜操作时,原料为A与B的混合物A的浓度为2kmol/m3.现采用半间歇

釜操作，且

VB=1m3M=0.4m3，故可算出原料A的浓度为:

c(1+0.4)x2.।.

C='/kmol/m3

AO0.4

由于:

代入(1,(2式则得如下一阶非线性微分方程组:

dC7—C

A=A—1.6C—16.4C2

dt1+tAA(4

R=1.6C-R

dtA1+t(5

初始条件：H),C^),C^0

可用龙格一库塔推进行数值求解。取步长△t=0.02h,直至求至t=0.4h即可。

用t=0.4h时的C和C可以进行A的转化率和R的收率计算：

vN—NCV—CV

X=A0A=A0AA

AN0CV

式中V为所锢入的A的体A锹盒AVR刖jC为所加入的A的浓度，且

AAA0

9/30

C=7kmol/m3；V为反应结束时物系的体积,V=L4m3。

A°CV

Y=R.

同理可以计算出R的收率：RAOAV

3.10解：(1

110

X

对H求dV/dX=O可得：1一A1(二*/-

=1+X

将X=0.9代入上式，则I。。"A1

解遥XA=0.741

所以总骨混体积的最小值为

<2>

3.249C

=B1

40.09123-14C

懂得C=0.005992kmol/m3由

“4.676C-CC-0.005992

T=_______=B2B1B2

2434C2-14C34C(1-X)2-14C

I可埋A2B2AOA2B2

解得C=0.00126kmol/mj

B2

Y=2%=2>0426=126%

B的收率：B融C0.2

一目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第i个釜，组分A，B的衡算

方程分别为：

C-C

AMAiT

A68C2

对“A:Ai

C-C

BiBi-1T

34C2-14C

对B：Ai

当日时，

C-C

AOA1=T

68C21

A1(1

C

B1T

34C2-14C1

A1B1

当M2时，

C—C

A1A2T

68C22

A2(3

C

B2T

34C2-14C2

B2(4

由（1式解出C代入（2式可解出C;由（1式解出C代入（3式可解出C;

B1A1A2

10/30

将CRC代入（4式可解中C，其为T,T的函数，即0B2=’《Ao工，丁?）

（5B，

式中C为常数。由题意，欲使C最大，则需对上述二元函数求极值：

AOB2

联立上述两个方程可以求出t及题中已给出Q,故由9=。0（二十12）可求

出q最大时反应器系统电串体积。2将代入（5武即可求出B的最高浓度，

从而句进一步求出Y庵；,工代入C,则由X=<C-C>/C可求出最终转化

、.BmaX12A2A2AOA2A0

率。

3.11解：

3X

490=Af

0.06447(1-X)(3.16-1.5x2.03X)2

X3-3.075X2+3.162X-1.077=0

整理得：AfAfAf

解得：X=0.821

反应器G口A3得浓度分别为：

3.1(1所需的反应体积；

(1)(2B及D的收率。已知操作温度下Jk=6.85xia5]/moLs;

k=1.296x10^；;k=1.173xl&l/mol.s出的份子量为140；D的份子量为140。

2解：因=M=140,所以M=M=70

…CA乂

T_AOA

2(kC2-kC)+kCC

1A2B4T(1

C

T=B

(2

c-c

T=COC

kCC

3AC(3

由(2,(3式分别得：

_KTC2

kcz—1A

B1+kT

2(4

c

C=co

c1+kTC

3A(5

将（4,（5式及上述数据代入（1式，可整理为工的代数方程式，解之得T=3.831x

1210641

（1）（1反应体积二TQQ=106.4X360=383001=38.30m3

⑵（2梭代入（4式得0B=1016m01"，所以B的收率为：

对A作物料衡算：-A=普

所以有：

0.2312

=9.40%

所以D的收率为:2.46

11/30

3.20解：(1二个3001全混串联釜K=0.989,q

%=k(aJ。

N(1

V=Q0^XA2—\J=300

「2k(1—XJ(2

解得：X=0.8951

代入(求出此系统的体积流量：

W021/min

3.8题中已算出。9o因为最终转化率相同，故生产能力增加

168.7/16.02=10.53倍。

(2二个3001釜并联，在最终转化率相同时,Q增。加一倍，生产能力也增加一倍。

T=298K,T=309K,Q=0.05m3/min

00

△H=-209x103kJ/kmol

r

321解・k=1.8x1Sexp(—5526/309)=0.308

(i)(1条转化率：

解得:*人：0.8221

反应器法口物料中醋酎浓度：

322解.V=1m3,r=kC,k=0.98h—i,C=2.1kmol/l,X=0.9

(1)(1一4不可逆反应：

所以Q=0.109m3/h

丙二醇的浓度=。刈'人=2,1x0,9=1.89kmol/m3

<2>采用定态下连续操作

所以q=0.109nWh

丙二醇的产量=°」09x1.89=0.2058kmol/h=4.939kmol/日

(3亩连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。

4管式反应器

4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：

在反应条件下该反应的速率方程为：

式中q及f分别为甲苯及氢的浓度再1。几原料处理量为2kmol/h,其中甲苯与

氢的摩T尔1等于lo若反应器的直径为50m叫试计算甲苯最终转化率为95%时的

反应器长度。

解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程,原料甲苯与氢的摩尔比等于1,

即：

c=C则有.C=C=C(1-x)

TOHO,火J伺：THTOT

示中下标T和H分别代表甲苯与氢,其中：

所以,所需反应器体积为：

12/30

dX

V=QC（p^dXT_=Qc^T—

r0TO01.5CC0.50TO01.5C15

THT

dX

=0.278x10河。95T-----------------------------=0.4329X（1-895）25-1=3.006m3

o1.5（5.68x10^）i.5（1-XT）I.51.5-1

3.006-

=1531.1m

所以，反应器的长度为：0.052x3.14/4

42根据习题32所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇,试

计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。

解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程,在习题3.2中己算出:

所以，所需反应器体积：

由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大,这

是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。

4.31.013xISPa及20℃下在反应体积为0.5皿的活塞流反应器进行一氧化氮

氧化反应：

式中的浓度单位为kmol/iwo进气组成为10%NO,1%NO,9%0,80%N,若进气流量为

0.6m3/h(标准状况下，试计算反应器出口的气体组成。222

解：由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：

Vr=pC<PAxadXAA

QA0o1.4x104C2co

RAB(A

示中AJB分别代表NO和O；由题意可知，若能求得出口转化率，由(2.54式得：

便可求出反应器出口气体血成。己知：

所以,反应速率为；

再将有关数据代入(A式：

0.5>14x4.159(10.05X)__________

=(PXA3A--------dX

1.789x3o(1-X)2(3.743-2.078X)A

AAIB

用数值积分试差求得：XA=99-7/G

因此，

另：本题由于惰性气体用占80%,故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有

太大的误差。

4.4在径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯：

反应压力及温度分别为2.026xl05Pa及815℃。进料含50%<mol>CH点余为水

蒸汽。进料量等于0.178kg/s。反应速率方程如下：

式中P为乙烷分压。在815℃时，速率常数k=1・0s/，平衡常数

K=7.49x104Pa，假定其它副反应可忽略,试求：

(1)(1此条件下的平衡转化率；

(2)(2乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。

解：(1设下标A—乙烷B—乙烯氢。此条件下的平衡转化率可按平衡

式求取：

若以1摩尔CH为基准，反应先后各组分的含量如下：

26

13/30

反应前10012

平衡时1-XXX12+X

因此，平衡时各组分分压为:

将其代入平衡式有：

解此一元二次方程得：着=“I

(2)(2所需的反应管长：首先把反应速率方程变为

以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知：

代入物料衡算式有

其反应管长：

4.5于277℃,L013xl05Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应:催化

剂的堆密度为700驷,在277c时出的转化速率为：

式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽稍不计。加料组成为

23%B,46%A,31%Q(均为分量%，加料中不含酯，当X=35%时，所需的催化剂量是

多

B

少？反应体积时多少？乙酸乙酯的产量为2083kg/h。

解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为B组分转化

率的函数,其中：

为求各组分初始分压须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即

12.34%B,32.1%A,55.45%Q。于是有：

将上述有关数据代入设计方程：

采用数值积分便可得到所需的催化剂量：W=1.01x104kg

其反应体积为：

4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应：

流量为2kmoVh的纯CHC1F气体先在预热器预热至7009，然后在一活塞流反应

器中700C等温下反应。在预热器中CHC1F已部份转化，转化率为20%o若反应

器入口处反应气体的线速度为20m/s,当出口星CHC1F联转化率为40.8%时，出口

的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系余的压力均为L013x

10sPa,700C时的反应速率常数等于0.97S-1。若流量提高一倍,其余条件不变，则反

应器长度是多少？

解：反应历程如下图所示：

_____________4反应器_____________>

」预热器

温度〒1TT=T

线速度u。uUf

转化率xl)，nXX

AOA,hAJt

该反应为变容过程，其中YAO=1'6A="2,

由(2.50式知：

由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度：

其出口处气体线速度为：

由设计方程计算出反应器长度：

那末需求出以反应器入口为基准的出口转化率Xo.据X=F-F/F，可求出

F=L6kmol/2F=L184kmol/耳所以,X=vl<・L184>/l.A=0.2展;宇"有:

遗"是由于皮应器的截面就没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此，

14/30

当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积相应

增加。

4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：

目的产物为&且R与B极难分离。试问：

(1)(1在原料配比上有何要求？

⑵(2若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？

(3)(3如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式？

解：对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或者选择性

最大，根据动力学特征，其瞬时选择性为：

由此式可知要使S最大,C越小越好，而C越大越好,而题意又给出R与B极难分

离，故又