化學反應工程第五版(朱炳辰)課后習題答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。，改用活塞流反應器生產乙二醇，試計算所需的反應體積，并與間歇釜式反應器進行比較。解：題給條件說明該反應為液相反應，可視為恒容過程，： 所以，所需反應器體積：由計算結果可知，活塞流反應器的反應體積小，間歇釜式反應器的反應體積大，這是由于間歇式反應器有輔助時間造成的。 105Pa及20℃：式中的濃度單位為kmol/m3。進氣組成為10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,（標準狀況下），試計算反應器出口的氣體組成。解：由NO氧化反應計量方程式可知此過程為變容過程，其設計方程為： （A） 示中A,B分別代表NO和O2。由題意可知，若能求得出口轉化率，由（）式得：便可求出反應器出口氣體組成。已知：所以，反應速率為：再將有關數據代入（A）式： （B）用數值積分試差求得：因此，另：本題由于惰性氣體N2占80%，故此反應過程可近似按恒容過程處理，也不會有太大的誤差。：105Pa及815℃。進料含50%(mol)C2H6,其余為水蒸汽。反應速率方程如下：式中pA為乙烷分壓。在815℃時，速率常數，平衡常數，假定其它副反應可忽略，試求：（1） （1） 此條件下的平衡轉化率；（2） （2） 乙烷的轉化率為平衡轉化率的50%時，所需的反應管長。解：（1）設下標A—乙烷，B—乙烯，H—氫。此條件下的平衡轉化率可按平衡式求取：若以1摩爾C2H6為基準，反應前后各組分的含量如下：反應前 1 0 0 1 2平衡時 1Xe Xe Xe 1 2+ Xe因此，平衡時各組分分壓為：將其代入平衡式有：解此一元二次方程得：（2） （2） 所需的反應管長：首先把反應速率方程變為以保證速率方程的單位與物料衡算式相一致。已知：代入物料衡算式有其反應管長：℃，105Pa壓力下在活塞流反應器進行氣固相催化反應:催化劑的堆密度為700kg/m3,在277℃時，B的轉化速率為：式中的分壓以Pa表示，假定氣固兩相間的傳質阻力可忽略不計。加料組成為23%B,46%A,31%Q（均為重量%），加料中不含酯，當XB=35%時，所需的催化劑量是多少？反應體積時多少？乙酸乙酯的產量為2083kg/h。解：由反應計量方程式知反應過程為恒容過程，將速率方程變為B組分轉化率的函數，其中：為求各組分初始分壓，須將加料組成的質量百分比化為摩爾百分比，%B,%A,%Q。于是有：將上述有關數據代入設計方程：采用數值積分便可得到所需的催化劑量：其反應體積為：:流量為2kmol/h的純CHClF2氣體先在預熱器預熱至700℃，然后在一活塞流反應器中700℃等溫下反應。在預熱器中CHClF2已部分轉化，轉化率為20%。若反應器入口處反應氣體的線速度為20m/s，%時，出口的氣體線速度時多少？反應器的長度是多少？105Pa，700℃。若流量提高一倍，其余條件不變，則反應器長度是多少？解：反應歷程如下圖所示：反應器 預熱器 溫度 T0 Tin Tf=TiN線速度 u0 uin uf轉化率 XA0=0 XA,in XA,f該反應為變容過程，其中，由（）式知：由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉化率為零時的線速度：其出口處氣體線速度為：由設計方程計算出反應器長度：那么需求出以反應器入口為基準的出口轉化率XAf。據XA=FA0FA/FA0，可求出FA,in=,FAf=,所以，XAf=()/=。因而有：這是由于反應器的截面積沒有固定，固定的是反應氣體的線速度等條件，因此，當流量提高一倍時，而其余條件不變，則反應器的長度并不變，只是其截面積相應增加。：目的產物為R，且R與B極難分離。試問：（1） （1） 在原料配比上有何要求？（2） （2） 若采用活塞流反應器，應采用什么樣的加料方式？（3） （3） 如用間歇反應器，又應采用什么樣的加料方式？解：對于復合反應，選擇的原則主要是使目的產物R的最終收率或選擇性最大，根據動力學特征，其瞬時選擇性為：由此式可知要使S最大，CA越小越好，而CB越大越好，而題意又給出R與B極難分離，故又要求CB不能太大，兼顧二者要求：（1）原料配比，如果R與B極難分離為主要矛盾，則除去第二個反應所消耗的A量外，應按第一個反應的化學計量比配料，而且使B組分盡量轉化。（2）若采用PFR，應采用如圖所示的加料方式，即A組分沿軸向側線分段進料，而B則在入口處進料。（3）如用半間歇反應器，應采取B一次全部加入，然后慢慢加入A組分，直到達到要求的轉化率為止。℃等溫下進行氣相均相不可逆吸熱反應。現擬在反應器大小，原料組成及出口轉化率均保持不變的前提下（采用等溫操作），增產35%，請你擬定一具體措施（定量說明）。設氣體在反應器內呈活塞流。解：題意要求在反應器大小，原料組成和出口轉化率均保持不變，由下式：可知，Q0與反應速率常數成正比，而改變反應溫度又只與k有關，所以，提高反應溫度可使其增產。具體值為:解此式可得：T2=。，可增產35%。，改用活塞流反應器，試計算苯酚的產量，并比較不同類型反應器的計算結果。解：用活塞流反應器：將已知數據代入得：解得：，所以苯酚產量為：由計算可知改用PFR的苯酚產量遠大于全混流反應器的苯酚產量，也大于間歇式反應器的產量。但間歇式反應器若不計輔助時間，其產量與PFR的產量相同（當然要在相同條件下比較）。，改用活塞流反應器，反應溫度和原料組成均保持不變，（1）的反應時間相同，A的轉化率是否可達到95%？R的收率是多少？解：對于恒容過程，活塞流反應器所需空時與間歇反應器的反應時間相同，所以A的轉化率是可以達到95%的。R的收率與間歇反應器時的收率也相同，%。，改用活塞流反應器，試計算：（1）所需的反應體積；（2）若用兩個活塞流反應器串聯，總反應體積是多少？解：（1）用PFR時所需的反應體積：（2）若用兩個PFR串聯，其總反應體積與（1）相同。：，加入物料A為氣相，B為液體，產物C為氣體。B在管的下部，氣相為B所飽和，反應在氣相中進行。105Pa，104Pa，反應溫度340℃，反應速率常數為102m3/，計算A的轉化率達50%時，A的轉化速率。，反應體積是多少？解：此反應為氣相反應，從化學計量方程式看，是變容反應過程，但氣相中pB為常數，故可看成恒容過程。假定為理想氣體，其中：當XA=50%時，A的轉化速率為：當時，所以，此時所需反應體積為：：兩反應均為一級，反應溫度下，k1=，k2=。A的進料流量為3m3/h,其中不含P和Q，試計算P的最高收率和總選擇性及達到最大收率時所需的反應體積。解：對一級連串反應可得如下關系是： (A)若求最高收率，即令：，可得到：將(XA)m代入（A）式得最高收率：P的總選擇性：達到最大收率時的反應體積為：：式中為化學計量系數。目的產物為P。（1） （1） 寫出瞬時選擇性計算式。（2） （2） 若，試求下列情況下的總選擇性。（a） （a） 活塞流反應器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；（b） （b） 連續釜式反應器，濃度條件同（a）；（c） （c） 活塞流反應器，反應物A和B的加入方式如下圖所示。反應物A從反應器的一端連續地加入，而B則從不同位置處分別連續加入，使得器內處處B的濃度均等于1kmol/m3,反應器進出口處A的濃度分別為19和1kmol/m3。 解：（1）設A為關鍵組分，目的產物P的瞬時選擇性為：(2)若，求下列情況下的總選擇性。（a）活塞流反應器,因為CA0=CB0,其化學計量系數相同，所以CA=CB，則有，因此(b)連續釜式反應器(c)PFR,且B側線分段進料，器內B的濃度均等于1kmol/m3,則（104Pa）下進行氣相反應:式中PA為A的分壓Pa，原料氣含量A10%（mol），其余為惰性氣體。若原料氣處理量為1800標準m3/h，要求A的轉化率達到90%，計算所需的反應體積及反應產物Q的收率。解：此反應為復合反應系統，一般需要多個物料衡算式聯立求解，方能解決問題。但這里三個平行反應均為一級，可簡化處理。其組分A的總轉化速率為：又為變容過程：其中，所以有所需反應體積為：產物Q的收率：（B）氧化反應以生產順丁烯二酸酐（MA）：這三個反應均為一級反應，反應活化能（kJ/mol）如下：E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子（kmol/）分別為A1=,A2=108,A3=105Pa和704K等溫進行。原料氣為苯蒸汽與空氣的混合氣，%（mol）。現擬生產順丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最終收率為42%。假設（1）可按恒容過程處理；（2）可采用擬均相模型。試計算（1）苯的最終轉化率；（2）原料氣需用量；（3）所需的催化劑量。解：（1）由題意知：，解之得：或：且：解此一階線性微分方程有：已知：代入上式化簡得到：通過試差求出：（2）原料氣需用量。由收率定義知：總原料氣為：（3）%，所需催化劑量由物料衡算式求得：（1）寫出絕熱管式反應器反應物料溫度與轉化率關系的微分方程；（2）在什么情況下該方程可化為線性代數方程，并寫出方程。回答問題（1），（2）時必須說明所使用的符號意義；（3）計算甲苯氫解反應的絕熱溫升。原料氣溫度為873K，氫及甲苯的摩爾比為5。反應熱△H298=49974J/mol。熱容（J/mol K）數據如下：H2:CP= CH4: CP=+C6H6: CP=+ C6H5CH3: CP=+（4）在（3）的條件下，如甲苯最終轉化率達到70%，試計算絕熱反應器的出口溫度。解：（1）絕熱管式反應器反應物料溫度T與轉化率XA的微分方程： (A)式中為基準溫度下的熱效應；Cpt為反應物料在基準溫度下與反應溫度T之間的熱容；wA0為組分A的初始質量