反应工程答案第三章

1、3釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：CH3COOC2H5 NaOH > CH3COONa C2H5OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓 度均为 试问：(1)(2)0.02mol/l ，反应速率常数等于(1)t 二 CA0当反应器的反应体积为若反应器的反应体积为XAf dXA小Cao.5.61/mol.min 。要求最终转化率达到95%1m时，需要多长的反应时间？2 m，所需的反应时间又是多少？XAfdXA1 XA0kA°cAo(i_XA)2 一 kCA01_Xa解：(1)2.83h。( Ra)095169.6min(2.

2、83h)5.6 0.02 1 一 0.95因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为CA0氯乙醇初始浓度: 反应时间：拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应:3.2CH 2CICH 2OHNaHCO 3 > CH 2OHCH 2OHNaCl CO2以生产乙二醇，产量为20 kg/h，使用15% (重量)的NaHCO水溶液及30% (重 量)的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1： 1,混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反 应速率常数等于5.21/mol.h ，要求转化率达到95%(1) (1)若辅助时间为0.

3、5h，试计算反应器的有效体积；(2) (2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84和62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h0.3266汉 80.591.11kg/h每小时需氯乙醇：0.95 30%0.3266 汉 84190.2kg/h每小时需碳酸氢钠：0.95 15%91.11 190.2275.8l/h原料体积流量:1.020.3266 10001.231mol/1XAfdXA10.95.2.968h(1Xa)25.2 1.231 1 0.95反应体积：Vr = Qo(t t'P

4、275.8 (2.968 0.5“ 956.5l» Vr 956.5 V r1275lt 二 CA0XAfdXAkCACB1_ kCA0 0(2)(2)反应器的实际体积:f 0.750.95 275.83.3丙酸钠与盐酸的反应：C2H5COONa HCl = C2H5COOH NaCl时间，min010203050NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50r 等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为 1,为了确定反应进 行的程度，在不同的反应时间下取出 10ml反应液用0.51

5、5N的NaOH溶液滴定， 以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：，且丙酸 钠的转化率要达到平衡转化率的 90%试计算反应器的反应体积。假定（1 ）原 料装入以及加热至反应温度（50C）所需的时间为20min，且在加热过程中不进 行反应；（2）卸料及清洗时间为10min； （3）反应过程中反应物密度恒定。解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1: 1）为：0 515CaCb 二-；51- VNaOHmol/l10于是可求出A的平衡转化率：XCA0 一 CAe 525一105

6、 0 8XAe0.8Ca052.5Xa 二 XAe 90% = 0.8 90% =0.720.515CA 二 CA0(1XA)52.5 (1 0.72)=0.0515 14.7mol/l10现以丙酸浓度对时间作图： 由上图，当CA=0.0515 x 14.7mol/l时，所对应的反应时间为 48min。由于在同 样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应 器的反应时间也是48min。丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸钠的量为：112.6/0.72=156.4mol/min。原料处理量为：Q0 = F A0 /C A0 = 156 4/（0

7、 °515525） = 57 84l/min反应器体积：Vr 二 Q°（t t。）= 57.84 （18 20 10“ 45121实际反应体积：4512/ 0.8二5640l3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：A + Bt R14110003“ =1.1 * 10 exp（）CACBkmol/m .h其反应速率方程为：T式中组分A及B的浓度CA及CB以kmol/m3为单位，温度T的单位为K。该反应的 热效应等于-4000kJ/kmol。反应开始时溶液不含 R,组分A和B的浓度均等于0.04kmol/m3，反应混合物的平均热容按 4.102kJ/mK计算。反应开始

8、时反应混 合物的温度为50C。(1) (1)试计算A的转化率达85%寸所需的反应时间及此时的反应温度(2) (2)如果要求全部反应物都转化为产物 R,是否可能？为什么？ 解：T =ToCA0(H(Xa Xao)= 323十CF 00.04 ( 4000)X A4.102二 323 39.01XAXAf二 Cao 0dXA( Ra)XAf二 CAO 0dXAkCACdXA 11000(1)(1)k2/k 1；(2)(2)产物C的最大浓度；(3)(3)对应C的最大浓度时A的转化率。解:因为B过量，所以：CC=0.042kmol/m，试求：A _ rD 二 k1CA _ k2CCdtdCC'

9、16_ k2CC(A)(B)二 91.32h1411OOO221.1 10exp(-000)C；o(1Xa)2323 + 39.01X A(由数值积分得出)T = 323 39.01 0.85 二 356.2K 若A全部转化为R,即X=1.0,则由上面的积分式知，t-X,这显然是不可能 的。3.5在间歇反应器中进行液相反应:l*A 二 RiCaCbA + Bt cC BD rD = k2CCCBA的初始浓度为0.1kmol/m3,C, D的初始浓度为零，B过量，反应时间为ti时,CA=0.055kmol/m3， C=0.038 kmol/m 3，而反应时间为 12 时，C=0.01 kmol/

10、m 3, 3A = k1CA, rD 二 k2CC , rC 二 恒容时：(B)式除以(A)式得:dCCk2Cc1 ；dCAKCA解此微分方程得：k2Ca1CaCA0(C)将tl,CA,Cc及t2,CA,Cc数据代入(C)式化简得:0.42 0.55x 一 0.38 0 10.42 0550.38 01解之得：x = k =0.525=喧k,k,(2) 先求出最大转化率：1XA,max " (A)"1 =0.7425k2(3) 产物C的最大收率：1竺1YC,max =.KXaF1 -(Xa) = 04905一k1产物C的最大浓度：3Cc,max 二 CA°Yc,m

11、ax 二 0.1 0.4905 二 0.0491kmol/m3.6在等温间歇反应器中进行液相反应A<| = 1 出 T A2 A3初始的反应物料中不含A和A，A的浓度为2mol/l ,在反应温度下ki=4.0min-1 ,k 2=3.6min-1 ,k 3=1.5min-1。试求:（1）（ 1）反应时间为1.0min时，反应物系的组成。（2）（ 2）反应时间无限延长时，反应物系的组成。（3）（ 3）将上述反应改为 几一旦t A?二出t A3反应时间无限延长时，反应物系的组成。解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后进行求解。但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：A/

12、k1 > A/ k A3(A)1当k2 -0时，（A）式变为几一A2 " A3(B)当k1 - 0时，（A）式变为A1 'A2 二 A3(C)当k1 0，k2 0时，（A）式变为A A A3(D)其中式（D）即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到（A）式的解，则可容易化简得到（B）,（C）及（D）式的解。对于（A）式，可列出如下微分方程组：dt匝二 g k2C3 - k；C2 - k2C2dtdC3dt = k2C2 - k2C3由题意知初始条件为：Ci（0） *0，C2（0）二 C3（0） =0联立求解此微分方程组可得：C1=C1° 丛童 L（二 K）k

13、2)e 上(0 +k2)JT| 屮+匕)J(B +k2)e%T” JjC 丛 & （ k2）e10 、汁 二.卩，一C _C JkK煦严 eUC 厂 57-式中，,'由如下式确定：=k1k2 k（k2 k；k； -（k1 k1 k2 k2）现在可用上述结果对本题进行计算：k4.0min匕=3.6min',k2 = 1 5minJ,k2 二 0,t =1min '（9）式得二 0.5592mol/lC2(8)(9)(1) 由(5)，C A1CA2 5098mol/lCA3 =0931mol /1(2) 当t -X时，由(5)(9)式得Cai = Ca2 = 0 C

14、A3 、2.0mol /1(3) 此时为k，= 0的情况，当t x时，由匕=4.0巾泊一1, k2 =1.5min ,k2 = 3.6min _1 得：CA1 二 0CA2 = 1.412mol /1CA3 二 0.588mol /13.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应:A 2B RrR 二 k1CAcB2A B > SrS = k2CAC目的产物为R, B的价格远较A贵且不易回收，试问:(1) ( 1)如何选择原料配比？(2) ( 2)若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好?(3) ( 3)若用半间歇反应器，加料方式又如何？S解: ( 1)k1CACBkiCAC b2k2C

15、ACB112k2CAk1CB由上式知，欲使S增加，需使CA低，Cb高，但由于B的价格高且不易回收，故 应按主反应的计量比投料为好(2)保证CA低，Cb高，故可用下图所示的多釜串联方式:(3) 用半间歇反应器，若欲使 CA低，G高，可以将B一次先加入反应器，然后 滴加A.3.8在一个体积为3001的反应器中86C等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧 化氢异丙苯溶液分解：C6H5C(CH3)2COH > CH3COCH3 C6H5OH生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s-1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量。(1) (1)如果这个反应器是间歇操作

16、反应器，并设辅助操作时间为15mi n;(2) (2)如果是全混流反应器；(3) (3)试比较上二问的计算结果；(4) (4)若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？ 解：(1)二 CAO 0XAfdXA( Ra)"CAO 0XAfdXAkA0CA0(1 - X A)k1Xa1In56.37s = 0 94min0.81- 0989Vr 二 Qo(t t。)=Q°(0.94 15) = 3001Qo =300/15.94 =18.82l/min浓度 C苯酚二 CaqX a 二 3.2 0.989 二 3.165mol /1苯酚产量 Q0C苯酚=18.82 3.

17、165 = 59.56mol/min = 335.9kg/h(2)全混流反应器，”Q0C A0X AfQ0X AfVrkCA0(1 XaJ k(1XAf)=0.2669l/s= 16.021/minVrk(1 - X Af)300 0.08(1 - 0.989)XAf0.989苯酚产量 Q0C苯酚二 1602 3.2 0.989 二 50.69mol/min 二 2859kg/h（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低， 反应速度慢的原因。（4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反 应器，其原料处理量不变，但由于 CAb增加一倍，故C苯酚

18、也增加一倍，故上述两 个反应器中苯酚的产量均增加一倍。3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：3A BRrR = 1.6CAkmol/m .h2At DrD = 8.2C；kmol/m3.h5及5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%寸所需的反应时间；（2）（ 2） A的转化率为95%寸，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

19、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1m，A为o.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=24.23minS 二（dCR）/（ _jCA）= dCR4.661_R dt dtdCA1. 6Ca 16.4CA 1 10.25CACA 二 CA0（1 XA） = 2（1 0.95） = 0.1kmol/m3CA叮C -SRdCA =C A0221 10.25CA110

20、.25ln(1 10.25Ca)2.1二 0.2305kmol/m3“ _ CR 0.2305CA02若转化率仍为0.95，a 2汇 8.2CaSd =二 0.1153D的收率:1.6 16.4Ca且温度为常数，则D的瞬时选择性为:32.8（1 一 Xa）34.4 32.8XaXAf0SDdX A 二；95 誥歆 ZT0.7这说明能使D的收率达到70%(4)对全混流反应器，若使T =t=0.3958h，则有CA0 CA0.3958 二21.6CA +16 4CA解之得：G=0.4433Xa = Ca0 -Ca = 0.7784Y 0.95 所以：CA0这说明在这种情况下转化率达不到(5)(5)

21、对全混流反应器，若XAfYr 二 SXAf95%X=0.95,则R的收率为：0.95=0.4691 1 1025CAo(1 一 XAf)1 1025 2(1 - 0.95)(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：d(V (16Ca 164CA)V gCA0对 A:dt对R:dIV-1 .6CaV=0dtV =V° Q°tV0 二 1m3在反应时间(t=0.4038h,为方便起见取t0.4h )内将0.4 m3的A均速加入反Q0 二04 = 1m3/h应器内，故

22、04采用间歇釜操作时，原料为 A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m.现采用半间 歇釜操作，且Vb二1m'，VA二°4m，故可算出原料A的浓度为：C _(1 0.4) 2C A0rfn(1)(3)0.4kmol/m3由于：d(VCA)C adtd(VCR)dVdCAdtdtdVdCR= C rdtdt dtdV 门dTQ。代入(1)，(2)式则得如下一阶非线性微分方程组:dCa 7 Ca2dt 1 tAA(4)dCR=1 6Ca-“(5)dta 1 t初始条件：t=O,C a=O,Cr=O可用龙格-库塔法进行数值求解。取步长厶t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。 用

23、t=0.4h 时的CA和Cr可以进行A的转化率和R的收率计算：Na。NaNaoCaoVa CaVCaoV a式中 W为所加入的 A的体积，且 V=0.4m3;CA0为所加入的CA0=7kmol/m3; V为反应结束时物系的体积，V=1.4m30A的浓度，且同理可以计算出R的收率:CrVC aoVa3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应:rA = 68C；kmol/m3 .hB RrR = 14CBkmol/m3 .h加料中组分A的浓度为0.2kmol/m3,流量为4nVh,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

24、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)Vr2QoCAOXai+ QoCAO( X A2 - X A1)kiC：0(1Xai)2k2CA°(1XA2)2对上式求dVr/dXA1=0可得:1 Xa11_Xa11(1Xa2)2将 Xa2=0.9 代入上式，则 100(1 一 XA1)XA1 解之得Xa1=0.741所以总反应体积的最小值为40.74168 02 (10741)209 一 0.741(1一09)2 -二 3.249 4.676 二 7.925m3Rb =34C；14CbCA1 二 CA0(1 一 XAf

25、)二 0.0518RB1 H34C： 14CB1 =0.09123 14CB1C B1 一 C B0Qo3249CB1即40.09123-14CB1解得 Cbi=0.005992 kmol/mCB2 C B14.676同理34Ca2 - 14CB2CB2 一 000599234CA0（1 一 XA2）- 14CB2解得 Cb2=0.00126 kmol/mB的收率:2 0.0012602=1.26%目标函数改为B的收率，这时的计算步骤如下：对于第 衡算方程分别为：i个釜，组分A,B的对A:CAi -1 CAi68C：CBi _ CBi .J2对 B： 34CAi - 14CBi当i=1时，CA

26、0 - CA12168CA11CB134CAi 14Cbi当i=2时,CA1 - CA268C2 A2CB234C：2 14Cb2由（1）式解出CAi代入（2）式可解出CBi；由（1）式解出（1）（2）（3）（4）CAi代入（3）式可解出02；将CB1及CA2代入（4 ）式可解出CB2,其为T 1 , T 2的函数，即CB2 = f （CAO，1，2）（ 5）式中CAo为常数。由题意，欲使CB2最大，则需对上述二元函数求极值：9B2=0联立上述两个方程可以求出T 1及T 2。题中已给出Q,故由Vr =Q0（r 2）可求 出CB2最大时反应器系统的总体积。将 T 1, T 2代入（5）式即可求出

27、B的最高浓 度，从而可进一步求出 YBmaX将T 1, T 2代入CA2，则由Xa2=（Ca0-Ca2）/C A0可求出最终 转化率。3.11在反应体积为 490cm的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应:4NH 3 6HCH0 > (CH2)6N4 6H2O式中(A) -NH3,(B) HCHC反应速率方程为：2rA 二 kCACB mol/l.s式中k, .42 103exp(-3O90/T)。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为 1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量进入反应器，反应温度可取为36 °C,假设该系统密度恒定，试求氨的转化率Xa及

28、反应器出口物料中氨和甲醛的浓度G及Cbo解：Cao = 4.06 二 2.03 mol / l2632C B03.16 mol /123Q0 = 2 1.5 = 30cm /sCa =Cao(1 Xa)二 Cbo 6CaoXa = 316 15 2.03Xa4k = 1.42 103exp( -3090/ 309) = 0.06447Q0C A0X Af Q0CA0X AfkCACB kCA0(1 - Xa)(Cbo - ：CaoXa)243XAf4902即得:0.06447(1 XAf )(3.16 1.5汉 2.03XAf )2 整理得：xAf 一3.075X：f 3.162XAf 1.0

29、77=0解得：XAf=0.821反应器出口 A,B得浓度分别为：CA =CA0(1 XA) =2.03 (10.821)= 0.3634mol/lCB 二 CB0 一 6CA0XA = 3.16 1.5 2.03 0.821 = 0.6602mol/l43.12在一多釜串联系统，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应。各 个反应器的体积均为0.01m3，反应温度为100C，酯化反应的速率常数为 4.76x 10-4l/mol.min,逆反应(酯的水解)的速率常数为1.63 x 10-4 l/mol.min 。反应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60%求此串联

30、系统釜的数目。 解：等体积的多釜串联系统k1CACB _ k2CCCD(A)CAi -A CAiA,B,C,D分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。由计量关系得:CB = CB0 （CA0 CA）二 Cao从已知条件计算出:1.8 疋 864CA06.48 mol /14.0 602.2 況 864C B010.33 mol/l4.0 460.01 864 604.0=129.6min将上述数据代入（A）式，化简后得到:CAi=0.04056C： 1.5113CAj 一 0.887(B)2若 i=i，则(B)式变为：0.04056Ca1 * 1 5113Ca10887 = Cao=6.48解之得：CA1

31、 =4.364mol/l,XA厂 0.3262若 i=2，则(B)式变为：004056CA2 + 4.5113CA2 0887 = CA1 = 4364解之得：CA2 二 3.20mol/l,XA1 = 0.5062若 i=3,则(B)式变为：004056CA3 + 4.511363 一 0887 二 CA2 = 32解之得：CA3 二 2.53mol/l,XA1 = 0.609即：三釜串联能满足要求3.13以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台 反应釜，一台的反应体积为3nn,另一台则为1ml。现拟将它们用来生产醋酸丁酯， 初步决定采用等温连续操作，原料中醋酸的0.

32、浓度为0.15kmol/m3, 丁酯则大量 过剩，该反应对醋酸为 2级，在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol ，要求醋酸的最终转化率不小于 50%这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采 用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？为什么？试计算你所选用的方案得到 的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应 如何？解：因为反应级数大于1,所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才能使醋酸 丁酯产量最大。现进行计算：V1QoC A0 X A1kcAo(1Xa1 )21QoVr2QoCA0( X A2 - X A1 )_3kcAo(1 Xa2)2二式联立化简后得到：（将

33、淹2=0.5代入）0.5 一2.75XA1 2.5XA“ 一 xA厂 0解之得：沧=0.223©(1"叽Xai1.2 0.15(1 0223)2 10.223二 0.4873m3/h醋酸丁酯产量=Q0Ca0Xa2 = 0.4873 0.15 0.5 = 36.55 mol/h如果进行的是一级反应，可进行如下计算：（1）（ 1）小反应器在前，大反应器在后：C A0X A1 kCA0(1 Xa1)Vr2Ca°(Xa2-Xa1)3Q0kCA0(1 - XA2) Q0联立二式，且将Xa2=0.5代入，化简后得到：X：4 3XA10.5 = 0解得：Xai=0.1771k(

34、1- XaJXa1所以有:叽。.1771 5.5760.1771m3/h醋酸丁酯产量=Q°Ca0Xa2 = 5.576 0.15 0.5 = 0.4182 kmol /h（2）大反应器在前，小反应器在后：VMCA0XA1kCA0(1 _ XA1)Vr2CA0（XA2 一人1）1Q0kCA0(1 - XA2) Q0解得 Xai=0.39243k(1XA1)3 5.2(1 0.3924)5前5Q0所以有：Xa1产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。0.3924m3/h3.14等温下进行1.5级液相不可逆反应：B C。反应速率常数等于5mT/kmol 1.5.h， A的浓度为2km

35、ol/m3的溶液进入反应装置的流量为 1.5m3/h，试 分别计算下列情况下A的转化率达95%寸所需的反应体积：（1）全混流反应器;（2） 两个等体积的全混流反应器串联；（3）保证总反应体积最小的前提下，两个全 混流反应器串联。解：（1）全混流反应器VrQ0Ca0X akcAXA)1.51.5 2 0.955 21.5 (1 - 0.95)1.5二 18.02VMQ0C A0X A1Vr2-kcAM - Xa1)1.5_ Q0C A0 ( X A2 - X A1 )kC；5(1 -Xa2)"5由于V"二Vr2，所以由上二式得：Xa1 _(Xa2Xa1) (1XA1)1.5(

36、1XA2)1.5将XA2=0.95代入上式，化简后得到Q0cA0Xa12.379r1kCA0(1 - XaF5串联系统总体积为：Vr二2Vr 4.758Xai=0.8245，所以:(3)(3)此时的情况同(1)，即Vr =18.033.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为 20ni的全混流反应器, 进行液相反应：rA = k1C ArD = k2C RQCr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，ki=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。

37、解：込 40min0.5VrQoXaCA0X AkiCA0(1Xa)0 1(1 X a)XA = 080,C CAo(1 一 Xa) = 002kmol/m3CR所以:2 = 40 k1CA - 2k2CR即为：100CA Cr 0.0 8=0CR =0.02372kmol/m3CR 0.02372Yr r0.2372Ca0 0.13.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应:2A= B2b = kiC - k?CB进料速率为0.69g/c m 3(1)( 1)(2)( 2)LrA + C t Dm = ksC aCc360l/h,其中含25%A,5%（均按质量百分率计算），料液密度等于 若出

38、料中A的转化率为92%试计算： 所需的反应体积；5B及D的收率。已知操作温度下，k1=6.85 x 10 l/mol.s;k2=1.296 x 10-9s-1; k3=1.173 x 10-5|/mol.s ;B 的分子量为 140;D的分子量为 140。 解：因 MI=MD=140,所以 M=M=70=3 = 360 °69 020.8871kmol/h MaF A070CA0也8871 1000 = 2.46mol/l360Fco_QWc_ Mc360 0.69 0.0J。.imol/h70CA0沁卫喚 0.4929mol/l360CA0X A(1)2(kiC _ kzCb) k

39、sCaCc2Cb(2)k1CA - k2CB= CC0Cc由( 2),CBk3CACC(3)式分别得:=K Ca(3)(4)CC0将(4),=3.8311 k3 Ca（5）式及上述数据代入（1）式，可整理为T的代数方程式，解之得Tx 105s=106.4h(5)(1)(1)反应体积 Vr = Q0 二 106.4 360 二 38300l 二 38.30m3（2）将T代入（4）式得CB二1016mol/l，所以B的收率为: 2Cb 2 1.016旦82.60%Ca02.46对A作物料衡算：CA0 _CA =2CB ' CD所以有：(2)YbCd - C ao - Ca - 2Cb =

40、CaoX - 2C = 2.46 092-2 1.016 = 02312mol/1所以D的收率为:CA00.23122.46二 940%3.17在CSTR中进行下述反应：c6h6 ci2 k1 > c6h5ci hci(B)(C)(M)(H)c6h5ci ci2 k2c6h4ci2 hci (M)(C)(D)(H)c6h4ci2 ci2 k3 > c6h3ci3 hci (D)(C)仃)(H)如果 k1/k 2=8, k2/k 3=30,CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1.4 ,刘 t =1 l/mol,( 为空时)，试计算反应器出口 B,M,D,T,C的浓度。各个反应

41、对各反应物均为一级。解.Cb0 = 1°kmol / m , k1 / - 8,k2 /- 30,Cc。/Cb° 二 1.4, k - 1分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：B =CB0 _ CB C = CB0&CbCc ' B 1 Cck1(1)(2)(3)TCMCDD:D,Cdk2CCCM - k3CDCCT :C1,CT 二丄CcCDksCcCD30C :Cc =CC0 -CM - 2C D 3CT由(5)式得：(1)_ 8CbCC_ 8Cc30CcCm240 CC4.4CB0 = CC CM2C D 3CT = CC联立(1),(2), (

42、3)，,由(2)式得:CM(3)式得:Cd(1)，,(8)8CBCC 60CCCM _1 Cc C d 8 Cc 240 Cc 10(6)式(五个方程，五个未知数)： 8CbCc8 Cc(1 Cc)(8 Cc)8C B0CC30CcC m2240CB0CC240 Cc(240 Cc)(1 Cc )(8 Cc ) (8)式代入(6)得：8C b qCc1.4Cbo = Cc(1 Cc)(8 Cc)整理得：CC ' 475CC ' 3562CC解得：0=0.908 kmol/m 32480CbqCc24CbqCC(240 Cc)(1 CJ(8 Cc) (240 Cc )(1 CJ(

43、8 CJ-9232CC - 26880 二 0代入（1）式得:CB10=2.301kmol/m313.345代入（7）式得:CM8 2301 3345 = 5.427kmol/m38 3.345代入（8）式得:CD30 3.345 5.42一 2.238kmol/m3 240 3.345代入（4）1X30=CC C M 2C D 3CTCt3.345 2.238 = 00312kmol / m3式得：验证：1.4CB01.4 10 =3.345 5.4272 2.2383 0.0312即:14.0 二 14.03. 18根据例题3.12中规定的条件和给定数据，使用图解法分析此反应条 件下是否存

44、在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率，使原料以0.001m/s的流速连续进入反应器，其它条件不变，试讨论定态问题，在什么情况下 出现三个定态点？是否可能实现？解：由例3.11,3.12知：-Ra 二 kCACB =1.37 10 exp（-12628/T）CACBkmol/m3.sT厂 326K,Q0 二 0.01m3/h,Vr 二 2.65m3CA0 =4.55kmol/m3,CB0 =5.34kmol/m3Hr =-33 5kJ/mol = 33.5 103kJ/kmolCpt 二 1980kJ/m3.K移热速率方程：qr =Q0 9 Pt(T -T0)=19.8(T - 326)

45、放热速率方程：qg 十 Hr)(-RA)Vr312= 33.5 103 1.37 10 exp(-12628/T)CAo(1-Xa)(Cbo-CaqXa) 2.65T -To 二Cao(- ' H r)Xa绝热操作方程: 由（3）式得：Xa2 ptCao(- Hr)(T -To)(1)(3)(4)（4） （4） 代入（2）式得:b =33.5"0x1.37"012exp(12628/T)CA0 1pt(T T0)Cao(-也Hr)PC ptI154 2Cbo (T -To) 1x2.65 = 553.3x10 exp(12628/T)(128.8-0.6291T +

46、 7.677x 10_T )(-Hr)'-(5)由(1)式及(5)式作图得:T326330340350360362.5365367.5370qg44.163.87149.7314.8586.7670.8756.8851.8942.1由上图可知，此反应条件下存在着两个定态点。如果为了提高顺丁烯二酸酐的 转化率，使Q=O.OOim7s,而保持其它条件不变，则这时的移热速率线如q'r所示。 由图可知，q'r与qg线无交点，即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。 从例3.11可知，该反应温度不得超过373K,因此从图上知，不可能出现三个定 态点的情况。3. 19根据习题3

47、.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续 操作。试问：(1) (1)在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少？为什么？(2) 若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变，所需空时为多少？能否直接应用3.3 中的动力学数据估算所需空时？(3) 若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为(2)中单釜操作时平 均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率。解：(1 )在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的 Vr=4512l,Q o=57.84l/min,则可求出空时为 t =4512/57.84=78min。此即间歇操作 时的(t+t °)。当改为连续操作时，转化率下降了，所以反应

48、器出口丙酸的浓度也 低于间歇反应器的结果。因Q0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。(2) 若维持Xa=0.72，则可由3.3题中的数据得出Xa=0.72时所对应的反应速率， 进而求出这时对应的空时t =246.2min。因题意要求丙酸产量不变，故Q不能变， 必须将反应器体积增大至14240 l才行。(3) 这时t 1=t /3=82.1min。利用3.3题中的数据，可求出RAXa之关系，列 表如下：Xa00.10.20.40.60.8-Ra0.1719 :0.13910.10960.06016:0.02363:0故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第

49、三釜出口丙酸钠的转化率为： Xa3=0.787。3. 20根据习题3.8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率 为98.9%,如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的转化率时，生产能力各增加多少？解：(1) 二个300 l全混串联釜，Xa2=0.989，QoXai300(1)k(1 Xa1)r20 = 300(2)解得：Xai=0.8951代入(1)式求出此系统的体积流量:Q,2300 0.08(1 0.8951)0.8951二 2.812l/s= 168.71 /min3.8题中已算出Q,1 =1602l/min。因为最终转化率相同，故生产能力增加 168.7/16

50、.02=10.53 倍。2)二个3001釜并联，在最终转化率相同时，Q增加一倍，生产能力也增加一 倍。3. 21在反应体积为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应，进料体 积流量为0.05 mi/min,醋酐浓度为0.22kmol/应温度为25C,出料温度为36C, 该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：k=1.8 x 10-7 exp(-5526/T),min-1反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m,热容可按2.94kJ/kg. °C计算。该反应 器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算：(1) (1)反应器出口物料中醋酐的浓度；(2) (2)单位时间内反应器向大气散出的热量。解：To 二 298K,T 二 309K,Q0 二 005m3/minHr= 209 103kJ/kmolk = 1.8 107exp(-5526/309) = 0 308(1) (1)求转化率：QOXAfVr _ k(1_XAf)0.05XAf0.308(1 一 XAf)= 0.75解得:XAf=0.8221反应器出口物料中醋酐浓度:Ca 二 CA0(1 一 XA)二 0.22(1 一 0.8221)= 0.03914<mol/m3(2)