理學]化學反應工程第五版課后答案-資料下載頁

【導讀】后甲醇的轉化率達72%，甲醛的收率為%。反應器出口氣體的組成。進入反應器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：（摩爾比），機后與原料氣混合返回合成塔中。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過。一氧化碳的單程轉換率和全程轉化率；進料的平均摩爾質量Mm=∑yiMi=。又設放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統的N2作衡算。%（重量），混合物的密度為1g/mL，反應物A的分子量為88。試求反應時間為的A的水解速率。面法求得t=時該點的切線，即為水解速率。應速率常數kW等于。如催化劑的比表面積為30

　　

【正文】 /m3，CC=，試求： （ 1） （ 1） k2/k1。 （ 2） （ 2） 產物 C 的最大濃度； （ 3） （ 3） 對應 C 的最大濃度時 A 的轉化率。 解： (1)因為 B過量，所以： 39。 39。 39。 39。1 2 1 2,? ? ? ? ? ?A A D C C A D A Cr k C r k C r r r k C k C 恒容時： 39。1??A AdC kCdt （ A） 39。39。12? ? ?C ACdC k C k Cdt (B) （ B）式除以（ A）式得： 39。239。11? ? ?CCAAdC k CdC k C 解此微分方程得： 39。239。1039。2 0039。11????????????? ??kkA AACAAC CCCk CCk （ C） 將 t1,CA,CC及 t2,CA,CC數據代入（ C）式化簡得： 2 5 8 2 5 8 ? ? ? ? ? ? ?xx 解之得： 39。2239。 25? ? ?kkx (2)先求出最大轉化率 : 21111, m ax21 ( ) 425?? ? ?kkAkXk (3)產物 C的最大收率： ? ? ? ?21, ma x211 1 1 0 .4 9 0 51??? ? ? ? ??????kkC A AY X Xkk 產物 C 的最大濃度： 3, ma x 0 , ma x 0 .1 0 .4 9 0 5 0 .0 4 9 1 /? ? ? ?C A CC C Y k m o l m 在等溫間歇反應器中進行液相反應 311 2 3? ? ?? ??? kkA A A 初始的反應物料中不含 A2 和 A3 ， A1 的濃度為 2mol/l，在反應溫度下k1=,k2=,k3=。試求 : （ 1） （ 1） 反應時間為 時，反應物系的組成。 （ 2） （ 2） 反應時間無限延長時，反應物系的組成。 （ 3） （ 3） 將上述反應改為 311 2 3??? ? ? ?? kkA A A反應時間無限延長時，反應物系的組成。 解：根據題中給的兩種反應情況，可分別列出微分方程，然后進行求解。但仔細分析這兩種情況，其實質是下述反應的特例： 121 2 3? ?? ? ??kkA A A (A) 當 39。2 0?k 時，（ A）式變為 1 2 3??A A A (B) 當 39。1 0?k 時，（ A）式變為 1 2 3??A A A (C) 當 39。39。120, 0??kk時，（ A）式變為 1 2 3??A A A (D) 其中式（ D）即為書講的一級不可逆連串反應。可見只要得到（ A）式的解，則可容易化簡得到（ B） ,(C)及 (D)式的解。 對于 (A)式，可列出如下微分方程組： 39。1 1 1 1 1? ? ?dC k C k Cdt (1) 39。39。2 1 1 2 3 1 2 2 2? ? ? ?dC k C k C k C k Cdt (2) 39。3 2 2 2 3??dC k C k Cdt (3) 由題意知初始條件為： 1 10 2 3( 0 ) , ( 0 ) ( 0 ) 0? ? ?C C C C (4) 聯立求解此微分方程組可得： 39。 39。 39。 39。 39。2 1 1 1 2 21 10 11( ) ( )( ) ( )????????? ? ?????? ? ?????ttk k k k k e k eCCkk????? ? ? ? ? ? ? ? (5) 39。 39。 39。1 2 1 2 22 10( ) ( )??? ? ?? ttk k k k e k eCC ????? ? ? ? ? ? (6) 1 2 1 23 10 ??????? ? ?????? ????ttk k k k e eCC ??? ? ? ? ? ? (7) 式中， ,??由如下式確定： 39。 39。 39。1 2 1 2 2 1? ? ?k k k k k k?? (8) 39。39。1 1 2 2()? ? ? ? ? ?k k k k?? (9) 現在可用上述結果對本題進行計算： （ 1） 1 39。 1 1 39。1 1 2 24 .0 mi n , 3 .6 mi n , 1 .5 mi n , 0 , 1 mi n? ? ?? ? ? ? ?k k k k t 由（ 5）～（ 9）式得 1230 .5 5 9 2 /0 .5 0 9 8 /0 .9 3 1 /???AAAC m o l lC m o l lC m o l l （ 2）當 t→∝時，由（ 5）～（ 9）式得 1 2 30 /? ? ?A A AC C C m ol l （ 3）此時為 39。1 0?k 的情況，當 t→∝時，由 11 mi n ,??k 1 39。 1221. 5 m in , 3. 6 m in????kk得： 1230 / /???AAACC m ol lC m ol l 擬設計一反應裝置等溫進行下列液相反應： 212222? ? ?? ? ?R A BS A BA B R r k C CA B S r k C C 目的產物為 R， B 的價格遠較 A 貴且不易回收，試問： （ 1） （ 1） 如何選擇原料配比？ （ 2） （ 2） 若采用多段全混流反應器串聯，何種加料方式最好？ （ 3） （ 3） 若用半間歇反應器，加料方式又如何？ 解：（ 1）2122 2121122 1? ? ?? ?A R A B AB A A B A BBr k C CSkCR k C C k C CkC?? 由上式知，欲使 S 增加，需使 CA低， CB高，但由于 B 的價格高且不易回收，故應按主反應的計量比投料為好。 （ 2）保證 CA低， CB高，故可用下圖所示的多釜串聯方式： （ 3）用半間歇反應器，若欲使 CA低， CB高，可以將 B一次先加入反應器，然后滴加 A. 300l 的反應器中 86℃等溫下將濃度為 化氫異丙苯溶液分解： 6 5 3 2 3 3 6 5() ??C H C CH CO H CH CO CH C H O H 生產苯酚和丙酮。該反應為一級反應，反應溫度下反應速率常數等于 ,最終轉化率達 %，試計算苯酚的產量。 （ 1） （ 1） 如果這個反 應器是間歇操作反應器，并設輔助操作時間為 15min。 （ 2） （ 2） 如果是全混流反應器； （ 3） （ 3） 試比較上二問的計算結果； （ 4） （ 4） 若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結果怎樣？ 解：（ 1） 0000000 0 011ln( ) ( 1 ) 111l n 56 .37 4 m i n 1 89( ) ( 4 15 ) 30 0? ? ?? ? ?? ? ??? ? ? ? ???A f A fXXAAAAA A A A ArdX dXt C CR k C X k XsV Q t t Q l 0 300 / 15. 94 18. 82 / m i n??Ql 苯酚濃度 0 3. 2 0. 98 9 3. 16 5 /? ? ? ?苯酚 AAC C X m ol l 苯酚產量 0 1 8 .8 2 3 .1 6 5 5 9 .5 6 / m in 3 3 5 .9 /? ? ? ?苯酚Q C m o l k g h （ 2）全混流反應器 0 0 000( 1 ) ( 1 )( 1 ) 30 0 8 ( 1 89 ) 66 9 / 16 .02 / m in 89????? ??? ? ? ?A Af AfrA Af Afr AfAfQ C X Q XVkC X k XV k XQ l s lX 苯酚產量 0 1 6 .0 2 3 .2 0 .9 8 9 5 0 .6 9 / m in 2 8 5 .9 /? ? ? ? ?苯酚Q C m o l k g h （ 3）說明全混釜的產量小于間歇釜的產量，這是由于全混釜中反應物濃度低，反應速度慢的原因。 （ 4）由于該反應為一級反應，由上述計算可知，無論是間歇反應器或全混流反應器，其原料處理量不變，但由于 CAB增加一倍，故 C 苯酚 也增加一倍，故上述兩個反 應器中苯酚的產量均增加一倍。 在間歇反應器中等溫進行下列液相反應： 323 / .2 / .? ? ??? RADAA B R r C km ol m hA D r C km ol m h rD及 rR分別為產物 D及 R的生成速率。反應用的原料為 A及 B的混合液，其中 A的濃度等于 2kmol/m3。 （ 1） （ 1） 計算 A 的轉化率達 95%時所需的反應時間； （ 2） （ 2） A 的轉化率為 95%時， R的收率是多少？ （ 3） （ 3） 若反應溫度不變，要求 D的收率達 70%，能否辦到？ （ 4） （ 4） 改用全混反應器操作，反應溫度與原料組成均不改變，保持空時與（ 1）的反應時間相同， A的轉化率是否可達到 95%？ （ 5） （ 5） 在全混反應器中操作時， A 的轉化率如仍要求達到 95%，其它條件不變， R的收率是多少？ （ 6） （ 6） 若采用半間歇操作， B 先放入反應器內，開始反應時 A 按（ 1）計算的時間均速加入反應器內。假如 B的量為 1m3， A為 ，試計算 A加完時，組分 A所能達到的轉化率及 R的收率。 解：（ 1）第二章 題已求出 t== (2) 0230 230 1( ) / ( ) 1 5( 1 ) 2 ( 1 ) /11l n ( 1 5 )1 5 5 05 /2?? ? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ???AAR A R ARA A A AA A ACR R A ACARRAdC dC dC CSdt dt dC C C CC C X km ol mC S dC CCkm ol mCYC (3)若轉化率仍為 ，且溫度為常數，則 D 的瞬時選擇性為： 2 8 . 2 3 2 . 8 ( 1 )1 . 6 1 6 . 4 3 4 . 4 3 2 . 8??????AAD CXS D 的收率： 0 . 9 5003 2 . 8 ( 1 ) 0 . 8 3 4 8 0 . 73 4 . 4 3 2 . 8?? ? ????AfX AD D A AAXY S d X d XX 這說明能使 D 的收率達到 70% （ 4）對全混流反應器，若使τ =t=,則有 0 20 .3 9 5 8 1 .6 1 6 .4?? ?AACC 解之得： CA= 所以： 0 0 0 . 7 7 8 4 0 . 9 5???AAAACCX C 這說明在這種情況下轉化率達不到 95%。 （ 5） （ 5） 對全混流反應器，若 X=,則 R的收率為： 0 5 69 11 10 .25 ( 1 ) 1 10 .25 2 ( 1 5 )? ? ? ?? ? ? ? ?AfR A fA A fXY S XCX （ 6）依題意知半間歇式反應器屬于連續加料而間歇出料的情況。為了求分組 A的轉化率及 R 的收率，需要求出 A 及 R 的濃度隨時間的變化關系，現列出如下的微分方程組： 對 A: 2 00() ( 1 . 6 1 6 . 4 )