化学反应工程原理(华东理工大学版)第二版第八章答案

化学反应工程原理(华东理工大学版)第二版第八章答案 华东版 3-1 解：cA0kt?xA1?xA ?1把数据代入得cA0k?0.2min 当xA=0.75时解得t=15min 所以，增加的时间为15-5=10min 3-2 解：?1?xA?1?nn?1?1?n?1?cA0kt （式A） 把xA=0.75和t=10min代入解得cA0k?0.1 再把t=30min代入（式A）解得xA=1.25 所以，转化率应为1 3-3 解：设反应动力学方程为：? 则?1?xA?1?nn?1dcAn ?kcAdtn?1?1?n?1?cA0kt，且cA0=1 ?1?0.8?1?n?1?k8因此有 1?n?1?0.9?1?n?1?k18 解得：n=2;k=0.5L/molmin 3-4 1）计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度cA0、cB0、cS0（注意进料中水的浓度cS0不为0）。 2）列出当酸的转化率为xA时，各组分浓度的表示式： -11?n cA?cA0?1?xA? cB?cB0?cA0xA cR?cA0xA cS?cS0?cA0xA 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式，得 dxA2 ?7.93?10?6?10.2?20.1xA?2.58xA?dt 4）计算转化率达35%所需的时间为 t?0.35 0dxA ?627.93?1010.2?20.1xA?2.58xA上述积分可查积分表用公式计算，也可用MATLAB语言的quad解算子计算，结果为 t?7153s?2h 5）计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数，再计算每m3反应体积每天的生产量，然 后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 VR=51.9m3 3-5 1)设酯的平衡转化率为xAe，将平衡时各组分浓度代入化学平衡方程得： 21.1512xAe?0.219 1.1511?xAe48.76?1.151xAe化简上述方程并求解得 xAe?90.8% 2）此题解法与3-4中的步骤24相同，答案为t=276min 3）此时各组分的浓度为 酯：0.207mol/L；水：47.816 mol/L；醇、酸：0.910 mol/L； 反应物系的组成为 酯：0.414%；水：95.80%；醇、酸：1.82%； 3-6 对可逆放热反应，当反应温度过低时，因反应速率过低转化率偏低，当反应温度过高时，转化率又会受化学平衡的限制。所以，对一定的平均停留时间都存在一能达到最高转化率的最优反应温度。对本题此最优反应温度可用解析法求解。 1） 列出反应器的物料衡算方程 qV?cA0?cA?VR?rA? 将反应动力学方程代入，后可得 xA?k?T?1?k?T?k?T? 式（A） 2） 对上式求导，并令导数为零 ?dkdk?dk?1?k?k?k?dTdTdTdxA? ?2dT?1?k?k? dkkE将上式展开，并将代入，化简后可得 ?2dTRT ?E2E1?ln? RT?k20?E2?E1? 于是Topt?E2 ?E1Rln?k?E?E2021?12405 ?325K 10000?ln?15?5.254?10?2405?30? 3）计算最优反应温度下的转化率。将T=325K代入式（A） xA?k?T? 1?k?T?k?T?6.92?10e?1?6.92?1012e?10000?32512?10000325?3012405?325?30?5.254?1015e?30? =63.5% 3-7 解：依题意知，反应时间相同的情况下，虽然初始浓度不同，但转化率都相同，因此该反应应为一级反应。所以： t?11 lnk1?xA 把数据代入解得：k=0.00656min-1 3-8 3-11 dA?kAS dt dA依题意知：?kA?0.7?A? dt解：? dx因为：?2?C ax?bx?c? 合并同类项并定积分得：11.3?1.4ln?2.4k?293K?0.71.3 11.24?1.4ln?0.434k?310K?0.71.24 ?E RT ?根据阿累尼乌斯公式：k?k0e 可解得E66KJ 3-12 dcA 解：?k1cA Bk2cB化简得： 积分得： dcAdcBk1? cAcBk2 3-13 解：cA0kt? xA1?xA 把数据代入得cA0k?0.2min?1 当xA=0.75时解得t=15min 所以，增加的时间为15-5=10min 3-2 解：?1?xA? 1?n ?1?n?1?cA0kt （式A） n?1 n?1 把xA=0.75和t=10min代入解得cAk?0.1 0 再把t=30min代入（式A）解得xA=1.25 所以，转化率应为1 3-3 解：设反应动力学方程为：?则?1?xA?因此有 1?n n?1 dcAdt ?kcA n ?1?n?1?cA0kt，且cA0=1 1?n ?1?0.8?1?n?1?k8?1?n?1?k18 ?1?0.9? 1?n 解得：n=2;k=0.5L/molmin-1 3-4 1）计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度cA0、cB0、cS0（注意进料中水的浓度cS0不为0）。 2）列出当酸的转化率为xA时，各组分浓度的表示式： cA?cA0?1?xA?cB?cB0?cA0xAcR?cA0xA cS?cS0?cA0xA 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式，得 dxAdt ?7.93?10 ?6 ?10.2?20.1x dxA A ?2.58xA? 2 4）计算转化率达35%所需的时间为 t? ? 0.350 7.93?10 ?6 ?10.2?20.1x A ?2.58x 2A ? 上述积分可查积分表用公式计算，也可用MATLAB语言的quad解算子计算，结果为 t?7153s?2h 5）计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数，再计算每m3反应体积每天的生产量，然后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 VR=51.9m3 1)设酯的平衡转化率为xAe，将平衡时各组分浓度代入化学平衡方程得： 1.151xAe 1.151?1?xAe?48.76?1.151xAe? 2 2 ?0.219 化简上述方程并求解得 xAe?90.8% 2）此题解法与3-4中的步骤24相同，答案为t=276min 3）此时各组分的浓度为 酯：0.207mol/L；水：47.816 mol/L；醇、酸：0.910 mol/L； 反应物系的组成为 酯：0.414%；水：95.80%；醇、酸：1.82%； 3-6 对可逆放热反应，当反应温度过低时，因反应速率过低转化率偏低，当反应温度过高时，转化率又会受化学平衡的限制。所以，对一定的平均停留时间都存在一能达到最高转化率的最优反应温度。对本题此最优反应温度可用解析法求解。 1） 列出反应器的物料衡算方程 qV?cA0?cA?VR?rA? 将反应动力学方程代入，后可得 xA? k?T? ? ?1?k?T?k?T? 式（A） 2） 对上式求导，并令导数为零 dxAdT ? ?dkdk? ?1?k?k?k?dTdT?dT dk ? ?1?k?k? ?dkkE ?将上式展开，并将代入，化简后可得 2 dTRT ? ? 2 ? ?E1 ?ln? RT?k20?E2?E1?E2 于是Topt? E2 ?E1 Rln? k?E?E?21?20 ? 12405 10000? ln?15 ?5.254?10?2405?30? ?325K 3）计算最优反应温度下的转化率。将T=325K代入式（A） k?T? ? 1?kT?k?T? xA? ? 6.92?10e 12 ? 10000325 ?30 ? ?30? 1000012405?1215 1?6.92?10e325?30?5.254?10e325 ? =63.5% 3-7 解：依题意知，反应时间相同的情况下，虽然初始浓度不同，但转化率都相同，因此该反应应为一级反应。所以： t? 1kln 11?xA -1 把数据代入解得：k=0.00656min 3-8 3-11 解：? dAdt ?kAS dAdt ?kA?0.7?A? 依题意知：? 因为：? dxax?bx?c 2 ? ?C ? 10.710.7 lnln ?E 1.3?1.41.31.24?1.41.24 ?2.4k?293K? 合并同类项并定积分得： ? ?0.434k?310K? 根据阿累尼乌斯公式：k?k0eRT 可解得E66KJ 3-12 dcA 解： ?k1cA dcBk2cB dt 化简得：积分得： dcAcA ? dcBk1cBk2 3-13 华理版 6-1 解：t?100?10min 10 F?t?1?e?t/ 所以，停留时间为01min的分率为 F?1?1?e?1/10 停留时间为210min的分率为 F?10?F?2?e?10/10?e?2/10 停留时间大于30min的分率为 1?F?30?e?30/10 6-2 解：将数据绘成f(t) t图 从曲线形状可知，该反应系统接近于PFR和CSTR的组合模型，当t1min时，反应器出口响应为0，说明此为平推流，设Vp为PFR总分的体积，则 Vp v0?1.0 Vp?1.0v0?1.0?50?50L 当t1min时，曲线形状呈指数衰减，如将t=1min以后的数据按lnf(t) t作图，可得一直线，直线的斜率为1，即为全混流总分的平均停留时间，所以全混流部分容积Vm为 Vm=1.050=50L 所以该反应器系统模型为PFR与CSTR串联，容积Vp、Vm各为50L，相应停留时间均为1min。 6-3 c? 解：CSTR 中均相二级反应=?=0.435 c00即转化率为0.565 ?1c1?ec0k?ei?CSTR中固相二级反应：c0c0k?c0k? 6-4 解：?c?t?c?f?t?dt 0c0c01? ? 根据动力学方程可知，c?t? c01/2?2c0?kt?，f(t)=0.5 2c0? 22 代入已知条件，c?t? c01/2?2c0?kt?2?= ?1?t? ?2c0? ?c?t?2c2?f?t?dt=?1?t?dt=0.667 00c0c0 所以转化率为xA