化学反应工程答案0.doc

3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：rD及rR分别为产物D及R的生成速率。反应用的原料为A及B的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m3。（1） （1） 计算A的转化率达95%时所需的反应时间；（2） （2） A的转化率为95%时，R的收率是多少？（3） （3） 若反应温度不变，要求D的收率达70%，能否办到？（4） （4） 改用全混反应器操作，反应温度与原料组成均不改变，保持空时与（1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%？（5） （5） 在全混反应器中操作时，A的转化率如仍要求达到95%，其它条件不变，R的收率是多少？（6） （6） 若采用半间歇操作，B先放入反应器内，开始反应时A按（1）计算的时间均速加入反应器内。假如B的量为1m3，A为0.4m3，试计算A加完时，组分A所能达到的转化率及R的收率。解：（1）第二章2.9题已求出t=0.396h=24.23min(2) (3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：D的收率：这说明能使D的收率达到70%（4）对全混流反应器，若使=t=0.3958h,则有解之得：CA=0.4433所以：这说明在这种情况下转化率达不到95%。（1） （5） 对全混流反应器，若X=0.95,则R的收率为：（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组A的转化率及R的收率，需要求出A及R 的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组：对A: （1）对R: （2） （3）在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t 0.4h）内将0.4 m3的A均速加入反应器内，故采用间歇釜操作时，原料为A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m3.现采用半间歇釜操作，且，故可算出原料A的浓度为：由于：代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组： （4） （5）初始条件：t=0,CA=0,CR=0可用龙格-库塔法进行数值求解。取步长t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算：式中VA为所加入的A的体积，且VA=0.4m3;CA0为所加入的A的浓度，且CA0=7kmol/m3；V为反应结束时物系的体积，V=1.4m3。同理可以计算出R的收率：3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：加料中组分A的浓度为0.2kmol/m3,流量为4m3/h,要求A的最终转化率为90%，试问：（1） （1） 总反应体积的最小值是多少？（2） （2） 此时目的产物B的收率是多少？（3） （3） 如优化目标函数改为B的收率最大，最终转化率为多少？此时总反应体积最小值是多少？解：（1）对上式求dVr/dXA1=0可得：将XA2=0.9代入上式，则解之得XA1=0.741所以总反应体积的最小值为(2)即解得CB1=0.005992 kmol/m3同理解得CB2=0.00126 kmol/m3B的收率：(3)目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第i个釜，组分A,B的衡算方程分别为：对A: 对B: 当i=1时， （1） （2）当i=2时， （3） （4）由（1）式解出CA1代入（2）式可解出CB1; 由（1）式解出CA1代入（3）式可解出CA2;将CB1及CA2代入（4）式可解出CB2,其为1,2的函数，即 （5）式中CA0为常数。由题意，欲使CB2最大，则需对上述二元函数求极值:联立上述两个方程可以求出1及2。题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积。将1,2代入（5）式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出YBmaX.将1,2代入CA2，则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率。3.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为20m3的全混流反应器，进行液相反应：CA,CR为组分A及R的浓度。rA为组分A的转化速率，rD为D的生成速率。原料中A的浓度等于0.1kmol/m3，反应温度下，k1=0.1min-1，k2=1.25m3/kmol.min,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。解：所以：即为：4.18氨水（A）与环氧乙烷（B）反应以生产一乙醇胺(M)，二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反应如下：反应速率方程为：该反应系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺。（1） （1） 请你提出原料配比的原则，并说明理由。（2） （2） 选定一种合适的反应器型式和操作方式。（3） （3） 根据（2）的结果，说明原料加入方式。（4） （4） 反应时间是否有所限制？为什么？解：（1）若提出原料配比原则，应分析其动力学特征。这里以B为关键组分，目的产物M的瞬间选择性：由此看出CA增大时，则S也增大，无疑，相对来说CB减少。也就是说配比原则是：允许的条件下，尽量使A过量。（2）根据（1）的结果，可选活塞流反应器，并使B从侧线分段进料，而A从进口进料，采用连续操作，如图所示：（3）加料方式如（2）中的图示。（4）反应时间即停留时间有限制，因为目的产物M为中间产物，存在最佳收率，为达到最大收率，须控制最佳反应时间。6.11 在球形催化剂上进行气体A的分解反应,该反应为一级不可逆放热反应.已知颗粒直径为0.3cm,气体在颗粒 中有效扩散系数为4.510-5m2/h,颗粒外表面气膜传热系数为44.72w/m2K,气膜传质系数为310m/h,反应热效应为-162kJ/mol,气相主体A的浓度为0.20mol/l,实验测得A的表观反应速率为1.67mol/minl, 试估算：（） （） 外扩散阻力对反应速率的影响；（） （） 内扩散阻力对反应速率的影响；（） （） 外表面与气相主体间的温度差解： (3)计算外表面与气相主体间温度差m：6.13 在150,用半径100m的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数kp=5min-1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm2/s,试问:(1) (1) 在0.1Mpa 下,要使=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少?(2) (2) 改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问的计算.(3) (3) 改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-5 cm2/s.而反应速率常数保持不变,要使=0.8,求催化剂颗粒的最大直径.解:用试差法从上二式可解得当=0.8时,需dp6.36cm(2)2.02Mpa时,De0.20.101/2.02=0.01 cm2/s,与此相对应:同上法可求得当=0.8时,需dp1.42cm (3)液相反应时,De=110-6cm2/s,与此相应的为21.51dp,同上法可求得当=0.8时,需dp0.0142cm.6.15 在0.10Mpa,530进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m2/g,孔容0.35cm3/g,颗粒密度1.2g/cm3,曲节因子3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.解:丁烷分子量为58,=10-5cm,=2Vg/Sg=58.310-8cm, /2=8.576,此值与10接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主:由(6.60)式算得=0.465.6.20 原题见教材,今补充如下:实验测得A