化工原理习题答案第七章.pdf

第第 7 7 章章 均相反应过程与理想反应器均相反应过程与理想反应器 习题解答习题解答 1. 拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： CH2ClCH2OH + NaHCO3CH2OHCH2OH + NaCl + CO2 以生产乙二醇，产量为 20kgh-1，使用 15%(质量分数)的 NaHCO3水溶液及 30%(质量分数) 的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的物质的量比为 11，混合液的 比重为 1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于 5.2Lmol-1h-1，要求转化率达到 95%。 (1) 若辅助时间为 0.5h，试计算反应器的有效体积； (2) 若装填系数取 0.75，试计算反应器的实际体积。 解： (1)氯乙醇、碳酸氢钠和乙二醇的分子量分别为 80.5、84 和 62kg/kmol，每小时产乙二醇的 物质的量为 20/62=0.3226kmol/h 每小时需氯乙醇：kg/h11.91 %3095. 0 5 .803266. 0 每小时需碳酸氢钠：kg/h2 .190 15%95. 0 843266. 0 原料体积流量：L/h8 .275 1.02 190.291.11 v0 q 氯乙醇初始浓度：mol/L23. 1 8 .27595. 0 10003266. 0 0A c 反应时间： h968. 2 95. 01 95. 0 231. 12 . 5 1 )1 ( d1d AfAf 0 2 A A A0 0 BA A xx x x kcckc x t 反应体积：L5 .956)5 . 0968. 2(8 .275)( vr ttqV （2）反应器的实际体积：L1275 75. 0 5 .956 r f V V 2. 在一个体积为300L的反应器中86等温下将浓度为3.2kmolm-3的过氧化氢异丙苯溶液 分解： OHHCCOCHCHCOH)C(CHHC 56332356 生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于 0.08s-1,最终转化率达 98.9%，试计算苯酚的产量。 (1) 如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为 15min； (2) 如果是全混流反应器； (3) 试比较上二问的计算结果； (4) 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？ 解： （1） min94. 037.56 989. 01 1 ln 8 . 0 1 1 1 ln 1 )1 ( dd A 0 A0A A 0A 0 A A A0 AfAf s xkxkc x c r x ct xx L300)1594. 0()( 0v 0v qttqVr min/L82.18 94.15 300 0v q 苯酚浓度L/mol165. 3989. 02 . 3 A0A xCC苯酚 苯酚产量kg/h9 .335min/mol56.59165. 382.18 0v 苯酚 Cq （2）全混流反应器 )1 ()1 ( Af Afv0 AfA0 AfA0v0 r xk xq xkc xcq V min/L02.16/2669. 0 989. 0 )989. 01 (08. 0300)1 ( Af Afr v0 sL x xkV q 苯酚产量h/kg9 .285min/mol69.50989. 02 . 302.16 v0 苯酚 cq （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全混流反应器，其原 料处理量不变，但由于 cA增加一倍，故 c苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量 均增加一倍。 3. 在反应体积为 490cm3的 CSTR 中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应： O6HN)(CH6HCHO4NH 24623 式中(A) NH3，(B)HCHO，反应速率方程为 -1-12 BAA sLmolckcr 式 中)/3090exp(1042. 1 3 Tk 。 氨 水和 甲醛 水溶 液的 浓度 分别为 1.06molL-1和 6.23molL-1，分别以 1.50cm3s-1的流量进入反应器，反应温度可取为 36，假设该系统密度 恒定，试求氨的转化率 xA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度 cA及 cB。 解： L/mol03. 2 2 06. 4 A0 c L/mol16. 3 2 32. 6 B0 c /scm0 . 35 . 12 3 v0 q )1 ( AA0A xcc AAA0B0B 03. 25 . 116. 3 4 6 xxccc 06447. 0) 309 3090 exp(1042. 1 3 k 2 AfA0B0AfA0 AfA0v0 2 BA AfA0v0 r ) 4 6 )(1 (xccxkc xcq ckc xcq V 即得： 2 AfAf Af )03. 25 . 116. 3)(1 (06447. 0 3 490 xx x 整理得：0077. 1162. 3075. 3 Af 2 Af 3 Af xxx 解得：xAf=0.821 反应器出口 A,B 得浓度分别为： L/mol3634. 0)821. 01 (03. 2)1 ( AA0A xcc L/mol6602. 0821. 003. 25 . 116. 3 4 6 AA0B0B xccc 4. 在一多釜串联系统， 2.2kgh-1的乙醇 和 1.8kgh-1的醋酸进行可逆反应。 各个反应器的体 积均为 0.01m3， 反应温度为 100， 酯化反应的速率常数为 4.7610-4Lmol-1min-1， 逆反应(酯 的水解)的速率常数为 1.6310-4 Lmol-1min-1。反应混合物的密度为 864kgm-3，欲使醋酸的 转化率达 60%，求此串联系统釜的数目。 解： 等体积的多釜串联系统 DiCi2BiAi1 Ai1 -Ai cckcck cc (A) A、B、C、D 分别代表乙酸、乙醇、乙酸乙酯和水。由计量关系得： )( AA0B0B cccc AA0DC cccc 从已知条件计算出： mol/L48. 6 600 . 4 8648 . 1 A0 c mol/L33.10 460 . 4 8642 . 2 B0 c min6 .129 0 . 4 6086401. 0 将上述数据代入（A）式，化简后得到： 887. 05113. 104056. 0 Ai 2 Ai1 -Ai ccc (B) 若 i=1,则（B）式变为： 48. 6887. 05113. 104056. 0 A1 2 A1A0 ccc 解之得：mol/L364. 4 A1 c，326. 0 A1 x 若 i=2,则（B）式变为：364. 4887. 05113. 104056. 0 A2 2 A2A1 ccc 解之得：mol/L20. 3 A2 c，506. 0 A2 x 若 i=3,则（B）式变为：20. 3887. 05113. 104056. 0 A3 2 A3A2 ccc 解之得：mol/L53. 2 A3 c，609. 0 A3 x 即：三釜串联能满足要求。 5. 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： 4662356 CHHCHCHHC 在反应条件下该反应的速率方程为 sLmol5 . 1 -15 . 0 HT ccr 式中 cT及 cH分别为甲苯及氢的浓度，molL-1，原料处理量为 2kmolh-1，其中甲苯与氢气的 物质的量之比等于 1。若反应器的直径为 50mm，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： H0T0 cc，则有：)1 ( TT0HT xccc 式中下标 T 和 H 分别代表甲苯与氢，其中： kmol/L1068. 5 107310314. 8 10013. 15 . 0 R 3 3 5 T0 T0 T p c kmol/s100.278kmol/h12/2 3 T0v0T0 cqF 所以，所需反应器体积为： 3 5 . 2 95. 0 0 5 . 1 T 5 . 13 T3 0 1.5 T T T0v0 0 0.5 TT A T0v0r m006. 3 15 . 1 1)95. 01 ( 4329. 0 )1 ()1068. 5(5 . 1 d 10278. 0 5 . 1 d 5 . 1 dTT x x c x cq cc x cqV xx 所以，反应器的长度为：m1 .1531 4/14. 305. 0 006. 3 2 6. 在间歇操作搅拌釜反应器中进行液相反应 SRBA 反应温度为 75，实验测得的反应速率方程式为 BAA ckcr，k=310-3m3kmol-1s-1,当反应 物 A 和 B 的初始浓度均为 5kmolm-3，A 的转化率达 80%时，该反应器每分钟能处理 0.684kmol(A)，今若将反应移到一个内径为 300mm 的管式反应器中进行，其他条件不变， 试计算管式反应器的长度。 解： 根据 min44. 47 .266 )8 . 01 (5103 8 . 0 )1 ( )1 ( dd 3 A0A A 0 2 A 2 0A A A0 0 A A A0 AA s xkc x xkc x c r x c xx 同一反应，当初始浓度、反应温度、转化率相同时，在间歇操作搅拌反应器与活塞流管式反 应器中进行反应的时间相同，即亦为 4.44min。 min/m137. 0 5 684. 0 3 v0 q 2 v0r m61. 044. 4137. 0qV 管长m63. 8 3 . 0785. 0 61. 0 2 r A V L 7. 催化环氧乙烷和水生成乙二醇，其反应如下： O + H2O CH2OH CH2OH 该反应以硫酸作催化剂，其反应动力学方程为 AA kcr (A 为关键组分环氧乙烷)， k=0.311min-1，环氧乙烷和硫酸分别以 0.04kmolL-1和 0.90%(质量分数)的水溶液等体积加入 全混流反应器中，若转化率达 80%，每天生产乙二醇 8500kg，试计算： (1) 全混流反应器有效容积。 (2) 若用两个有效容积均为 40L 的全混流反应器串联，其最终转化率为多少？ (3) 若用两个有效容积均为 40L 的全混流反应器并联，其最终转化率为多少？ (4) 若将反应改在活塞流反应器中进行，其余条件不变，则反应器的有效容积为多少？ 解： （1）CSTR min86.12 )8 . 01 (311. 0 8 . 0 )1 ()1 ( Af Af AfA0 AfA0 xk x xkc xc min/L95. 520/ 102 . 68 . 0 )6024/(8500 2 v0 q （式中乙二醇相对分子质量为6.2102kg/mol，环氧乙烷初始浓度cA0 = 40molL1，因两种物 料等体积加入，故初始反应混合物中环氧乙烷的物质的量浓度为原来的1/2，即20molL1） L5 .7686.1295. 5 CSTR V (2)min72. 6 95. 5 40 21 %5 .89895. 0) 72. 6311. 01 1 (1 2 A x （3）并联时两支路中的流量均为总流量的 1/2，则： min45.13 2/95. 5 40 21 %7 .80807. 0 45.13311. 01 45.13311. 0 1 A2A1 k k xx (4) min18. 5 8 . 01 1 ln 311. 0 1 1 1 ln 1 )1 ( dd A 0 AA0 A A0 0 A A A0 AA xkxkc x c r x c xx L82.3018. 595. 5 BR V 8. 顺丁烯二酸酐的稀水溶液，在 298K 温度下进行连续水解，由于酸酐浓度仅为 0.15kmolm-3，可作一级反应处理，k=0.0024s-1，物料初始体积流量为 110-5m3s-1，现有两 个 310-3m3，一个 610-3m3的全混流反应器(CSTR)和两个 310-3m3和一个 610-3m3的活塞 流反应器可供采用，试求： (1) 若用一个 610-3m3的 CSTR 或两个 310-3m3的 CSTR 串联操作，何者转化率较大？ (2) 若用一个 610-3m3的 PFR 操作，转化率为多少？ (3) 若用两个 310-3m3的 CSTR 并联操作，每个反应器取 1/2 的流量，转化率为多少？ (4) 若将一个 310-3m3的 PFR 放在一个 310-3m3的 CSTR 之前或之后，何者转化率较高？ (5) 若用两个 310-3m3的 PFR 串联或并联操作，何者转化率较高？ 解： （1）若使用单个 CSTR 操作： 对于一级反应：s106 101 106 / 2 5 3 v0r qV %9 .50590. 0 1060024. 01 1060024. 0 1 2 2 A k k x 若使用两个 CSTR 串联操作： s103 101 103 2 5 3 21 %2 .66662. 0) 3000024. 01 1 (1) 1 1 (1 22 A k x （2）s106 101 106 2 5 3 1 A 0 AA0 A A0 0 A A A0 1 1 ln 1 )1 ( dd AA xkxkc x c r x