2013-4-22反应工程习题课.pdf

1 5 22462 2HCHOC HC H O 0 0 10 1 6 0 84 10 AA A A nn x n 4620 0 7 65 0 1 0 635 10 1 6 2 C H O PP AAHCHO M nnp nnaM 0 534 A x 0 635 循环操作 total w mm n MM 原料分离回收循环操作 甲醛初始浓度10 质量比 出反应器1 6 丁炔二醇 初浓度0 出口浓度7 65 求 A x 第1章 绪论 2 4间歇反应器 CA0和xA相同 T1 20 时 反应时间t1 8d T2 120 时 反应时间t2 10min 试估算 Ea 11 0 1 1 1 1 nn A A ktcx n 11 ln 211 2 TTR E k ka 67 55 aEkJ mol 2 1 1 2 t t k k k n AA rC 反应转化量 反应时间 反应区 第2章 化学反应动力学 2 5 C2H4二聚反应 1 T 200 Ea 156 9 kJ mol C2H6二聚反应 2 T 200 Ea 104 6 kJ mol 为使反应 速率加倍 要提高多少温度 2 112 11 ln a Ek kR TT 2 2 11 1 1 ln a T Rk TEk 1 CTTT o 4 812 CTTT o 7 1212 2 若使反应速率提高一倍 活化能愈大 所需提高的温度愈小若使反应速率提高一倍 活化能愈大 所需提高的温度愈小 2 6反应温度上升反应温度上升10 反应速率加倍 反应速率加倍 Ea与与T之间的关系 之间的关系 当当T1 K 300 400 600 800和和1000K时 求时 求Ea 11 ln 211 2 TTR E k k 11 ln2 10 a E R TT 0 5763 10 a ET T T K 3004006008001000 Ea kJ mol 53 5994 51210 92373 43582 05 3 1 间歇反应器 间歇反应器 n 2 t1 5min时 转化率时 转化率xA 50 若要若要xA 75 需增加多长时间 需增加多长时间 0 1 A A A x c kt x 0112 1202 11 AAA AAA c ktxx xxc kt min152 t 3 1 2 1 t t 2110minttt 第3章 理想间歇反应器 3 2 n 1 等温 证明 等温 证明xA 99 9 时所需反应时间是时所需反应时间是xA 50 时所需反应时间的时所需反应时间的10倍倍 1 ln 1 A kt x 0 exp a E kk RT 等温时 k 一定 22 1 1 1 1 ln ln 1 199 9 10 11 lnln 1150 A A tx t x 3 3n 1 2 10 min后后xA 0 75 30 min后转化率后转化率xA 11 22 0 2 1 1 AA C ktx 22 1 1 2 1 2 301 1 10 1 1 0 75 A tx t xA2无解 假设xA 1时 时间为t3 33 1 1 11 22 11 22 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 75 A A tx t x 3 20mint 30 min后反应物A完全转化 完全转化 xA 100 11 0 1 1 1 1 A nn A Cktx n 3 4间歇反应器 间歇反应器 cA0 1mol L t 8min后 后 xA 0 8 t 18min后 后 xA 0 9 求该反应的动力学关系 求该反应的动力学关系 11 0 1 1 1 1 A nn A cktx n 22 11 1 1 1 1 1 1 A A n n tx tx 1 8 01 1 9 01 8 18 1 1 n n 0 1 A A A x c kt x 0 5 min kLmol n 2 在间歇反应器中进行二级反应 反应速率为 当分别为1 5 10 mol L时 求反应到 0 01 mol L时 所需反应时间 并对计算结果进行讨论 3 8AP 2 r 0 01c AA mol s 0A c A c 0 11 AA kt cc 对于二级反应 若1 CA 1 CA0 反应时间t与反应物初始浓度无关 1 9900ts 5 9980ts 10 9990ts 1 A kt c 生物化工中胰蛋白原转化成胰蛋白酶时 在间歇反应实验中测得不同温度下反应速率于某时刻 达到最大值 3 10 A A S dc kc c dt MAX t 00 000 00 C ATA TAP ATA CCC ktCCktIn CCC 3 000 0 65 0 05 0 35kmol m 222 TAP A opt CCC C 112 0 65 0 70 35 293 0 72 4 In 0 35 0 70 65 KkkKk 同理求 2 112 11 65 94 kE InEkJ mol kR TT 在间歇釜式反应器中进行液相反应 测得二级 反应速率常数 计算当 1和5时 转化率分别为0 5 0 9 0 99时所需的反 应时间 并对计算结果进行讨论 3 12ABP 2 0 61 5 10 0 307 A Lmol hcmol L 00 BA cc 22 00 00000 00 0 22 0 00 0 50 90 99 0 2 0 1 1 1 1 1 1 1 5 31 47 7524 4 1 1 A AAA BB AA BAABAAAAAAAA AA x A A AAAA xxx A A A cc rkc ckcxcc xkcxxkcxx cc xdx tc kcxkcx th thth dx tc kc 令 当时 当时 0 0 0 50 90 99 1 1 1 50 78 2 78 5 81 A AAA x A AAAA xxx x ln xxkcx th th th 当时 当C B0 C A0 越大 达到相同转化率所需的时间越短 当C B0 CA0不变时 随x A的增大 所需t 增大 且 x A越高 t 增加越快 在3 12题中 若时 用拟一级反应方程式处理 其计算结果与按二级反应处理相比较 当cB0 cA0 5时 二级反应可做拟一级反应处理 3 13 00 5 BA cc 1 1 B A kkc k tln x 0 5 0 9 0 99 0 73 2 44 4 88 A A A x x x th th th 可逆一级液相反应 已知 当 此反应在间歇反应器中进行时 经过8 min A的转化率是 33 而此时平衡转化率为66 7 此反应的动力学方程 3 20 AP 00 0 5 0 AP cmol L c 1 2 0 667 2 003 11 0 667 Ae Ae xk K kx AAe Ae AeA AeA xx x CC CC tkk lnln 0 21 例3 8 p27 化学反应工程原理 例题与习题 0 0 05770 0288 AAAA rccc 可逆反应 已知 已知210oC 时 求在该温度下所能达到的最大转化率为多 少 若要使 则需采取何种措施 3 21AP 130959 HJ mol 12 0 2 0 5kk 0 9 A x 1 2 0 2 0 286 10 5 Ae Ae Ae xk Kx kx 1 212 11 ln KH KRTT 若要使xA 0 9 可以降温或者移除产物 2 441TK 有一简单反应 原料A 产物P 实验测得下列数据 已知 试求平衡转化率和反应速率常数 3 22 00 1 89 0 AP cmol Lc 时间01803004201440 A转化量00 200 330 431 051 58 0 0 1 2 12 1 58 0 836 1 89 1 ln AAe Ae A Ae Ae Ae AeA cc x c xk K kx x kk t xx 代入数据 求平均值 41 1 41 2 6 37 10 1 25 10 ks ks 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 A和B的初浓度均为2kmol m 3 P为目的产物 试计算反应 为2h的A的转化率和产物P的收率 3 23 3 23 P2 20 5 pA RA ABrc kmolm h ARrc kmolm h 1 2 2 2 2 ApA ARA rrc rrc 2 2 A AA dc cc dt 0 0184 A c 0 0 2 0 5 2 AA AA cc tln cc 0 0 0 20 0184 0 9908 2 21 0 5 1 0 5 1 21 2 2 22 20 684 1 21 0 0184 2 PA A A cc PAA AAP c PA A PPP A x dcdcdc ccdc dtdcc c cInclnc c 又 有一平行反应 串联液相反应 在间歇反应器中 开始时溶液中含有A的浓度 及过量的B 得到如下数据 试问 的比值为多少 间歇反应器中P的最大浓度为多少 并求此时A 的转化率 3 26 1 11 2 22 AB Bp ABPrk c c BPRrk c c 3 0 0 1 A ckmol m 时间时间TcAcP t10 0550 038 t20 010 042 21 kk 1 12 111122 10 1 0 21 ABp k t AA k tk t pA rk ckk crk c ttcc e k ccee kk 其中同理 时 2 1 0 52 k k 2 21 1 21 1 1 1 0 52 1 2 3 0 1 2 1 0 492 0 52 0 0492 1 0 744 k kk MAX p MAXAMAX k kk A k k cckmol m k x k 丙烷热裂化为乙烯的反应 反应在 772oC等温条件下进行 其反应动力学方程式为 式中k 0 4h 1 若采用理想管式反应器 p 0 1MPa 进料流 量 当转化率 0 5时 求所需反应器的体积 4 4 38244 C HC HCH AA rkc 0 800 L h A x 3 0 00 3 2 1 1 1 11 51 1 1 1 1 773 A R AA AA R P PcRTcmol m RT V lnxx Fkc Vm 又PV nRT 根据 第4章 理想管式反应器 四氟乙烯是制造聚四氟乙烯所用的担体 可将一氯二氟甲烷进行热分解得到 若在0 10133 MPa 700 oC等温条件下 用直径为100 mm的管式反应器进行分 解纯的一氯二氟甲烷 其流量为0 4 kmol min 试计算分解率为0 8时所需的 管长 已知反应为一级 700 oC时的反应速率常数k 0 97s 1 4 5 224 22C H Cl FC FH Cl 3 0 0 3 00 2 122 0 5 2 12 525 0 4 min6 67 1 1 1 1 1058 140 8 2 A A R AAR AA R P PcRTcmol m RT Fkmolmol s V InxxVm Fkc V Lm d 又PV nRT 根据 在一活塞流反应器中进行下列反应 反应均为一级 已知 A的最大进料量为3 且不含P与S 试计算P的最大收率和总选择性以及达到最大收率时所需反应器 的体积 4 15 12 kk APS 11 12 0 30min 0 10minkk 3 mh 2 21 21 0 1 1 0 1 0 3 2 1 1 1 2 33 21 0 21 3 0 0 3 0 577 0 1 1 0 8075 0 7145 3 0 05 min5 49min 0 2745 k kk MAX kk A opt MAX A opt opt Ropt k k k x k x ln kk mhm kk Vm 又t t 4 23 常压法生产稀硝酸时 离开快速冷却器的气体组成是 NO为9 NO2为1 O2为8 其余均为N2等惰性气体 摩尔分率 此气体浸入氧化塔 在 0 10133MPa 20 的等温条件下进行氧化反应 反应终点要求NO2 NO 5 已知入塔气体流量为10000m3 h 氧化塔中反应体 积可用下式计算 式中 VR 反应器体积 m3 G 气体质量流量 kg s y 单位质量气体的NO2摩尔量 k 反应速率常数1 4 104 m3 kmol s 20 试求反应器体积是多少 22 22NOONO 2 1 2 2 y R y NO O dy VG kcc 考虑1kmol气体进入反应器 并设在反应器某一位置生成的NO2为x kmol 得 组分组分进口处进口处 kmol某一位置某一位置 kmol NO0 090 09 x NO20 010 01 x O20 080 08 0 5x N20 820 82 total1 001 00 0 5x 该位置处体积流量 3 1 000 5 0 082 nRTxT vm PP 3 0 0 09 1 000 5 0 082 NO A nxP ckmol m vxT 2 3 0 080 5 1 000 5 0 082 O xP ckmol m xT 在出口处要求NO2 NO 5 则 0 01 0 09 f f x x 1 0yyx 2 0 0733 f yyxx 0 0733 f x 2 1 2 333 0 0733 232 0 1 000 5 0 082 0 09 0 080 5 y R y NO O dyGxT VGdx kccMkPxx 10000 0 1156 3600 27320 0 082 M GMkg s 3 0 0733 2 0 1 000 5 11 47 0 09 0 080 5 R x Vdx xx 图解积分 或数值积分 3 110 R Vm 2 A Akcr 5 2 液相反应 反应速率 CSTR中 1 01 0 2 02 00 1 1 2 21 2 2 1 6 1 A AA A AA R RR Vx vkcx VVx vkcx xA 0 5 若CSTR体积扩大6倍 其他条件不变 此时xA 75 02 Ax 第5章 连续流动釜式反应器 00 22 00 1 AAAAA AAAA ccccxV vrkckcx 5 3 一级反应 150 等温PFR中xA 0 6 若用同样大小CSTR 处理量不 变 要使xA 0 7 问此时CSTR该在什么温度下操作 Ea 83 7 kJ mol 11 0 2 0 1 2 2 2 1 ln 1 1 R A RA A V PFR kk vx Vx CSTR kk vx 2 2 2 1 1 1 1 ln 1 A A A x k x k x 11 ln 211 2 TTR E k ka KT4402 反应器体积不变 处理量不变 则不变 5 5 一级反应 Ea 83 7 kJ mol 反应温度150 PFR中进行时 其体积为Vp 改用CSTR 其体积为VM 说明Vp VM表达式 若xA为0 6和0 9 为使VM与Vp相同 则CSTR应在什么温度下 进行 2 1121 2 12 22 111 ln 1 ln 11 1 A PAA A MA A x Vkxkx x Vkx kx 1 2 2 11 0 22 0 1 ln 1 1 A A A P M V PFR kk vx Vx CSTR kk vx Vp VM 2 12 1 11 ln akE kR TT 11 1 1 ln 1 ln 21 1 2 2 TTR E x x xa A A A T2 468K 5 8 某液相反应实验测得浓度 反应速率数据如下 0 0 AAf R A cc V vr cA mol L 0 10 20 40 60 81 01 21 41 6 rA mol L min 0 625122 51 51 250 80 70 65 CSTR cA0 2 mol L 当出口浓度cAf为0 6 mol L 0 8 mol L 1 mol L时 0 120 L min 求所需VR 并讨论计算结果 01 0 1 67 2 AAf R A cc VvL r 02 0 2 96 AAf R A cc VvL r 03 0 3 96 AAf R A cc VvL r 类似于自催化反应类似于自催化反应 5 9 一级反应 VR 300 L cA0 3 2 kmol m3 k 0 08 s 1 xA 98 9 求 反应物A的处理量 1 间歇操作 辅助时间15min 2 反应器为CSTR 将结果与 1 比较 3 A的浓度增加一倍 其他条件不变 结果如何 1 11 ln 1 A t kx 0 0 18 82 min R V vL tt 0 1 RA A Vx kx 0 1 16 02 min RA A V kx vL x 由于返混的影响 若要获得相同的由于返混的影响 若要获得相同的 转化率 转化率 CSTR的平均停留时间较大 的平均停留时间较大 生产能力较小 生产能力较小 由 1 2 可见 v0与反应物的初始浓度无关 所以A的 浓度增加一倍 结果不变 1 2 3 2 A Akcr 5 12体积为VR的反应器中进行液相等温反应 反应速率 1 1 0 2 1 Af Af A x CSTR c k x 1 CSTR xAf 0 5 改为同体积PFR 此时xAf 2 CSTR xAf 0 5 若反应器增大10倍 此时xAf 3 若反应为零级 求 1 2 的计算结果 4 若反应为一级 求 1 2 的计算结果 667 02 Afx 2 2 0 1 Af Af A x PFR c k x 1 k 不变 2 2 0 2 0 10 1 Af Af R A Vx CSTR c k x 8 02 Afx 2 1 0 Af A cx CSTR k 5 02 Afx 2 0 Af A c x PFR k 3 2 0 0 10 Af R A V CSTR kcx 52 Afx 4 n 0 由于1 Afx12 Afx n 1 20 632Afx 21 1 ln Afx kPFR 2 20 10 1 Af Af RVx CSTR k x 20 909Afx 1 1 1 Af Af x x kCSTR k 不变 k 不变 5 16 循环流动反应器 自催化反应 cA0 1 mol L k 1 L mol s 进料流率v 1 L s 循环比分别为3 0 求xA 0 98的反应器体积 1 2 0 00AA A AAAxxkccckcrA 1 1 1 ln 1 1 1 1 2 0 2 0 1 1 0 Af Af A Af Af AA A A Af Af A A xR xR kc R x x xxkc dx R x x r dx R F V R R R R A 1 06 4ln11 4 0 06 VL 当R 3时 APPP R 0 即平推流反应器情况 98 0 0 0 0 0 1 1 2 0 2 0 AA A AA A xx dx kc F x xxkc dx FV A A Af A A 由于进料中没有产物 该反应无法启动 所以V 当R 时 即连续流动釜式反应器的情况 L xxkc x FV AfAf A Af A50 02 098 0 98 0 1 1 2 0 0 例5 4 p118 化学反应工程原理 5 20 证明 两釜串联中进行一级反应 一定转化率下 两釜 体积相同 则其总体积为最小 00 11 211 22 10 1 0 0 2 0 1 1 1 1 AA AA AA AA Vcc kV ckc Vcc kV ckc 1 1 2 1 1 00 21 A A A A c c c c k VVV 转化率一定 则cA0 cA2为定值 c c c A A 2 0 设 1 1 1 2 0 1 0000 1 A A A A c c k c kc c k V 1 1 1 2 0 0 0 2 1000 2 A A A A A A c c k c c c c kc c k V 将上式对cA1求导 可得 01 10 0 122 AA AA cc VVVc kcc c c c A A 0 1 c c c A A 2 0 将代入上式 可得 0 2 1 0 1 0 A A A Ac c c c kdc dV 当且仅当 反应器体积最小 21VV 此时 1 0 A dV dc 第6章 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 31 2 0 1 21 1 2 min AAA cmol Lrkc kmol L 6 6固相反应 测得停留时间分布 如图6 4 已知 求xA AP 2 1 2 11 2 00 00 0 101 10 50 167 10 833 AAA A rkcctt cc f t dttdt cc c x c 02t min 0 5 min f t L 1 0 02mink 6 7CSTR 液固相反应 产物为固相 反应为一级 已知 固体颗粒平均停留时间为100 min 求 1 平均转化率 2 若转化率低于30 为不合格 试估计不合格产品所占百分率 3 若改用2个等体积CSTR串联 总体积不变 估算不合格产品百分率 0 1 0 333 1 c CSTR ck 1 17 83 100 11 ln 1 0 3 17 83min 110 163 AA A A t t rkct kx xt F tee 2 0 10 667 A c x c 1 17 83 50 1 100 50min 2 17 83 11115 03 50 t t t t F tee t 3 3 1 1 A t x 6 8今有硫铁矿焙烧反应 已知该反应为动力学 控制 t为反应时间 全部反应所需时间 设反应过程中气相组成不变 离子停留时间 分布如图6 5 求平均转化率xA 1h 01 0t h 1 0 1 f t h 333 0 11 3 00 00 0 1 1 1 1 1 0 25 10 75 A A A A A A ctt xt c cc f t dttdt cc c x c 第7章 化学反应过程的优化 AA P rkc c 7 3 自催化反应 其反应速率方程为 进料A的初 浓度 要求达到最终转化率为0 99 为使 反应器体积最小 拟用一个CSTR和一个PFR组合 进料流量 速 率常数 问应如何组合两个反应器 中间转化率 反 应器总体积 APPP 33 00 0 99 0 01 AP cmol m cmol m 3 10 vmh 43 4 2 10 kmmol s 自催化反应 CSTR PFR 0 0 5 min 2 T AA c cmolr 时 有最大 00 3 1000 00 12 96 1 AAfAAf A R AAPAPAA cccc x Vvvvm rkc ckxcc x 0 495 A x CSTR PFR maxmax 00 30000max 2 00max 1 ln30 46 1 1 AA AA cc AAAA R cc ATAAAAA vvvccdcdc Vm kccckcckcc 3 12 43 42 RRR VVVm 0maxmaxfAAAA cccc由到和由到是对称的 7 6 已知分解反应为 25 求 1 该温度下 为使产物P收率最大 应选用什么反应器 2 所选反应器中 cP max 2 0000 1 531 5 2mol L0 PSATAAPST rrcrccccc 若 P S T A 1 2 3 22 0 0 2 max 0 max 1 51 1 531 5 1 1 0 5 2 P AAA A AA PfAA A Pf P A AfA PfAAfP r rcc c cc ccc c dc c dc cc ccccmol L 当时 可得 解得 故舍去 又是一个单调递减函数 根据曲线关系 当0时 有 平行反应 主反应级数低 CSTR 1 2 AA B rkc c 7 7 有一液相反应 其反应速率方程为 现有CSTR和PFR各一个 体积均为0 7 m3 试问以下三个方案中 哪个最好 为什么 1 CSTR后串联PFR 2 PFR后串联CSTR 3 CSTR和PFR并联 ABPS 3 0 20 min 2 20 min A kLmolcmol m vL 已知 等摩尔反应 1 2 2 AA rkc 等摩尔反应 12 0 0 7 35min 0 020 R V v 01 1 2 1 AA A cc kc 先CSTR 3 1 1 12 A cmol m 再PFR 112 1 1 Af AA c cc k 3 0 628 Af cmol m 先PFR 3 1 0 833 A cmol m 再CSTR 3 0 590 Af cmol m 0 686 A x 1 01 1 1 A AAo c cc k 12 2 2 2 AA A cc kc 0 705 A x 3 CSTR与PFR并联 1 120 833 0 976 2 Af c 0 512 A x 第二个方案较好 7 9 一级不可逆反应 已知 反应系统进料体积流量为0 142 m3 min 进料组成为 对于产物P 的最大收率 下列反应器中哪个比较优 请说明原因 1 单个CSTR 体积为 2 两个CSTR串联 每个体积为0 142 m3 3 两个CSTR并联 每个体积为0 142 m3 4 单个PFR 体积为0 284 m3 12 kk APS 11 12 0 15min 0 05minkk 000 0 AAPS cccc 3 0 284 R Vm 1 2 0 0 284 2min 0 142 R V v 12 0 0 10 1 1 0 142 1min 0 142 0 870 1 R A AA V v c cc k 0 1 1 10 1 12 1 0 124 1 1 A PA c k cc kk 对第二个CSTR中物料P做物料衡算 010212222PPApR v cv ck ck cV 0 1 0 12 0 21 1 1 A PA c k cc kk 1122 20 22 0 226 1 PA PA ck c cc k 两个CSTR并联 同 1 4 3 0 0 21 PA cc 0 0 284 2min 0 142 R V v 12 1 00 21 0 246 kk PAA k cceec kk 单个PFR 7 26 对平行反应 其中P为目的产物 在等温操作中证明 1 采用CSTR 则 2 采用PFR 则 max0PA cc 1