反應(yīng)工程課后習(xí)題

第第頁(yè)反應(yīng)工程課后習(xí)題反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

第二章

1．在一管式反應(yīng)器中等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)：

催化劑體積為10ml,原料氣中CO含量為3％，其余為N2、H2,氣體，轉(zhuǎn)變進(jìn)口原料氣流量Q0進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得出口CO的轉(zhuǎn)化率為：

83.367.650.038.529.422.2

*/%203040506070

試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為50ml/min時(shí)的轉(zhuǎn)化速率。解：是一個(gè)流淌反應(yīng)器，由〔2.7〕式可知其反應(yīng)速率為rA=－dFA/dVr

FA=FA,0(1－*A)=Q0CA0(1－*A)dFA=－Q0CA0d*A故反應(yīng)速率可表示為：

rA=Q0CA0d*A/dVr=CA0d*A/d〔Vr/Q0〕

用*A－Vr/Q0作圖，過(guò)Vr/Q0=0.20min的點(diǎn)作切線，即得該條件下的d*A/d〔Vr/Q0〕值a

rA=－dCA/dt=－d{CA0〔1－*a〕/dt=CA0d*A/dt代入速率方程式

CA0d*A/dt=0.8C2A0(1－*A)2化簡(jiǎn)整理得

d*A/(1－*A)2=0.8CA0dt積分得

0.8CA0t=*A/(1－*A)=9.6解得*A=90.59%

2．在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)討論中，采納B106催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得正反應(yīng)活化能為9.629104J/mol，假如不考慮逆反應(yīng)，在反應(yīng)物料組成相同的狀況下，試問(wèn)反應(yīng)溫度為550℃時(shí)的速率比反應(yīng)溫度為400℃時(shí)的反應(yīng)速率大多少倍？

解：從題中可知，反應(yīng)條件除了溫度不同外，其他條件都相同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上，故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來(lái)描述反應(yīng)速率之比。

r550/r400=k550/k400=Ae*p(－E/RT550)/Ae*p(－E/RT400)=eE/R(1/T400－1/T550)=23(倍)

3．在一恒容反應(yīng)器中進(jìn)行以下液相反應(yīng)

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式中中A的濃度為2

分別表示產(chǎn)物R及D的生成速率。反應(yīng)用的原料為A與B的混合物，其

，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95％時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。

解：反應(yīng)物A的消耗速率為兩反應(yīng)速率之和，即

RA=rR+2rD=1.6CA+16.4C2A=1.6CA〔1+10.25CA〕利用〔2.6〕式

－dCA/dt=1.6CA〔1+10.25CA〕積分得1.6t=

+Ln{[(1－*A)+1/10.25CA0]/(1+1/10.25CA0)}=－Ln〔1－*A〕解之得t=0.6332/1.6=0.3958h

4．甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750℃等溫下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：

原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為1:4，假設(shè)是這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為1

級(jí)。已知

。

試求：

〔1〕反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa，當(dāng)反應(yīng)器出口的CH4轉(zhuǎn)化率為80％時(shí)，CO2,H2的生成速率是多少？〔2〕反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如〔1〕，

的生成速率又是多少？

解：〔1〕由題意可將反應(yīng)速率表示為A+2B→B+4D????rC=kCACB對(duì)于恒容過(guò)程，那么有CA=CA0(1－*A)CB-=CB0－2CA0*ACA0=PA0/RT=2.38210-3mol/lCB0=4CA0=9.52810-3mol/l當(dāng)*A=0.8時(shí)

CA=CA0(1－*A)=4.76410-4mol/l

CB-=CB0－2CA0*A=5.71710-3mol/lRC=rC=kCACB=5.44710-6mol/〔l?S〕RD=4rC=2.17910-5mol/〔l?S〕

〔2〕對(duì)于恒壓過(guò)程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程，由〔2.49〕式可求出總摩爾的改變數(shù)δA=∑t/A=〔1+4－1－2〕/1=2反應(yīng)物A的原始分率：yA0=1/(1+4)=0.2

由〔2.52〕式可得轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的濃度：CA=CA0(1－*A)/(1+δAyA0*A)=3.60910-4mol/l

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CB-=〔CB0－2CA0*A〕/(1+δAyA0*A)=4.33110-3mol/lrC=kCACB=3.12610-6mol/(l?s)RC=rC=3.12610-6mol/(l?s)

5．在Pt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：

以A、B及R分別代表異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：

假設(shè)表面反應(yīng)為速率掌握步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。

解：依據(jù)速率掌握步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)外，其他兩步過(guò)到平衡，描述如下：A+σAσKA=PAθν/θAθA=KAPAθν

AσBσ+RrA=K1θA－K2PRθB

BσB+σKB=PBθν/θBθB=KBPBθν以表面反應(yīng)速率方程來(lái)表示整個(gè)反應(yīng)的速率方程：rA=K1θA－K2PRθB

由于θA+θB+θν=1

將θA，θB代人上式得

KAPAθν+KBPBθν+θν=1整理得：

θν=1/〔1+KAPA+KBPB〕將θA，θB，θν代人速率方程中

rA=[k〔PA－PBPR〕/KP]/〔1+KAPA+KBPB〕其中k=K1KA，KP=K1KA/K2KB

6．設(shè)有反應(yīng)A→B＋D，其反應(yīng)步驟表示如下：

假設(shè)〔1〕是速率掌握步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：先寫(xiě)出各步的速率式：〔1〕r1=KaAPAθν－KdAθA〔2〕r2=KsθA

〔3〕r3=KdBθB－KaBPBθν

由于〔1〕是速率掌握步驟，第〔2〕是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率應(yīng)等于〔1〕的吸附速率，故有；

KaAPAθν－KdAθA=KsθA整理得：

θA=KaAPAθν/〔Ks+KdA〕步驟〔3〕可按平衡處理：θB=KBPBθν

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由于θA+θB+θν=1，將θA，θB代人上式，得：θν=1/[1+KaAPA/〔Ks+KdA〕+KBPB]

最末將θA，θν代人，即得該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式

r1=KsKaAPA/[Ks+KdA+KaAPA+〔Ks+KdA〕KBPB]

第三章

3.1擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：

以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20

，運(yùn)用15％〔質(zhì)量分率〕的

水溶液及30％

〔質(zhì)量分率〕的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇與碳酸氫鈉的摩爾比為1:1，混合液的密度為1.02常數(shù)等于5.2

。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為1級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95％。

〔1〕假設(shè)幫助時(shí)間為0.5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積；〔2〕假設(shè)裝填系數(shù)取0.75，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解：〔1〕氯乙醇，碳酸氫鈉和乙二醇的分子量分別為80.5，84，62每小時(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小時(shí)需氯乙醇：0.322680.5/0.9530%=91.11kg/h每小時(shí)需碳酸氫鈉：0.322684/0.9515%=190.2kg/h原料體積流量：Q0=〔91.11+190.2〕/1.02=275.8l/h氯乙醇初始濃度：CA0=0.32261000/0.95275.8=1.231mol/l反應(yīng)時(shí)間：

t=CA0=2.968h反應(yīng)體積：

Vt=Q0〔t+t'〕=956.5L〔2〕反應(yīng)器的實(shí)際體積：

V=Vt/j=1275L

3.2在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：

其反應(yīng)速率方程為：式中組分A及B的于－4000

為單位，溫度的單位為K，該反應(yīng)的熱效應(yīng)等

，反應(yīng)

。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)溶液中不含R，組分A和B的濃度均等于0.04

混合物的平均熱容可按4.102計(jì)算。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度為50℃。

〔1〕試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85％時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間及此時(shí)的反應(yīng)溫度；

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〔2〕假如要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物R，是否可能？為什么？解：〔1〕T=T0+CA0(－ΔHr)〔*A－*A0〕/

=323+0.04[－(－4000)]*A=323+39.01*A

t=CA0=CA0=91.32h〔由數(shù)值積分得出〕

T=323+39.010.85=356.2k

〔2〕假設(shè)A全部轉(zhuǎn)化為R，即*A=1.0，那么由上面的積分式知,t→∞,這顯著是不可能的。

3.3在一個(gè)體積為300L的反應(yīng)器中，86℃等溫下將濃度為3.2的過(guò)氧化氫異丙苯溶液分解：

生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為1級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1，最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9％，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。

〔1〕假如這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)幫助操作時(shí)間為15min；〔2〕假如是全混反應(yīng)器；

〔3〕試比較上述兩問(wèn)的計(jì)算結(jié)果；

〔4〕假設(shè)過(guò)氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？

解：(1)t=CA0=CA0=[Ln1/〔1－*A〕]/k=56.37s=0.94minVr=Q0(t+t0)=300L

Q0=300/15.94=18.82l/min苯酚濃度C苯酚=CA0*A=3.20.989=3.165mol/l苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚=18.823.165=59.56mol/min=335.9kg/h〔2〕全混流反應(yīng)器

Vr=Q0CA0*Aj/kCA0〔1－*Aj〕=Q0*Aj/k〔1－*Aj〕Q0=Vrk〔1－*Aj〕/*Aj=0.2669l/s=16.02l/min苯酚產(chǎn)量Q0C苯酚=16.023.1648=50.69mol/min=285.9kg/h

〔3〕說(shuō)明全混斧的產(chǎn)量小于間歇斧的產(chǎn)量，這是由于全混斧中反應(yīng)物濃度低，反應(yīng)速率慢的緣由。

〔4〕由于該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，由上計(jì)算可知，無(wú)論式間歇斧或全混流反應(yīng)器，其原料處理量不變，但由于CA0濃度增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩個(gè)反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。

3.4在反應(yīng)體積為490cm3的CSTR中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)：

以A代表NH3,B代表HCHO，其反應(yīng)速率方程為：

式中

。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為4.06mol/L和

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6.32mol/L，各自以1.50的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取36℃，假設(shè)該系統(tǒng)密

度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率*A及反應(yīng)器出口物料中氨和甲醇的濃度CA,CB。解：CA0=4.06/2=2.03mol/l；CB0=6.32/2=3.16mol/l;Q0=21.5=3.0cm3/sCA=CA0〔1－*A〕;CB=CB0－6CA0*A/4=3.16－1.52.03*Ak=1.42103e*p(－3090/309)=0.06447

Vr=Q0CA0*Af/kCACB2=Q0CA0*Af/[kCA0〔1－*A〕〔CB0－6CA0*A/4〕2]得

490=3*Af/[0.06447〔1－*Af〕〔3.16－1.52.03*Af〕2]

整理得：

*Af3－3.075*Af2+3.162*Af－1.077=0得：*Af=0.821

反應(yīng)器出口A,B的濃度為：

CA=CA0〔1－*Af〕=0.3634mol/lCB=CB0－6CA0*Af/4=0.6601mol/l

3.5等溫下進(jìn)行1.5級(jí)液相不可逆反應(yīng)：A→B+C，反應(yīng)速率常數(shù)等于

，

A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為1.5m3/h。試分別計(jì)算以下?tīng)顩r下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95％時(shí)所需的反應(yīng)體積：〔1〕一個(gè)連續(xù)釜式反應(yīng)器；

〔2〕兩個(gè)等體積的連續(xù)釜串連釜式反應(yīng)器；

〔3〕保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個(gè)連續(xù)釜式反應(yīng)器并聯(lián)。解：〔1〕全混流反應(yīng)器

〔2〕兩個(gè)等體積全混反應(yīng)器串聯(lián)

于

所以由上二式得：

代入上式，化簡(jiǎn)后得到

，所以：

串聯(lián)系統(tǒng)總體積為

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〔3〕此時(shí)的狀況同〔1〕，即

3.6在CSTR中于55℃等溫下進(jìn)行下述反應(yīng)：

這三個(gè)反應(yīng)對(duì)各自的反應(yīng)物均為1級(jí)，55℃時(shí)假如

,。進(jìn)入反應(yīng)器中的液體料中苯的濃度為

，反應(yīng)過(guò)程中液相內(nèi)氯與苯的濃度比＝1.4

。保持

,試計(jì)算反應(yīng)器出口的液相中B,M,D,T和C的濃度。解：

分別列出組分B，M，D，T，C的物料衡算式：

〔5〕式：

聯(lián)立〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔6〕式〔5個(gè)方程，5個(gè)未知數(shù)〕：由〔2〕式得：

?〔6〕

由〔3〕式得：

?〔7〕

?〔8〕

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

將〔1〕，〔7〕，〔8〕式代入〔6〕式得：

整理得:

解得：

代入〔1〕得：

代入〔7〕得：

代入〔8〕得：

代入〔4〕得：

3.7依據(jù)習(xí)題3.3所規(guī)定的反應(yīng)及給定的數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問(wèn)：〔1〕在操作條件均不變時(shí)，丙酸的產(chǎn)量是增加還是減削？為什么？

〔2〕假設(shè)丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率及丙酸產(chǎn)量不變，所需空時(shí)為多少？能否徑直應(yīng)用習(xí)題3.3中

的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時(shí)？

〔3〕假設(shè)把單釜操作轉(zhuǎn)變?nèi)B，每釜平均停留時(shí)間為〔2〕中單釜操作時(shí)平均停留時(shí)間的三分之一，試猜測(cè)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。解：〔1〕在操作條件都不變時(shí)，用習(xí)題3.3中已算出的

可求出空時(shí)為

，此即間歇操作時(shí)的〔t=t0〕。當(dāng)改為連續(xù)操

作時(shí)，轉(zhuǎn)化率下降了。所以反應(yīng)器出口丙酸的濃度也低于間歇反應(yīng)器的結(jié)果。因Q0維持不變。，最末必定導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降了。這是由于在連續(xù)釜中反應(yīng)速率變低的緣故。

〔2〕假設(shè)維持出這時(shí)對(duì)應(yīng)的空時(shí)體積增大至14240L才行?！?〕這時(shí)

。利用3.3題中的數(shù)據(jù)，可求出RA~*A的關(guān)系，列表如下:

,那么可由3.3題中的數(shù)據(jù)求得

時(shí)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率，進(jìn)而得

。因提議要求丙酸產(chǎn)量不變，故Q0不能變，需要將反應(yīng)

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

即可用作圖法求此串聯(lián)三釜最終轉(zhuǎn)化率。第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為：

3.8在反應(yīng)體積為1m3的釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應(yīng)生成1,2－丙二醇：

該反應(yīng)對(duì)環(huán)氧丙烷為1級(jí)，反應(yīng)溫度下反

應(yīng)速率常數(shù)等于0.98h-1，原料液中環(huán)氧丙烷的濃度為2.1kmol/m3，環(huán)氧丙烷的最終轉(zhuǎn)化率

為90％。

〔1〕假設(shè)采納間歇操作，幫助時(shí)間為0.65h，那么1,2－丙二醇的日產(chǎn)量是多少？

〔2〕有人建議改在定態(tài)下連續(xù)操作，其余條件不變，那么1,2－丙二醇的日產(chǎn)是多少？〔3〕為什么這兩種操作方式的產(chǎn)量不同？解：

=1m3，rA=KCA，k=0.98h-1,CA0=2.1kmol/L，*A=0.9

〔1〕不可逆反應(yīng)：

以

丙二醇的濃度=丙二醇的的產(chǎn)量

〔2〕采納定態(tài)下連續(xù)操作，

以

=4.939

丙二醇產(chǎn)量=0.1091.89=0.2058第四章

因連續(xù)釜在低的反應(yīng)物濃度下操作，反應(yīng)速率慢，故產(chǎn)量低。

4.1依據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流管式反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇。試計(jì)算所需的反應(yīng)體積。并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

解：題給條件說(shuō)明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過(guò)程。在習(xí)題3.2中已算出：

所以，所需反應(yīng)體積：

由計(jì)算結(jié)果可知，活塞流反應(yīng)器的反應(yīng)體積小于間歇釜式反應(yīng)的反應(yīng)體積，這是由于間歇式反應(yīng)器有幫助時(shí)間造成的，如不計(jì)幫助時(shí)間，對(duì)于恒容過(guò)程所需反應(yīng)體積是相同的。

4.2在內(nèi)徑為76.2的活塞流反應(yīng)器中將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：

〕C2H6，

反應(yīng)壓力及溫度分別為2.026105Pa及815℃。進(jìn)料含50％

〔其余為水蒸氣。進(jìn)氣量等于0.178kg/s，反應(yīng)速率方程如下：

式中pA為乙烷分壓。在815℃時(shí)，速率常數(shù)K=1.0s-1，平衡常數(shù)

Kp=7.49104pa，假定其他副反應(yīng)可忽去，試求：〔1〕此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率；

〔2〕乙烷的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的50％時(shí)，所需的反應(yīng)管長(zhǎng)。

解：〔1〕設(shè)下標(biāo)A—乙烷，B—乙烯，H—?dú)?。此條件下的平衡轉(zhuǎn)化率可按平衡式求?。?/p>

假設(shè)以1摩爾C2H6為基準(zhǔn)，反應(yīng)前后各組分的睦如下：C2H6C2H4?+?H2,H2O,反應(yīng)前100?1?2

平衡時(shí)1-*0*0*012+*0因此，平衡時(shí)扣組分分壓為：

將其代入一元二次方程得：

(2)求所需的反應(yīng)管長(zhǎng)：首先把反應(yīng)速率方程變?yōu)?/p>

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

以保證速率方程的單位與物料衡算式相全都，已知：

代入物料衡算式有：

該反應(yīng)管長(zhǎng)：

4.3在管式反應(yīng)器中400℃等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化能等于39.77

。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變

的前提下〔采納等溫操作〕，增產(chǎn)35％，請(qǐng)你擬定一詳細(xì)措施〔定量說(shuō)明〕。設(shè)氣體在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。

解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：

可知，Q0與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)變反應(yīng)溫度又只與k有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)，詳細(xì)值為：

解此式可得：T2=702.7K，即把反應(yīng)溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35%

4.4在管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相基元反應(yīng)，

，加入物料A為氣相，

B為液體，產(chǎn)物C為氣體。B在管下部，且忽視B所占的體積〔如下圖〕，B氣化至氣相，氣相為B飽和，反應(yīng)在氣相中進(jìn)行。

已知操作壓力為1.013105Pa，B的飽和蒸氣壓為2.532104Pa，反應(yīng)溫度340℃，反應(yīng)速率常數(shù)為102

，計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)50％時(shí)，A的

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

轉(zhuǎn)化速率。如A的流量為0.1，反應(yīng)體積是多少？

解：此反應(yīng)為氣相反應(yīng)，從化學(xué)計(jì)量方程來(lái)看，是變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程，但氣相中PB為常數(shù)，故可看成恒容過(guò)程。假定為抱負(fù)氣體，其中：

當(dāng)

=50%時(shí)，A的轉(zhuǎn)化速率為：

當(dāng)

所以

此時(shí)所需反應(yīng)體積為：

4.5液相平行反應(yīng)：

式中a為化學(xué)計(jì)量系數(shù)，目的主物為P。1.寫(xiě)出瞬時(shí)選擇性計(jì)算式。

2.假設(shè)a=1，試求以下?tīng)顩r下的總選擇性：3.活塞流反應(yīng)器，

4.連續(xù)釜式反應(yīng)器，濃度條件同〔a〕

5.活塞流反應(yīng)器，反應(yīng)物A和B的加入方式如下列圖所示。反應(yīng)物A從反應(yīng)器的一端連續(xù)地加入，而B(niǎo)那么從不同的位置處分別連續(xù)加入，使得器內(nèi)到處B

的濃度均等于

。

，反應(yīng)器進(jìn)出口處A的濃度分別為19

和

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

解：〔1〕設(shè)A為關(guān)鍵組分，目的產(chǎn)物P的瞬時(shí)選擇性為：

〔１〕假設(shè)a=1，求以下?tīng)顩r下的總選擇性：〔a

〕活塞流反應(yīng)器：由于

有

〔b〕連續(xù)釜式反應(yīng)器

，因此，

，那么

，且化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，所以

(c)PFR,且B側(cè)線分段進(jìn)料，器內(nèi)B的濃度等于1kmol/m3。那么

，

4.6〔1〕寫(xiě)出絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度與轉(zhuǎn)化率的微分方程；

〔2〕在什么狀況下該方程可化為線性代數(shù)方程，并寫(xiě)出方程。回答下列問(wèn)題〔1〕，〔2〕時(shí)需要說(shuō)明所用的符號(hào)意義；〔3

〕計(jì)算甲苯氫解反應(yīng)873K，氫與甲苯的摩爾比為5，反應(yīng)熱

的絕熱溫升。原料氣溫度。比熱容數(shù)據(jù)如下：

在〔3〕的條件下，如甲苯最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到70％，試計(jì)算絕熱反應(yīng)器的出口溫度。解：〔1〕絕熱管式反應(yīng)器反應(yīng)物料溫度T與轉(zhuǎn)化率*A的微分方程：

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

式中

〔A〕

為反應(yīng)物料在基準(zhǔn)溫度下與反應(yīng)

為基準(zhǔn)溫度下的熱效應(yīng)；

溫度T之間的熱容；為組分A的出示質(zhì)量分率；MA為組分A的分子量。

隨物料組成及溫度的改變，即用平均溫度及平均

〔2

〕假如不考慮熱容組成下的熱容

代替，那么積分〔A〕式得

〔B〕

為初始轉(zhuǎn)化率；

式中：T0為反應(yīng)入口；

當(dāng)

，

為

組成

下平均值，

，那么

常數(shù)

〔3〕求絕熱溫升。已知始摩爾分率

，A表示關(guān)鍵組分甲苯，其初

=1/6，為計(jì)算方便將〔B〕式改寫(xiě)成：

此時(shí)，

〔C〕

是以摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的，選入口T0

為基準(zhǔn)溫度，須求出反應(yīng)熱

，以轉(zhuǎn)化1mol甲苯為計(jì)算基準(zhǔn)，那么有：

基準(zhǔn)溫度T0到出口溫度反應(yīng)物料的平均熱容為：

〔D〕

式中各組分熱容為各組分從基準(zhǔn)溫度至出口溫度的平均熱容。其絕熱溫升：

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

〔E〕

55.65K?

由于反應(yīng)出口未知，所以需將(C),(D)及(E)式聯(lián)立試差求解得：(當(dāng)

時(shí))

時(shí)，絕熱反應(yīng)器的出口溫度：

在〔3〕的條件下，當(dāng)

4.7現(xiàn)有反應(yīng)體積為1m3的活塞流反應(yīng)器兩個(gè)，擬用來(lái)分解濃度為3.2kmol/m3的過(guò)氧化氫異丙苯溶液以生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為1級(jí)不可逆反應(yīng)，并在86℃等溫下進(jìn)行。此時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1。過(guò)氧化氫異丙苯溶液處理量為2.4m3/min，試計(jì)算以下各種狀況下過(guò)氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率?！?〕兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作；

〔2〕兩個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)操作，且保持兩個(gè)反應(yīng)器的原料處理量相同，即均等于1.2m3/min；

〔3〕兩個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)操作，但兩者原料處理量之比為1:2，即一個(gè)為0.8m3/min個(gè)為1.6m3/min

〔4〕用一個(gè)反應(yīng)體積為2m3的活塞流反應(yīng)器代替；

〔5〕假設(shè)將過(guò)氧化氫異丙苯的濃度提高到4kmol/m3保持不變，那么，上列各種狀況的計(jì)算結(jié)果是否轉(zhuǎn)變？相應(yīng)的苯酚產(chǎn)量是否轉(zhuǎn)變？

〔6〕比較上列各項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果并爭(zhēng)論之，從中你得到那些結(jié)論？解：〔1〕兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作如圖示：

總反應(yīng)體積為：

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入即得

(2)結(jié)果同〔1〕。(3)

第一個(gè)反應(yīng)器，

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

第二個(gè)反應(yīng)器，

兩個(gè)反應(yīng)器出口混合后：

，

(4)用一個(gè)反應(yīng)體積為2m3代替時(shí)，其結(jié)果同〔1〕。(5)

當(dāng)

提高到

4

時(shí)，由

可知，轉(zhuǎn)化率與

無(wú)關(guān)，所以，

上列各種狀況計(jì)算結(jié)果不變。而對(duì)苯酚產(chǎn)量：〔以摩爾流量表示〕

說(shuō)明苯酚產(chǎn)量與

成正比，即產(chǎn)量增加。

〔6〕上列各種狀況計(jì)算結(jié)果比較看出：〔a〕幾個(gè)PFR串聯(lián)與用一個(gè)大的PFR，只要保持二者的總體積相同，其效果是一樣的?！瞓

〕在并聯(lián)時(shí)，只要保持

，其結(jié)果也是相同的。但

下降的。〔c

〕對(duì)一級(jí)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化率與

正比關(guān)系

4.8在常壓和高溫下在管式反應(yīng)器中進(jìn)行純度為90％的甲烷高溫?zé)崃呀夥磻?yīng)：

〔A〕〔B〕〔D〕其速率方程為：

時(shí)，其總轉(zhuǎn)化率是

無(wú)關(guān)，但目的產(chǎn)物的參量與

成

其速率常數(shù)為：

試問(wèn)：〔1〕假設(shè)以C2H4為目的產(chǎn)物，忽視第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率為多少？〔2〕假設(shè)考慮第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率是否轉(zhuǎn)變？〔3〕用圖表示各組分濃度隨空時(shí)的改變關(guān)系；

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

〔4〕假設(shè)改用甲烷的進(jìn)料濃度，產(chǎn)物分布曲線是否轉(zhuǎn)變？

〔5〕假設(shè)轉(zhuǎn)變反應(yīng)溫度，產(chǎn)物分布曲線是否轉(zhuǎn)變？假設(shè)提高反應(yīng)溫度，C2H4的收率是增加還是減削？乙炔的收率是增加還是減削？

解：由化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系式可知，本反應(yīng)是一個(gè)繁復(fù)的變?nèi)葸^(guò)程，計(jì)算是比較

繁復(fù)的。但是，事實(shí)上該高溫裂解反應(yīng)，為得到中間目的產(chǎn)物，通常分之幾，所以，為方便計(jì)算及爭(zhēng)論，此題可以近似看成恒容過(guò)程0。(1)假設(shè)忽視第三步，C2H4的最大收率：

只有百

(2)假設(shè)考慮第三步反應(yīng)，C2H4的最大收率不變，與〔1〕相同(3)用圖表示各組分隨空時(shí)的改變關(guān)系，由動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出：

因題中未給出原料的其他組分，現(xiàn)假定原料中不含產(chǎn)物，那么最終產(chǎn)物C或H2的濃度依據(jù)物料衡算式導(dǎo)出，如C〔這里假定碳的擬濃度，用YC表示〕，

或：

因此，各組分

的關(guān)系可據(jù)上述式作出，其示意圖如下(略)

〔4〕假設(shè)轉(zhuǎn)變甲烷的進(jìn)料濃度，產(chǎn)物相對(duì)濃度分布曲線趨勢(shì)不變，但產(chǎn)物濃度的絕對(duì)量式變的。

〔5〕假設(shè)轉(zhuǎn)變反應(yīng)溫度，產(chǎn)物分布曲線轉(zhuǎn)變。假設(shè)提高反應(yīng)溫度，有利于活化能大的反應(yīng)，所以C2H4收率增加，而乙炔收率減削

第五章

5.1用階躍法測(cè)定某一閉式流淌反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，得到離開(kāi)反應(yīng)器的

示蹤物濃度與時(shí)間的關(guān)系如圖5.D所示：

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

試求：

〔1〕該反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)〔2〕數(shù)學(xué)期望

及方差

；

及分布密度

；

〔3〕假設(shè)用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬反應(yīng)器，那么模型參數(shù)是多少？〔4〕假設(shè)用軸向擴(kuò)散模型來(lái)模擬該反應(yīng)器，那么模型參數(shù)是多少？〔5〕假設(shè)在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行1級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)無(wú)副反應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解：〔1〕由圖可知

，所以

，且

如下列圖所示：

由〔5.20〕式可得平均停留時(shí)間：

為圖中陰影面積，由〔5.5〕式得

所以

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

如右圖所示：

〔2〕由于是閉式系統(tǒng)，故由〔5.23〕式得方差：

〔3〕由〔5.50〕式得模型參數(shù)N為：

〔４〕由于反混很小，故可用

，所以：

，所以

〔５〕用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬，前已求得N=75,應(yīng)用〔3.50〕式即可計(jì)算轉(zhuǎn)化率：

同理，亦可用擴(kuò)散模型即〔5.69

〕式得合。

5.2為了測(cè)定一閉式流淌反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，采納脈沖示蹤法，反應(yīng)器出

〔1〕反應(yīng)物料在該反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間和方差

；

0.9146，兩種方法計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻

〔2〕停留時(shí)間時(shí)間小于4.0min的物料所占的分率。

解：依據(jù)題給數(shù)據(jù)用〔5.13〕式即可求出E(t)，其中m可由〔5.14〕式求得，此題可用積分法〔亦可用辛普森數(shù)值積分求得〕。

反應(yīng)工程課后習(xí)題答案

然后根據(jù)(5.10)和〔5.11〕式算出平均停留時(shí)間和方差。此處用差分法，即：

為了計(jì)算和(A)

(B)

，