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文档简介
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
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