反应工程作业题及答案

1、2.2在一管式反应器中常压300 oC等温下进行甲烷化反应:CO 2H2 CH4 H2O催化剂体积为10ml，原料气中CO的摩尔分数为3%，其余为N2、H2气体，改 变进口原料气流量Q。进行实验，测得出口 CO的转化率为解：管式反应器是流动反应器，反应速率 rACA0 -dXAdVrQo气体在高温低压下，可按理想气体进行计算CA0PaopyAo 1.013 105 0.03RT RT 8.314 573.1530.638mol/m只要求得Q0=50cm3/min时的 "人，就可得到相应的d%CO的转化速率QoVr/(m in)Qo0.120.1480.200.260.340.45X/

2、%203040506070已知Vr = 10ml，得到如下表格QoVr10500.2 min的点作切线，切线的斜率即为值，该值d虫Q作出X- V-曲线，在Q等于 1.97min 1ApiyJCAo 0.638 1.97 1.26mol/ m3|min d乞QoQo/(cm3/mi n)83.367.650.038.529.422.2X/%203040506070试求当进口原料气体体积流量为 50cm3/min时CO的转化速率。因为 A B， CAoCB°，贝U CACb2.4在等温下进行液相反应A B C D，在该条件下的反应速率方程为C C 1.5 i 0.5mol/ LiminA

3、°.8ca Cb若将A和B的初始浓度均为3mol/L的原料等体积混合后进行反应，求反应 4min 时A的转化率。Ca° Cb° 1.5mol/L解：初始浓度均为3mol/L的原料A和B等体积混合后,A°.8&5碍5 °.8cA液相反应可按恒容过程计算，有AdCAdt两式联立，求解2°.8cAdCAdt2°.8ca°XadCAo 1 Xadt°.8cA0Xa1.22d 1 XaCa°dtd 1 Xadt1.2dt1.21.21 Xa21XaXa1 Xa01 XaXad 1t40XaXa1X

4、aXa82.76%2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应:2AR1.6Ca式中R、D分别表示产物 R及D的生成速率, 其单位均为kmol/(m Jh)，反应用的原料为A与B的混合物，其中A的浓度为2 kmol/m 3，试计算A的转化率达95%时所需要的反应时间。解：由于反应器内进行的是复合反应,A的转化速率用RA计算2RAVAjR Va/Va22j 1R2rD1.6ca 2 8.2cA1.6ca 16.4cA对于恒容反应器,有AdCA"dTA Ra1.6Ca 16.4cAdCAdt1.6CA01 Xa16.4cA0XaCA0d 1 XadT"1.6 1Xa16.4Ca0 1

5、Xa1.6Xa32.8 1Xa 2d 1 XadT"1.6 1Xa1 20.5 1XaXadr1.6dtd 1 XaXa 1 20.5 1 Xat1.6 dt00.95 10d 1 Xa0.951.6t0.95 dXa01 XaIn 1 XAt 0.396hXA 1 20.5 1 XA0.950.9520.51Xad 1 XA1 20.5 1 XA20.51 20.5 1 XaIn 1 20.5 1课外练习：在均相等温液相聚合反应中单体的初始浓度为 消失20%，分析：（1）（2）（3） 一级反应。解：恒容过程的反应速率方程为dCA问单体的消失速率是多少?aXa0.95Xa0.4mol

6、/L 和 0.8mol/L 时，在 34min 内单体均液相反应，按恒容过程处理； 单体聚合，A 聚合物； 达到相同转化率时，反应时间与反应物料的初始浓度无关，表明该聚合反应为dt一级反应的反应速率方程为akCA两式联立，求解kCAdtdCA0 1 X Ad!Ca0d 1 Xak 1 X dtd 1 Xa kdt 1 Xa34k t 0 ln 1 Xak 0.0066 min 1d 1 Xadt0.20kCA0 1 X ArA kcA 0.0066camol/Limin3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯反应CH 3COOC 2H 5 +NaOHCH 3COONa+C 2 H 5OH该反应对乙

7、酸乙酯和氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及 氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L ,反应速率常数等于 5.6L/(mol min)，要求最终转化率达到 95%。试问:(1)当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间?若反应器的反应体积为 2 m3时，所需的反应时间又是多少？解:(1)等温间歇反应器是一个等容系统，反应体积恒定根据题意列出反应速率方程，rA5.6caCb，A和B分别代表乙酸乙酯及氢氧化钠已知Ca0Cb0 0.02mol / L， a b 1，贝U Ca Cb根据等温间歇反应器反应时间的计算式XAf dXA05.6ca4XAf dXAXAf dXAXAf dXAt Cao

8、CaoCa0 cCa00A0rA05.6caCbXAfdXA1 XAf dXACa0 0 5.6Cao2 1 Xa 25.6cao 01 Xa 2XAf5.6Ca0 1 XA 00.951 XAf d 1 Xa115.6Cao 01 XA5.6Cao 1 XA 01 XAf0.95.169.6min 5.6cA0 1 XAf 5.6 O.O2 1 0.95(2)由于间歇反应器中反应物达到一定的转化率所需的反应时间只取决于动力学因素，与反应器的大小无关，所以当Vr=2m3时，所需的反应时间仍为169.6min。3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应以生产乙二 醇，产量为20kg/h。使用

9、15% (质量)的NaHCO 3水溶液及30%(质量)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，混合液的相对密度为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 5.2L/(mol h)。要求转化率达到 95%。(1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。(2)若装填系数取0.75,试计算反应器的实际体积。解：将方程式写成A B C D E，其中A、B、C分别代表氯乙醇、碳酸氢钠、乙二醇，已知氯乙醇、碳酸氢钠、乙二醇的相对分子质量分别为80.5, 84 和62,则乙二醇的摩尔流量为：1° 0.3226kmol/h由于氯乙醇

10、和碳酸氢钠的转化量分别与乙二醇的生成量相等， 此求得氯乙醇水溶液和碳酸氢钠水溶液的质量流量氯乙醇水溶液的质量流量：0.3226 80.5 91.12kg/h 0.3 0.95碳酸氢钠水溶液的质量流量：0.3226 84 190.16kg/h0.15 0.95混合液的体积流量Q0 91.12 190.16 275.8L/h1.02CA0氯乙醇的初始浓度:O.3226 1000 1.23mol/L0.95 275.8由于反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1 : 1，则Cb0 Ca0 1.23mol/L ,A B 1,则CaCBXAf dXXAf cIXaACa0 0ACa0 05.2CaCbX

11、AfdXA1 XAfdXACA0 2 205.2Ca02 1 Xa 25.2Ca0 01 Xa 2X Af1丄XAf dXAt Ca0 0 CA0XAf dX0A5.2c?_15.2cA0XAf d 1 Xa01 XA5.2Ca0 1 Xa 0的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m 3。0.95t0 0.5h，则反应器的有效体积VrQo tto275.82.97 0.5957L若装填系数f 0.75，贝y反应器的实际体积V半需1276L-XAf 2.97h5.2Ca01 XAf5.2 1.23 1 0.953.9在间歇反应器中等温进行下列液相均相反应:A B RrR1.6cakmol/(m

12、3 h)2A DrD 8.2cA kmol/(m 3 h)rR和rD分别为产物D和R的生成速率。反应用的原料为A与B(1)计算A的转化率达到95%时所需的反应时间。tCaoXAf011.611.611.6A的转化率为95%时，R的收率是多少?若反应温度不变，要求 D的收率达到70%，能否办到?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 的反应时间相等，A的转化率是否可达到95？在全混反应器操作时，A的转化率如仍要求达到他条件不变，XAf0j=1dXA的收率是多少?95%，其XAfCao0dXArRdXArR2rD16Ca 164cA1.6ca 16.4cACaodXAXAf21

13、.6 1 Xa16.4Cao 1 Xa0 1.6 1X Af20 1.6Cao 1 Xa16.4cAo 1 XadXAXA 1 20.5 1XaXAf101 XaXAf00.95 d 1 Xa01 Xa盒5Exa20.51 20.5 1 XAd 1Xa丄 0.9520d1.6 01 20.5 1 XAXa丄1.60.396hIn 1Xa0.9500.951 20.5 1 XaS RA，1.6Ca1.6Ca 16.4cA11 10.25CA1 1O.25Cao 1 Xa1 20.5 1 Xa0YpfXAf-SdXA0.951 20.5 110.95XdXA20 01 20.5 1 XAd 1 2

14、0.5 1 XA20.5In20.5 10.95Xa11.52%DA28.2Ca1.6c, 16.4cA10.25CA1 10.25CAYDfXAfSdXAXAf0.95 120.5 1Xa0.95Xa20.5 1 XAdX120.5 11 20.5 1 Xa1 20.5 1 XA20.5 1 XA0.95083.48%1ln 120.570%Xa10.25CA0 1 Xa20.5 1 XA110.25Ca0 1 Xa120.5 1 XAhxA1 20.5 120.5 1XaXa0.95(4)对全混流反应器，若XAf 20.5 1 Xa dXA120.5 1 XAdXA0.396hVrQ0C0

15、 XAfQCA0XAfQ0A1.6Ca 16.4cACA0 X Af1.6CA0 1 XAf16.4cA0 1 XAfXAf21.6 1 X Af16.4ca0 1 X Af0.396hXAf 77.84% 95%(5)在全混流反应器中，若XAf0.95%YRfS0XAfSXAf1 20.5 1 XA0.95XAf 1 20.5 1 0.9546.9%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2A B， rA 68cA， kmol/(m 3 h)3g 14cb， kmol/(m h)进料中组分A的浓度为0.2 kmol/m 3，流量为4m3/h，要求A的最终转化率为90%，试问:(

16、1)总反应体积的最小值是多少?此时目的产物B的收率是多少?Vr解：VriVr2QoCao Xa1QoCao XA XA1A2 XA1A XA2QoCaoXa1AXa1QOCAO XA2XA1rA XA2QOkO XA1QoCao Xa2Xa1QOCAO XA1QoCao68Ca Xa168Ca Xa268cao1XaiXA2 XA12268CA0 1XA2令dV；0，得1Xa2 2已知 XA2 0.9，Xa10.741QCao x A1Vr 68cAo 1 Xa1 2QOCAOXA2XA168cAO 1 XA2QOXA168Cao 1Xa1QO XA2XA168cAO 1 XA24 0.741

17、68 0.2 120.7414 0.9 0.74120.9680.2 13.249 4.6767.925m3Bjrjj=134cA14CbCA1CA0Xa10.2 10.7410.0518kmol/m3B134cA114cB134 0.0518214 cB1 0.09123 14cB1Vr1CB1CB0Qo3.2494B1CB1CB10.09123 14cB10.00599kmol/m3B22 234ca2 14cb2 34cao 1 X a22 2 214cb2 34 0.22 1 0.914cb2 0.0136 14cb2VQo4.676B2Cb2 0.00599Cb20.0136 14c

18、b20.00126kmol/m3YbnB2 CB2nA0CA0辔6 1.26%4.乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳:CH3CHO CH4+CO0.1g/s的乙醛蒸汽在 520C、0.1MPa于管式反应器（PFR） 级不可逆反应，内分解,已知反应对乙醛为二k = 4.3m 3/kmol s,计算:35%乙醛分解所需的反应体积；90%乙醛分解所需的反应体积； 若为CSTR，则、结果如何？解：该反应为变容过程，为二级反应AkcAnAVnAVo 1yA0 aXa2Xa21yA0 A XAcA。1yA01，i/kcA1 XVa2Xa2A高温、低压下气相可按理想气体状态方程计算pVnRTPRTCaoVrQ0

19、CA0Xa00.1 1058.314 (520 273.15)31.5165mol/mdXAA XaFa0XakCA7 021 xa dXA Xa0.144 4.3 10 3 1.5165Xa21 Xa2Xa0.3485Xa4 lnXa4XaXaXadXAXa(1)当Xa0.35 时，Vr0.34854.78140.272m3(2)当Xa0.90 时，Vr0.348531.6949.650m3(3)若为CSTR，当XA0.35 ,Q0CA0 XAfFA0 X AfFA0 X Af12XAf0A XAf2 21 CA0 1 XAfk 1 XAfkCA0 1 XAf0.1 0.35210.353 2 244 4