《化学反应工程》(第五版)第三章课后习题答案(经典).ppt

习题3-1解答,习题3-1解答,解：根据BSTR基本方程,分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长； 若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。,习题3-2解答,(反应时间与反应体积无关）,习题3-3解答,（1）PFR,（2）CSTR,解：,（1）,（2）,操作条件不变，等体积反应器，则,习题3-4解答,平推流,全混流,习题3-5解答,习题3-6解答,解：,（1）串联两个体积0.25m3的CSTR,试求下列方案的转化率。,（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFR,（3）一个0.25m3的PFR ，后接一个0.25m3的CSTR,（4）两个0.25m3的PFR 串联,习题3-7讲解,3-7,已知：,下列各种情况下的反应体积。,解：,（1）单个PFR,（2）单个CSTR,（3）两个CSTR串联,习题3-8讲解,3-8,已知：,如何调节加料速率，,解：,当反应达到平衡转化率时,加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化 率达到0.5。,习题3-9讲解,3-9,已知：,进料浓度为CA0。试证明在PFR中， L最大收率为,证明：,对于PFR：,证毕。,习题3-10解答,已知：,B大量过量，,【分析与解答】,结果为：,解：（1）由于是间歇反应器，所以,液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。,B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。,习题3-11解答,解：,对于CSTR：,对于PFR：,由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：,证毕。,习题3-12解答,在平推流反应器中进行基元反应,L为目的产物，已知 ，求L的最大收率及最优 接触时间。,解：,根据,同11题一样，求L的最大浓度。,数学知识：一阶非齐次线性微分方程：,的通解为,则该反应的最佳时间为：,CL存在极大值的必要条件是：,CL的最大浓度为：,习题3-13解答,CSTR,求定状的反应温度和转化率。,解：,根据QR和QC方程确定定态点,935.45,分别作TQR、QC1 QC2、QC3曲线，有 5个交点，其中是稳 态操作点2个，分别 为Q1=187.09,和 Q2=935.45;对应温 度分别为: T1=310K T2=345K,187.09,3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？,1,2,4,5,6,10,11,7,3,9,8,15,13,12,14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,130,有序,无序,130,物料粒子从出口流出状况, 先流入的物料粒子 不一定先流出, 同时流入的物料粒 子不一定同时流出, 物料粒子在反应器 内的停留时间各不 相同,反应器内的混合不同停留时间的物料粒子间 的混合，称之为返混。,停留时间,物料粒子从反应进口算起，到出口为 止所耗费的时间；,物料粒子的标签，以区别物料在反应 器内反应时间的不同；,描述物料粒子在反应器内返混程度强 弱的一个参量。,思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子 越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？,第一节 理想流动模型概述,物料粒子：, 反应物料的最小构成单元；, 认识反应物料的一种概念模型；, 既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒；, 等同于流体质点假说；, 其大小与原子、分子相比，是一个很大 的集合体，但与宏观颗粒相比，是一个 微不足道的微小单元。,第一节 理想流动模型概述,流动模型,1、理想置换活塞流模型,2、理想混合全混流模型,同一截面上组成、温度、 流速、密度等均匀一致。,不存在任何“返混”现象,反应器内均匀一致，浓度、 温度等参数与出口浓度相等。,达到最大程度的“返混”,第一节 理想流动模型概述,理想流动反应器：,物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器 称为理想流动反应器。,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,无返混，物料粒子同进同出。,无返混，物料粒子同进同出。,返混程度极大，不同停留时 间的物料粒子混合均匀。,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,连续流动反应器,第一节 理想流动模型概述,没有混合,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,（平推流反应器）,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,第一节 理想流动模型概述,思考题：试比较混合与返混的区别。,混合,返混,*不同外观特征的个体 混和在一起的过程,*不同停留时间的个体 混和在一起的过程,*仅仅是空间位置的搅 混过程,*不仅是空间位置的搅 混过程，而且是时间 顺序的搅混,（BSTR）,有混合,无返混,第一节 理想流动模型概述,偏离平推流的情况,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,第一节 理想流动模型概述,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,第一节 理想流动模型概述,流动状况对化学反应的影响 - 由物料粒子的停留时间不同所造成,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少 A+BPS 产物P减少, 停留时间的不均,第一节 理想流动模型概述,反应器设计的基本内容,选择合适的反应器型式,反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性,确定最佳的工艺条件,最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配 比、流量、反应温度、压力和最终转化率,计算所需反应器体积,规定任务+反应器结构和尺寸的优化,反应器设计的基本方程,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,流入,流出,反应器,积累,反应器设计的基本方程,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,带入,带出,传给环境,反应器,累积,反应器设计的基本方程,动量衡算方程,气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。,例题讲解,请考虑化学反应,该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20，液料的体积流量为0.5m3/h, CA0=96.5mol/m3, CB0=184mol/m3,催化剂的浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速度方程为： rA=kCACD 式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的转化率为40%，试求反应器的体积。,解：设A的转化率为x，则有：,对于全混流反应器，应有：,3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较,比较基准,相同的反应，（一级不可逆反应） 相同进料流量和浓度 相同温度和最终反应率 相同体积,比较参量,（比什么）,不同组合方式下的出口浓度,全混流,平推流,m,i,1,对于 i 级,(a) CSTRCSTR并联,物料处理量V0均分到每个CSTR，则,结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR 并联组合生产，残余浓度低，转化率提高。,分母增大残余浓度低,停留时间延长,(b) CSTRCSTR串联,结论：完成相同生产任务， 若改用两台同体积CSTR串联 组合生产，残余浓度比(a)更 低，转化率比(a)更高。,(c) PFRCSTR串联,结论：完成相同生产任务，若用 PFR-CSTR串联组合 生产，残余浓度比(b)更低，转化率比(b)更高。,(d) CSTR PFR串联,结论：完成相同生产任务，若用 CSTR - PFR串联组合 生产，残余浓度和转化率同 等效。,(e) PFR PFR并联,结论：完成相同生产任务，若用两台同体积PFR 并联组合生产，出口浓度低，转化率较高。,(g) PFR CSTR并联,结论：完成相同生产 任务，若用 PFR CSTR并联组合生产， 残余浓度为两者混合物的平均浓度。,相同的反应， 相同进料流量和浓度 相同温度和最终反应率,理想流动反应器反应体积比较,比较基准,比较参量,（比什么）,CSTR反应体积,PFR反应体积,不同理想反应器的反应体积,相同的反应， 相同进料流量和浓度 相同温度和最终反应率,理想流动反应器反应体积比较,比较基准,比较参量,（比什么）,CSTR反应体积,PFR反应体积,不同理想反应器的反应体积,比较基准,相同的反应， 相同进料流量和浓度 相同温度和最终反应率,比较参