第四章-管式反应器

4 4 管式反应器管式反应器 4 14 1 在常压及在常压及 800 等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应 等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应 6532664 C H CHHC HCH 在反应条件下该反应的速率方程为 在反应条件下该反应的速率方程为 0 5 1 5 TH rC Cmol l s 式中式中 C CT T及及 C CH H分别为甲苯及氢的浓度 分别为甲苯及氢的浓度 mol lmol l 原料处理量为 原料处理量为 2kmol h2kmol h 其中甲苯与氢的摩尔比 其中甲苯与氢的摩尔比 等于等于 1 1 若反应器的直径为 若反应器的直径为 50mm50mm 试计算甲苯最终转化率为 试计算甲苯最终转化率为 95 95 时的反应器长度 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 1 即 即 00 TH CC 则有 则有 0 1 THTT CCCX 示中下标示中下标 T T 和和 H H 分别代表甲苯与氢 其中 分别代表甲苯与氢 其中 5 33 0 0 3 3 000 0 5 1 013 10 5 68 10 8 314 101073 2 21 0 278 10 T T TT p Ckmol m RT FQ Ckmol hkmol s 所以 所需反应器体积为 所以 所需反应器体积为 0000 0 51 5 00 2 5 0 95 33 3 1 51 5 0 1 51 5 10 95 1 0 278 100 43293 006 1 5 5 68 10 1 1 51 TT XX TT rTT THT T T dXdX VQ CQ C C CC dX m X 所以 所以 反应器的长度为 反应器的长度为 2 3 006 1531 1 0 053 14 4 m 4 24 2 根据习题根据习题 3 23 2 所规定的条件和给定数据 改用活塞流反应器生产乙二醇 试计算所需所规定的条件和给定数据 改用活塞流反应器生产乙二醇 试计算所需 的反应体积 并与间歇釜式反应器进行比较 的反应体积 并与间歇釜式反应器进行比较 解 题给条件说明该反应为液相反应 可视为恒容过程 在习题解 题给条件说明该反应为液相反应 可视为恒容过程 在习题 3 23 2 中已算出 中已算出 0 275 8 Ql h 0 1 231 A Cmol l 所以 所需反应器体积 所以 所需反应器体积 00 0 000 0 0 1 275 80 95 818 6 15 2 1 23110 95 A X A rA AABAA A AA dX VQ C kCXCCX QX l kCX 由计算结果可知 活塞流反应器的反应体积小 间歇釜式反应器的反应体积大 这是由于间歇由计算结果可知 活塞流反应器的反应体积小 间歇釜式反应器的反应体积大 这是由于间歇 式反应器有辅助时间造成的 式反应器有辅助时间造成的 4 34 3 1 013 101 013 105 5PaPa 及及 20 20 下在反应体积为下在反应体积为 0 5m0 5m3 3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应 的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应 2 2 43 22 221 4 10 NONOO NOONOrCCkmol m s 式中的浓度单位为式中的浓度单位为 kmol mkmol m3 3 进气组成为 进气组成为 10 NO 1 NO10 NO 1 NO2 2 9 O 9 O2 2 80 N 80 N2 2 若进气流量为若进气流量为 0 6m0 6m3 3 h h 标 标 准状况下 准状况下 试计算反应器出口的气体组成 试计算反应器出口的气体组成 解 由解 由 NONO 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程 其设计方程为 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程 其设计方程为 2 0 4 0 0 1 4 10 A X rA A AB VdX C Q C C A 示中示中 A BA B 分别代表分别代表 NONO 和和 O O2 2 由题意可知 若能求得出口转化率 由 由题意可知 若能求得出口转化率 由 2 542 54 式得 式得 00 0 1 i iAA A i AAA yyX y yX 便可求出反应器出口气体组成 已知 便可求出反应器出口气体组成 已知 00 343 0 2 0 2 33 0 2 33 0 1 0 10 0 09 2 0 6 27320 2730 644 1 7888 10 0 6 2 677 10 22 4 2 677 100 1 4 159 10 0 644 2 677 100 09 3 743 10 0 644 i AAB A i A B yy Qmhms Fkmol h Ckmol m Ckmol m 所以 反应速率为 所以 反应速率为 22 000 4 2 23 4 3 1 1 2 1 4 10 10 05 10 05 1 3 7432 078 10 1 4 10 10 05 AABAA A AA AA A CXCCX r XX XX X 再将有关数据代入 再将有关数据代入 A A 式 式 33 42 0 0 5 144 159 10 10 05 1 789 10 1 3 7432 078 A X A A AA X dX XX B 用数值积分试差求得 用数值积分试差求得 99 7 A X 因此 因此 2 2 00 0 1 10 997 0 032 10 0510 050 997 1 0 090 1 0 997 2 4 227 10 050 997 2 0 10 1 0 997 2 11 546 10 050 997 0 8 84 197 10 050 997 AAA A A B NO N yyX y X y y y 另 本题由于惰性气体另 本题由于惰性气体 N N2 2占占 80 80 故此反应过程可近似按恒容过程处理 也不会有太大的误差 故此反应过程可近似按恒容过程处理 也不会有太大的误差 4 44 4 在内径为在内径为 76 2mm76 2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯 26242 C HC HH 反应压力及温度分别为反应压力及温度分别为 2 026 102 026 105 5PaPa 及及 815 815 进料含 进料含 50 mol C50 mol C2 2H H6 6 其余为水蒸汽 进料量其余为水蒸汽 进料量 等于等于 0 178kg s0 178kg s 反应速率方程如下 反应速率方程如下 A A dp kp dt 式中式中 pA为乙烷分压 在为乙烷分压 在 815 815 时 速率常数时 速率常数 1 1 0 ks 平衡常数 平衡常数 4 7 49 10 KPa 假定 假定 其它副反应可忽略 试求 其它副反应可忽略 试求 1 1 1 1 此条件下的平衡转化率 此条件下的平衡转化率 2 2 乙烷的转化率为平衡转化率的乙烷的转化率为平衡转化率的 50 50 时 所需的反应管长 时 所需的反应管长 解 解 1 1 设下标 设下标 A A 乙烷 乙烷 B B 乙烯 乙烯 H H 氢 此条件下的平衡转化率可按平衡式求取 氢 此条件下的平衡转化率可按平衡式求取 BH p A p p K p 501 50 501 50 1 1 0 1 yy yy 501 150 1 yy y 1 1 111 50 Py 1 yy y 1 0 0 B 0B 0 00A A 0 0 00 0 00 e A e A e A e A AAA AA A HB e A e A AAA AA AA ii AAA AA A i i i AAA AA A i i i X X X X Xy X X X Xy X y p Xy X Xy Xpp p 610 14497 1501 50 4 2 2 X P X X X Py Pyy p pp K Ae AeAeA HB A HBAe 若以若以 1 1 摩尔摩尔 C C2 2H H6 6为基准 反应前后各组分的含量如下 为基准 反应前后各组分的含量如下 262422 C HC HHH O 反应前反应前 1 1 0 0 0 0 1 1 2 2 平衡时平衡时 1 X1 Xe e X Xe e X Xe e 1 1 2 2 X Xe e 因此 平衡时各组分分压为 因此 平衡时各组分分压为 111 1 222 eee BHA eee P XP XPX ppp XXX 将其代入平衡式有 将其代入平衡式有 254 1 2 026 10 7 49 10 22 ee ee XX XX 解此一元二次方程得 解此一元二次方程得 0 61 e X 2 2 所需的反应管长 首先把反应速率方程变为所需的反应管长 首先把反应速率方程变为 3 A A d pRTkp kmol m s dtRT 以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致 已知 以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致 已知 0 0 1780 5 0 0037 300 5180 5 0 50 305 A AfAe Fkmol s XX 代入物料衡算式有代入物料衡算式有 0 0 1 3 0 305 3 5 0 1 2 0 00378 314 1010882 0 13 1 2 026 101 Af X A rA A A A A A dX VF XP k XRT X dXm X 其反应管长 其反应管长 2 0 13 28 8 0 0762 3 14 4 Lm 4 54 5 于于 277 277 1 013 101 013 105 5PaPa 压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应 2533252 C H OHCH COOHCH COOC HH O ABPQ 催化剂的堆密度为催化剂的堆密度为 700kg m700kg m3 3 在在 277 277 时 时 B B 的转化速率为 的转化速率为 76 4 4 096 10 0 38 885 10 9 8 3600 11 515 10 QBPQA B P ppp pp rkmol kg s p 式中的分压以式中的分压以 PaPa 表示 假定气固两相间的传质阻力可忽略不计 加料组成为表示 假定气固两相间的传质阻力可忽略不计 加料组成为 23 B 46 A 31 Q23 B 46 A 31 Q 均为重量 均为重量 加料中不含酯 当 加料中不含酯 当 X XB B 35 35 时 所需的催化剂量是多少 反应体时 所需的催化剂量是多少 反应体 积时多少 乙酸乙酯的产量为积时多少 乙酸乙酯的产量为 2083kg h2083kg h 解 由反应计量方程式知反应过程为恒容过程 将速率方程变为解 由反应计量方程式知反应过程为恒容过程 将速率方程变为 B B 组分转化率的函数 其组分转化率的函数 其 中 中 000 000 1 BBBAABB PBBQQBB ppXpppX ppXpppX 为求各组分初始分压 须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比 即为求各组分初始分压 须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比 即 12 34 B 32 1 A 55 45 Q12 34 B 32 1 A 55 45 Q 于是有 于是有 5 0 5 0 5 0 0 0 1234 1 013 10 0 3220 1 013 10 0 5545 1 013 10 2083 0 0188 3600880 35 B A Q B p p p Fkmol s 将上述有关数据代入设计方程 将上述有关数据代入设计方程 0 0 B X B B B dX WF r 采用数值积分便可得到所需的催化剂量 采用数值积分便可得到所需的催化剂量 4 1 01 10 Wkg 其反应体积为 其反应体积为 4 3 1 01 10 14 5 700 r W Vm 反应器反应器 4 64 6 二氟一氯甲烷分解反应为一级反应二氟一氯甲烷分解反应为一级反应 224 2 2 CHClF gC F gHCl g 流量为流量为 2kmol h2kmol h 的纯的纯 CHClFCHClF2 2气体先在预热器预热至气体先在预热器预热至 700 700 然后在一活塞流反应器中 然后在一活塞流反应器中 700 700 等等 温下反应 在预热器中温下反应 在预热器中 CHClFCHClF2 2已部分转化 转化率为已部分转化 转化率为 20 20 若反应器入口处反应气体的线速度 若反应器入口处反应气体的线速度 为为 20m s20m s 当出口处 当出口处 CHClFCHClF2 2的转化率为的转化率为 40 8 40 8 时 出口的气体线速度时多少 反应器的长度是时 出口的气体线速度时多少 反应器的长度是 多少 整个系统的压力均为多少 整个系统的压力均为 1 013 101 013 105 5PaPa 700 700 时的反应速率常数等于时的反应速率常数等于 0 97s0 97s 1 1 若流量提高 若流量提高 一倍 其余条件不变 则反应器长度是多少 一倍 其余条件不变 则反应器长度是多少 解 反应历程如下图所示 解 反应历程如下图所示 预热器预热器 温度温度 T T0 0 T Tin in T Tf f T TiN iN 线速度线速度 u u0 0 u uin in u uf f 转化率转化率 X XA0 A0 0 0 X XA in A in X XA fA f 该反应为变容过程 其中该反应为变容过程 其中0 1 1 2 AA y s m u F F u u F F XFF X FF F F XFF X FF CBA f t t f t Cf AfA A B Bf AfAAf t C A A B B A A A A 89212009451 09451 22 4082 4082 816040802 408040802 2 122 40 20202 2 1 61200121 22 00 0 0 0 0 00 00 0 0 由 由 2 502 50 式知 式知 00 1 AAA QQyX 00 1 AAA uuyX 由已知条件 且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度 由已知条件 且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度 0 0 0 0 20 18 18 10 50 20 1 in in in AAA in uT um s T T yX T 其出口处气体线速度为 其出口处气体线速度为 00 0 1 18 18 10 50 408 21 89 j jAAA T uuyXm s T 由设计方程计算出反应器长度 由设计方程计算出反应器长度 0 1 10 5 Af X A rinA in A in A in A LdX VQC X u kC X 那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率 X XAf Af 据 据 X XA A F FA0 A0 F FA A F FA0 A0 可求出 可求出 F FA in A in 1 6kmol h F 1 6kmol h FAf Af 1 184kmol h 1 184kmol h 所以 所以 X XAf Af 1 6 1 184 1 6 0 26 1 6 1 184 1 6 0 26 因而有 因而有 0 26120 10 5 ln0 5 0 4520 13 6 63 10 970 in A A u LXm kX 这是由于反应器的截面积没有固定 固定的是反应气体的线速度等条件 因此 当流量提高一这是由于反应器的截面积没有固定 固定的是反应气体的线速度等条件 因此 当流量提高一 倍时 而其余条件不变 则反应器的长度并不变 只是其截面积相应增加 倍时 而其余条件不变 则反应器的长度并不变 只是其截面积相应增加 4 74 7 拟设计一等温反应器进行下列液相反应 拟设计一等温反应器进行下列液相反应 1 2 2 2 RAB SA ABR rk C C AS rk C 目的产物为目的产物为 R R 且 且 R R 与与 B B 极难分离 试问 极难分离 试问 1 1 1 1 在原料配比上有何要求 在原料配比上有何要求 2 2 若采用活塞流反应器 应采用什么样的加料方式 若采用活塞流反应器 应采用什么样的加料方式 3 3 如用间歇反应器 又应采用什么样的加料方式 如用间歇反应器 又应采用什么样的加料方式 解 对于复合反应 选择的原则主要是使目的产物解 对于复合反应 选择的原则主要是使目的产物 R R 的最终收率或选择性最大 根据动力的最终收率或选择性最大 根据动力 学特征 其瞬时选择性为 学特征 其瞬时选择性为 21 1 12 AB S k Ck C 由此式可知要使由此式可知要使 S S 最大 最大 C CA A越小越好 而越小越好 而 C CB B越大越好 而题意又给出越大越好 而题意又给出 R R 与与 B B 极难分离 故又要极难分离 故又要 求求 C CB B不能太大 兼顾二者要求 不能太大 兼顾二者要求 1 1 原料配比 如果 原料配比 如果 R R 与与 B B 极难分离为主要矛盾 则除去第二个反应所消耗的极难分离为主要矛盾 则除去第二个反应所消耗的 A A 量外 应按量外 应按 第一个反应的化学计量比配料 而且使第一个反应的化学计量比配料 而且使 B B 组分尽量转化 组分尽量转化 2 2 若采用 若采用 PFRPFR 应采用如图所示的加料方式 即 应采用如图所示的加料方式 即 A A 组分沿轴向侧线分段进料 而组分沿轴向侧线分段进料 而 B B 则在入口则在入口 处进料 处进料 3 3 如用半间歇反应器 应采取 如用半间歇反应器 应采取 B B 一次全部加入 然后慢慢加入一次全部加入 然后慢慢加入 A A 组分 直到达到要求的转组分 直到达到要求的转 化率为止 化率为止 4 84 8 在管式反应器中在管式反应器中 400 400 等温下进行气相均相不可逆吸热反应 该反应的活化能等于等温下进行气相均相不可逆吸热反应 该反应的活化能等于 39 77kJ mol39 77kJ mol 现拟在反应器大小 原料组成及出口转化率均保持不变的前提下 采用等温操 现拟在反应器大小 原料组成及出口转化率均保持不变的前提下 采用等温操 作 作 增产 增产 35 35 请你拟定一具体措施 定量说明 请你拟定一具体措施 定量说明 设气体在反应器内呈活塞流 设气体在反应器内呈活塞流 解 题意要求在反应器大小 原料组成和出口转化率均保持不变 由下式 解 题意要求在反应器大小 原料组成和出口转化率均保持不变 由下式 00 0 A X A rA A dX VQC kf X 可知 可知 Q Q0 0与反应速率常数成正比 而改变反应温度又只与与反应速率常数成正比 而改变反应温度又只与 k k 有关 所以 提高反应温度可使其有关 所以 提高反应温度可使其 增产 具体值为增产 具体值为 2 39770 8 314 02012139770 8 314 673 10 35 1 35 1 T Ae QQkk Ae 解此式可得 解此式可得 T T2 2 702 7K 702 7K 即把反应温度提高到 即把反应温度提高到 702 7K702 7K 下操作 可增产下操作 可增产 35 35 4 94 9 根据习题根据习题 3 83 8 所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 试计算苯酚的产量 并比较所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 试计算苯酚的产量 并比较 不同类型反应器的计算结果 不同类型反应器的计算结果 解 用活塞流反应器 解 用活塞流反应器 00 0 0 11 ln 1 1 A X A rA AAA dX VQC kCXkX 将已知数据代入得 将已知数据代入得 0 0 311 ln 0 0810 989 Q 解得 解得 3 0 0 319 min Qm 所以苯酚产量为 所以苯酚产量为 000 0 3193 20 9891 01 min 1 0994 min94 99 min AAAA FXQ CXkmol kgkg 由计算可知改用由计算可知改用 PFRPFR 的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量 也大于间歇式反应器的产量 的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量 也大于间歇式反应器的产量 但间歇式反应器若不计辅助时间 其产量与但间歇式反应器若不计辅助时间 其产量与 PFRPFR 的产量相同 当然要在相同条件下比较 的产量相同 当然要在相同条件下比较 4 104 10 根据习题根据习题 3 93 9 所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 反应温度和原料组成均保持所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 反应温度和原料组成均保持 不变 而空时与习题不变 而空时与习题 3 93 9 1 1 的反应时间相同 的反应时间相同 A A 的转化率是否可达到的转化率是否可达到 95 95 R R 的收率是多少 的收率是多少 解 对于恒容过程 活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同 所以解 对于恒容过程 活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同 所以 A A 的转化的转化 率是可以达到率是可以达到 95 95 的 的 R R 的收率与间歇反应器时的收率也相同 前已算出收率为的收率与间歇反应器时的收率也相同 前已算出收率为 11 52 11 52 4 114 11 根据习题根据习题 3 143 14 所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 试计算 所给定的条件和数据 改用活塞流反应器 试计算 1 1 所需的反应 所需的反应 体积 体积 2 2 若用两个活塞流反应器串联 总反应体积是多少 若用两个活塞流反应器串联 总反应体积是多少 解 解 1 1 用 用 PFRPFR 时所需的反应体积 时所需的反应体积 0 5 0 5 00 00 1 51 5 0 0 0 5 0 53 1 1 1 0 5 1 52000 10 95 11 47 0 50 1581 A X AA rAA AA Q CdX VQ CX kCXk m 2 2 若用两个 若用两个 PFRPFR 串联 其总反应体积与 串联 其总反应体积与 1 1 相同 相同 4 124 12 在管式反应器中进行气相基元反应 在管式反应器中进行气相基元反应 ABC 加入物料 加入物料 A A 为气相 为气相 B B 为液体 为液体 产物产物 C C 为气体 为气体 B B 在管的下部 气相为在管的下部 气相为 B B 所饱和 反应在气相中进行 所饱和 反应在气相中进行 已知操作压力为已知操作压力为 1 013 101 013 105 5PaPa B B 的饱和蒸汽压为的饱和蒸汽压为 2 532 102 532 104 4PaPa 反应温度 反应温度 340 340 反应速率 反应速率 常数为常数为 10102 2m m3 3 mol min mol min 计算 计算 A A 的转化率达的转化率达 50 50 时 时 A A 的转化速率 如的转化速率 如 A A 的流量为的流量为 0 1m0 1m3 3 min min 反应体积是多少 反应体积是多少 解 此反应为气相反应 从化学计量方程式看 是变容反应过程 但气相中解 此反应为气相反应 从化学计量方程式看 是变容反应过程 但气相中 p pB B为常数 故为常数 故 可看成恒容过程 假定为理想气体 其中 可看成恒容过程 假定为理想气体 其中 4353 5 00 4333 5 3 2 532 10 100 min10 min 1 0130 2532 10 1 2 532 10 8 314 10613 4 97 10 0 7598 10 1 0 0149 1 8 314 10613 B AAAA B B AA AA pPa kmmolmkmol pPa ppX p Ckmol m RT pX CX RT 当当 X XA A 50 50 时 时 A A 的转化速率为 的转化速率为 533 104 97 100 0149 10 5 3 7 min AAB RkC Ckmol m 当当 3 0 0 1 min A Qm 时 时 3 0 0 1 0 2532 0 75980 033 min B Qm 所以 所以 3 000 0 133 min AB QQQm 此时所需反应体积为 此时所需反应体积为 0 00 00 43 35 1 0 1331 ln1 85 100 185 4 97 101010 5 AA XX AA rA ABBA QdXdX VQ C kC CkCX ml 4 134 13 在一活塞流反应器中进行下列反应 在一活塞流反应器中进行下列反应 12 kk APQ 两反应均为一级 反应温度下 两反应均为一级 反应温度下 k k1 1 0 30min 0 30min 1 1 k k2 2 0 10min 0 10min 1 1 A A 的进料流量为的进料流量为 3m3m3 3 h h 其中不含其中不含 P P 和和 Q Q 试计算 试计算 P P 的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应体积 的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应体积 解 对一级连串反应可得如下关系是 解 对一级连串反应可得如下关系是 21 21 1 1 1 1 kk PAA YXX kk A 若求最高收率 即令 若求最高收率 即令 0 PA YX 可得到 可得到 21 1 1 1 1 0 1 0 3 21 0 1 1 1 0 8076 0 3 kk A m Xkk 将将 X XA A m m代入 代入 A A 式得最高收率 式得最高收率 0 1 0 3 max 1 10 8076 10 8076 57 84 10 1 0 3 P Y P P 的总选择性 的总选择性 max 0 0 5784 71 62 0 8076 P A m Y S X 达到最大收率时的反应体积为 达到最大收率时的反应体积为 3 00 0 10 31 ln0 275 1 600 3010 8076 A m X A rA AA dX VQ Cm k CX 4 144 14 液相平行反应 液相平行反应 0 33 0 51 33 min min PAB QAB ABP rC Ckmol m a ABQ rCCkmol m 式中式中a为化学计量系数 目的产物为为化学计量系数 目的产物为 P P 1 1 1 1 写出瞬时选择性计算式 写出瞬时选择性计算式 2 2 2 2 若若 1 a 试求下列情况下的总选择性 试求下列情况下的总选择性 a a a a 活塞流反应器活塞流反应器 C CA0 A0 C CB0 B0 10kmol m 10kmol m3 3 C CAf Af C CBf Bf 1kmol m 1kmol m3 3 b b b b 连续釜式反应器 浓度条件同 连续釜式反应器 浓度条件同 a a c c c c 活塞流反应器 反应物活塞流反应器 反应物 A A 和和 B B 的加入方式如下图所示 反应物的加入方式如下图所示 反应物 A A 从反应器的从反应器的 一端连续地加入 而一端连续地加入 而 B B 则从不同位置处分别连续加入 使得器内处处则从不同位置处分别连续加入 使得器内处处 B B 的浓度均等的浓度均等 于于 1kmol m1kmol m3 3 反应器进出口处反应器进出口处 A A 的浓度分别为的浓度分别为 1919 和和 1kmol m1kmol m3 3 解 解 1 1 设 设 A A 为关键组分 目的产物为关键组分 目的产物 P P 的瞬时选择性为 的瞬时选择性为 0 3 0 30 51 30 5 1 1 A P PAB P AABABAB r C C S RC CCCCC 2 2 若若1 a 求下列情况下的总选择性 求下列情况下的总选择性 a a 活塞流反应器 活塞流反应器 因为因为 C CA0 A0 C CB0 B0 其化学计量系数相同 所以 其化学计量系数相同 所以 C CA A C CB B 则有 则有 0 5 1 1 P A S C 因 因 此此 0 10 0 5 1 0 11 0 326 1011 A Af C A OPPA C AAfA dC SSdC CCC b b 连续釜式反应器连续釜式反应器 0 5 11 0 5 12 OPPj A SS C c PFR c PFR 且且 B B 侧线分段进料 器内侧线分段进料 器内 B B 的浓度均等于的浓度均等于 1kmol m1kmol m3 3 则则 0 5 1 1 P A S C 19 0 5 1 1 0 732 1911 A OP A dC S C 4 154 15 在活塞流反应器中等温等压 在活塞流反应器中等温等压 5 065 105 065 104 4PaPa 下进行气相反应 下进行气相反应 63 53 63 5 923 10 min 2 1 777 10 min 3 2 961 10 min PA QA RA AP rp kmol m AQ rp kmol m AR rp kmol m 式中式中 P PA A为为 A A 的分压的分压 PaPa 原料气含量 原料气含量 A10 A10 molmol 其余为惰性气体 若原料气处理量为 其余为惰性气体 若原料气处理量为 18001800 标标 准准 m m3 3 h h 要求 要求 A A 的转化率达到的转化率达到 90 90 计算所需的反应体积及反应产物 计算所需的反应体积及反应产物 Q Q 的收率 的收率 解 此反应为复合反应系统 一般需要多个物料衡算式联立求解 方能解决问题 但这里解 此反应为复合反应系统 一般需要多个物料衡算式联立求解 方能解决问题 但这里 三个平行反应均为一级 可简化处理 其组分三个平行反应均为一级 可简化处理 其组分 A A 的总转化速率为 的总转化速率为 55 1111 0 59221 7770 2961 101 5794 10 2323 APQRAA RrrrPP 又为变容过程 又为变容过程 123 0 59221 7770 2961 1 57942 1 57943 1 5794 A 其中其中123 0 1 2 所以有 所以有 0 6875 A 43 0 0 0 1 5 065 100 1 1 5 065 10 1 110 68750 110 06875 18000 1 0 1339 min 22 460 AAAA A AAAAA A pXXX p yXXX Fkmol 所需反应体积为 所需反应体积为 00 553 00 3 2 10 06875 1 5794 101 5794 105 065 10 1 0 13391 10 06875 ln0 068750 904 22 8 1010 9 AA XX AAA rAA AA dXX dX VFF pX m 产物产物 Q Q 的收率 的收率 5 5 1 1 777 10 2 0 5626 1 5794 10 A Q A Q Q AA r p Y Rp 4 164 16 在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯 在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯 B B 氧化反应以生产顺丁烯二酸酐 氧化反应以生产顺丁烯二酸酐 MAMA 12 3 22 22 kk k BMACO CO H O BCO CO H O 这三个反应均为一级反应 反应活化能 这三个反应均为一级反应 反应活化能 kJ molkJ mol 如下 如下 E E1 1 70800 E 70800 E2 2 193000 E 193000 E3 3 124800 124800 指前因子 指前因子 kmol kg h Pakmol kg h Pa 分别为 分别为 A A1 1 0 2171 A 0 2171 A2 2 1 372 10 1 372 108 8 A A3 3 470 8 470 8 反应系在反应系在 1 013 101 013 105 5PaPa 和和 704K704K 等温进行 原料气为苯蒸汽与空气的混合气 其中含苯等温进行 原料气为苯蒸汽与空气的混合气 其中含苯 1 8 1 8 molmol 现拟生产顺丁烯二酸酐 现拟生产顺丁烯二酸酐 1000kg h 1000kg h 要求其最终收率为要求其最终收率为 42 42 假设 假设 1 1 可按恒容过 可按恒容过 程处理 程处理 2 2 可采用拟均相模型 试计算 可采用拟均相模型 试计算 1 1 苯的最终转化率 苯的最终转化率 2 2 原料气需用量 原料气需用量 3 3 所需的催化剂量 所需的催化剂量 解 解 1 1 由题意知 由题意知 13 BB dCdkk C 解之得 解之得 13 0 kk BB CCe 或 或 13 0 1 kk B B B C Xe C 且 且 13 12102 kk MA BMABMA dC k Ck Ck Cek C d 解此一阶线性微分方程有 解此一阶线性微分方程有 2 13132 11 0132132 1 1 k kkkkk MA MABB M Ckk YeeXX Ckkkkkk 已知 已知 70800 4 8 314 704 1 193000 87 8 314 704 2 124800 7 8 314 704 3 0 21711 212 10 1 372 106 559 10 470 82 587 10 0 42 MA kekmol kg h Pa kekmol kg h Pa kekmol kg h Pa Y 代入上式化简得到 代入上式化简得到 0 4466 0 2823 1 1 BB XX 通过试差求出 通过试差求出 83 45 B X 2 2 原料气需用量 由收率定义知 原料气需用量 由收率定义知 00 MAMABMAB YnnFF 0 1000 24 295 0 4298 MA B MA F Fkmol h Y 总原料气为 总原料气为 24 295 0 0181349 75 t Fkmol h 3 3 欲使 欲使 X XB B达到达到 83 45 83 45 所需催化剂量由物料衡算式求得 所需催化剂量由物料衡算式求得 0 0 00 13130 65 1 24 2951 ln16296 3 1 2120 2587 101 013 100 01810 8345 BB XX BBB B BBB FdXdX WF kkpkkpX kg 4 174 17 1 1 写出绝热管式反应器反应物料温度与转化率关系的微分方程 写出绝热管式反应器反应物料温度与转化率关系的微分方程 2 2 在什么情况下该方程可化为线性代数方程 并写出方程 回答问题 在什么情况下该方程可化为线性代数方程 并写出方程 回答问题 1 1 2 2 时必须说 时必须说 明所使用的符号意义 明所使用的符号意义 3 3 计算甲苯氢解反应 计算甲苯氢解反应6532664 C H CHHC HCH 的绝热温升 原料气温度为的绝热温升 原料气温度为 873K873K 氢及甲苯的摩尔比为氢及甲苯的摩尔比为 5 5 反应热 反应热 H H298 298 49974J mol 49974J mol 热容 热容 J molJ mol K K 数据如下 数据如下 H H2 2 C CP P 20 786 20 786 CHCH4 4 C CP P 0 04414T 27 87 0 04414T 27 87 C C6 6H H6 6 C CP P 0 1067T 103 18 0 1067T 103 18 C C6 6H H5 5CHCH3 3 C CP P 0 03535T 124 85 0 03535T 124 85 4 4 在 在 3 3 的条件下 如甲苯最终转化率达到 的条件下 如甲苯最终转化率达到 70 70 试计算绝热反应器的出口温度 试计算绝热反应器的出口温度 解 解 1 1 绝热管式反应器反应物料温度 绝热管式反应器反应物料温度 T T 与转化率与转化率 X XA A的微分方程 的微分方程 0 r ArT A Apt wH dTdX M C A 式中式中 r rT H 为基准温度下的热效应 为基准温度下的热效应 C Cpt pt为反应物料在基准温度下与反应温度 为反应物料在基准温度下与反应温度 T T 之间的热容 之间的热容 w wA0 A0为组分 为组分 A A 的初始质量分率 的初始质量分率 M MA A为组分为组分 A A 的分子量 的分子量 2 2 如果不考虑热容 如果不考虑热容 C Cpt pt随物料组成及温度的变化 即用平均温度及平均组成下的热容 随物料组成及温度的变化 即用平均温度及平均组成下的热容 pt C 代代 替 则积分替 则积分 A A 式得 式得 00 AA TTXX B 式中 式中 T T0 0为反应入口 为反应入口 X XA0 A0为初始转化率 为初始转化率 0 r pt Ar T A wH M C 此时 此时 A A 式化为线性方程 当 式化为线性方程 当 X XA0 A0 0 0 时 又可写成 时 又可写成 0 A TTX 3 3 求绝热温升 已知 求绝热温升 已知 T T0 0 873K X 873K XA0 A0 0 A 0 A 表示关键组分甲苯 其初始摩尔分率表示关键组分甲苯 其初始摩尔分率 y yA0 A0 1 6 1 6 为计算为计算 方便将方便将 B B 式改写成 式改写成 0 0 0 Ar T pt yH TT C C C 此时此时 ptC 是以摩尔数为基准的 选入口是以摩尔数为基准的 选入口 T T0 0为基准温度 需求出反应热为基准温度 需求出反应热873 r H 以转化 以转化 1mol1mol 甲苯为计算基准 则有 甲苯为计算基准 则有 298 873 873 298298 873873 4997420 786 298873 0 03535124 85 0 0441427 87 0 1067103 18 80468 2 r HTdT TdTTdTJ mol 从基准温度从基准温度 T T0 0 到出口温度反应物料的平均热容为 到出口温度反应物料的平均热容为 2466 411 666 ptpHpCHpC HCCCC D 式中各组分热容为各组分从基准温度至出口温度的平均热容 其绝热温升 式中各组分热容为各组分从基准温度至出口温度的平均热容 其绝热温升 0873 1 680468 2 Ar ptpt yH CC E 因为反应出口未知 所以需将因为反应出口未知 所以需将 C D C D 及及 E E 式联立试差求解得 式联立试差求解得 222 K 4 4 在 在 3 3 的条件下 当 的条件下 当 X XA A 0 7 0 7 时 绝热反应器的出口温度 时 绝热反应器的出口温度 8732220 701028 4 j TK 4 184 18 氨水 氨水 A A 与环氧乙烷 与环氧乙烷 B B 反应以生产一乙醇胺 反应以生产一乙醇胺 M M 二乙醇胺 二乙醇胺 D D 及三乙醇胺 反应及三乙醇胺 反应 如下 如下 1 2 3 324222 22224222 22224223 k k k NHC H OH NCH CH OH H NCH CH OHC H OHN CH CH OH HN CH CH OHC H ON CCH CH OH 反应速率方程为 反应速率方程为 112233 ABMBDB rk C Crk C Crk C C 该反应系在等温下进行 目的产物为一乙醇胺 该反应系在等温下进行 目的产物为一乙醇胺 1 1 1 1 请你提出原料配比的原则 并说明理由 请你提出原料配比的原则 并说明理由 2 2 2 2 选定一种合适的反应器型式和操作方式 选定一种合适的反应器型式和操作方式 3 3 3 3 根据 根据 2 2 的结果 说明原料加入方式 的结果 说明原料加入方式 4 4 4 4 反应时间是否有所限制 为什么 反应时间是否有所限制 为什么 解 解 1 1 若提出原料配比原则 应分析其动力学特征 这里以 若提出原料配比原则 应分析其动力学特征 这里以 B B 为关键组分 目的产物为关键组分 目的产物 M M 的瞬间选择性 的瞬间选择性 2 1 32 11 1 1 M A DM AA k C k C S k Ck C k Ck C 由此看出由此看出 C CA A增大时 则增大时 则 S S 也增大 无疑 相对来说也增大 无疑 相对来说 C CB B减少 也就是说配比原则是 允许的条减少 也就是说配比原则是 允许的条 件下 尽量使件下 尽量使 A A 过量 过量 2 2 根据 根据 1 1 的结果 可选活塞流反应器 并使 的结果 可选活塞流反应器 并使 B B 从侧线分段进料 而从侧线分段进料 而 A A 从进口进料 采用从进口进料 采用 连续操作 如图所示 连续操作 如图所示 3 3 加料方式如 加料方式如 2 2 中的图示 中的图示 4 4 反应时间即停留时间有限制 因为目的产物 反应时间即停留时间有限制 因为目的产物 M M 为中间产物 存在最佳收率 为达到最大为中间产物 存在最佳收率 为达到最大 收率 须控制最佳反应时间 收率 须控制最佳反应时间 4 194 19 现有反应体积为现有反应体积为 1m1m3 3的活塞流反应器两个 拟用来分解浓度为的活塞流反应器两个 拟用来分解浓度为 3 2kmol m3 2kmol m3 3的过氧化氢的过氧化氢 异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮 该反应为一级不可逆反应 并在异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮 该反应为一级不可逆反应 并在 86 86 等温下进行 此时反应速等温下进行 此时反应速 率常数等于率常数等于 0 08s0 08s 1 1 过氧化氢异丙苯溶液处理量为 过氧化氢异丙苯溶液处理量为 2 4m2 4m3 3 min min 试计算下列各种情况下过氧化 试计算下列各种情况下过氧化 氢异丙苯溶液的转化率 氢异丙苯溶液的转化率 1 1 1 1 两个反应器串联操作 两个反应器串联操作 2 2 2 2 两个反应器并联操作 且保持两个反应器的原料处理量相同 即均等于两个反应器并联操作 且保持两个反应器的原料处理量相同 即均等于 1 21 2 m m3 3 min min 3 3 3 3 两个反应器并联操作 但两者原料处理量之比为两个反应器并联操作 但两者原料处理量之比为 1 1 2 2 即一个为 即一个为 0 80 8 m m3 3 min min 另一个则为另一个则为 1 61 6 m m3 3 min min 4 4 4 4 用一个反应体积为用一个反应体积为 2 2 m m3 3的活塞流反应器替代 的活塞流反应器替代 5 5 5 5 若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到 4 4 kmol mkmol m3 3 其余条件保持不变 那么 上列 其余条件保持不变 那么 上列 各种情况的计算结果是否改变 相应的苯酚产量是否改变 各种情况的计算结果是否改变 相应的苯酚产量是否改变 6 6 6 6 比较上列各项的计算结果并讨论之 从中你得到哪些结论 比较上列各项的计算结果并讨论之 从中你得到哪些结论 解 解 1 1 两个反应器串联操作如图示 两个反应器串联操作如图示 总反应体积为 总反应体积为 1 1 12000 00 AAfAf A XXX AAA rrrAAA X AAA dXdXdX VVVFFF RRR