化工反应工程答案

1、4管式反应器4.1在常压及800r等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：C6H5CH3 H2 c6h6 CH4在反应条件下该反应的速率方程为：r 1.5CTcH.5,mol /l .s式中G及G分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯 与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径为 50mm试计算甲苯最终转化率为 95% 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1，即：CT0 CH 0，则有： CT CH CT0(1 示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：PT00.5 1.013 105RT 8.314Q°Ct0 2/

2、 2所以，所需反应器体积为：XtVr Q0CT0 0Xt)CT0103 1073 5.681kmol /h 0.27810 3kmol / m310 3kmol /s30.278 10dXT1.5CtCH.50.95Q0CT0dXTxt dXT0 1.5CT.5c3 15150.432901.5(5.68 10 3) (1 XT)3.006d21531.1m所以，反应器的长度为：0.05 3.14/4(1 T 1 3.006m31.5 14.2根据习题3.2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，

3、可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：Q0275.8l /h所以，所需反应器体积：XaCA0 1.231mol / IV rQ0C A0 0dXAkC A0(1 XA)(CB0 Ca0Xa)2758O.95818.6lXkCA0 1 Xa 5.2 1.231 10.95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。Q0XA4.3 1.013 x 105Pa及20C下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧 化氮氧化反应：(10.05Xa)3再将有关数据代入(A)式：0.5 14 4.159 10 3 Xa1.789 10 4(

4、10.05Xa)3(1 Xa)2(3.7432.078XA)dXA(B)4 2 14Ca°(1 Xa)(Cb° -ca0Xa) rA 1.4 10(1 0.05Xa) (1 0.05Xa)32NO O2 2NO2 rNO 1.4 10 CNOCO2,kmol /m .s 式中的浓度单位为kmol/m。进气组成为10%NO,1%N9%Q,80%2,若进气流量为 0.6m3/h （标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。解：由NO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：Vr CXadXAC A042Q00 1.4 1014 104(1 X a) (3.7432.

5、078Xa) 10cacb（ A）2.54 )式示中A,B分别代表NO和Q。由题意可知，若能求得出口转化率，由（ 得：yi0 yA0XAA1 A yA0XA便可求出反应器出口气体组成。已知:AQ1I乍'°.10,yB0 O.°9丨A20.6(273 20)/273 0.644m3/h 1.7888 10 4m3/sFi00.62.677 10 2kmol /h22.4CA022.677 100.1/ “c " 3/ 34.159 10 kmol / m 0.644CB02.677 10 2 0.09333.743 10 3kmol /m30.644所以，反

6、应速率为:用数值积分试差求得：Xa 99.7%因此，yAyA0 yA0X A0.1(1 0.997)yByNO21 0.05Xa0.09 - 0.120.10.032%1 0.05 0.9970.9974.227%0.05 0.997-0.1 0.9972 11.546%1 0.05 0.9970.884.197%1 0.05 0.997另：本题由于惰性气体M占80%故此反应过程可近似按恒容过程处理, 有太大的误差。y“2也不会4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:C2H6 c2h4 h2反应压力及温度分别为 2.026 x 105Pa及815C。进料含50%(mo

7、l)C2H,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s。反应速率方程如下：dpAdtkPA1式中pa为乙烷分压。在815 C时，速率常数k 1.0s,平衡常数4K 7.49 10 Pa，假定其它副反应可忽略，试求：(1) (1)(2) (2) 解：(1) 衡式求取：此条件下的平衡转化率；乙烷的转化率为平衡转化率的 50%寸，所需的反应管长。设下标A乙烷，B乙烯，H氢。此条件下的平衡转化率可按平KpPb PhPaiPiPiOP AOX aA1 yAO AX Ay iOy AOX AA1 yAO aX APi yi p1 1-1yAO O.5,A=11yAy AO y AOX A0.5(1X Ae

8、 )1yAO A X A 1 O.5X AeyHy bo y ao X aA1 yAO A X A0.5* XAe10.5XAe0.5* XAe10.5XAePb PhPa2yB yH PYaP0.5X2Ae(10.5XAe )(147.49* 14XAe 0.61若以1摩尔Qf为基准，反应前后各组分的含量如下:日2屮2。，C2H 6C2H 4反应前10012平衡时1-X e X e X因此，平衡时各组分分压为：RXePB k，PH将其代入平衡式有：X 2( )2 2.0262 XeSpa2 XeR(1 Xe)2 XeXeXe105/ 2解此一元二次方程得：Xe 061（2）（ 2）所需的反应

9、管长：首先把反应速率方程变为d Pa/RTkpA3A ,kmol /m .sdtRT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知：0.178 0.50.0037kmol /s30 0.5 18 0.50.5XAe 0.3057.49 104F AOXAf代入物料衡算式有VrFao 0X AfdXAX)Rt0.0037 8.314 103 1088 0.3052 X*5AdXA1 2.026 10501 XA其反应管长：0.13m3(0.0762)2 3.14/428.8m4.5于277C, 1.013 X 105Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应C2H5OH CH3COOHCH 3CO

10、OC2H5 H2O700(A)(B)(P)(Q)3催化剂的堆密度为700kg/m,在277 C时，B的转化速率为：4.096 10 7(0.3 8.885 10 6 pQ)( pBpPpQ/9.8pA)rB4,kmol/kg.sB3600(1 1.515 10 4pP)式中的分压以Pa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%Q均为重量%,加料中不含酯，当 Xb=35%寸，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2083kg/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B组分转化率的函数，其中：pBpB0(1 X B), p

11、ApA0 IB0XBpPPb0Xb,PqpQ0pB0X B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%Q 于是有：pB00.1234 1.013105pA00.3220 1.013105PQ00.5545 1.013105F B02083U.0 188 kmol / s3600 88 0.35将上述有关数据代入设计方程:F B0XBdXBW 1.01 104kgrB采用数值积分便可得到所需的催化剂量: 其反应体积为：Vr41.01 1014.5m34.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应2CHCIF2(g)C2F4(g) 2HCI (g)

12、流量为2kmol/h的纯CHCIF2气体先在预热器预热至700C,然后在一活塞流反应 器中700E等温下反应。在预热器中 CHCIF2已部分转化，转化率为20%若反应 器入口处反应气体的线速度为 20m/s，当出口处CHCIF的转化率为40.8%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1.013 X105Pa, 700E时的反应速率常数等于0.97s-1。若流量提高一倍，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:in温度线速度U0转化率Xa0=0A,inf =TiNfA,f该反应为变容过程,2A1/2F A0Fa°(1 Xa0)2(10.

13、20)1.61F B0B Fa0Xa0A1 * 2*20.20.21Fc00.4B 2C其中 yA0h AFt02.2FAfFa0(1XAf )2(10.408)1.184F BfB FA0X Af1 * 2*0.4080.408A2Fcf2* 0.408 0.816Ft 2.408UfU0巳Ft02.4082.21.0945u f 1.0945* 2021.89m / s 由( 2.50 )式知：Q Q0(1yA0 AX A)u U°(1 Ya0 aXa)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:U。UinTVA0 aXa”)¥T020T。10.5 0.20

14、 Tin18.18m/ s(1其出口处气体线速度为:Tj5u0(1yA0 AXA) - 18.18(1 0.5 0.408) 21.89m/sT0由设计方程计算出反应器长度：LxAfdXAVr / Qin CA,in。Uin0 kC1 XaA inA, 1 0.5XA那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率Xv。据 X=Fao-Fa/Fao，可求出FA,in=1.6kmol/h,F Af=1.184kmol/h,所以，冷=(1.6-1.184)/1.6=0.26。因而有：0.26 20（0.452 0.13） 6.63m 00.97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

15、，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。ui1L 亠(1 0.5)ln0.5Xak1 XA4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应:A BR, rR k1CACB2AS,rsk2C目的产物为R,且R与B极难分离。试问：（1）（ 1）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？（3）（ 3）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R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：2k2CA/ k1C由此式可知要使S最大，Q越小越好，而Cb越大越好，而题意又给

16、出R与B极 难分离，故又要求CB不能太大，兼顾二者要求：（1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。（2）若采用PFR应采用如图所示的加料方式，即 A组分沿轴向侧线分段进料， 而B则在入口处进料。（3）如用半间歇反应器，应采取 B 一次全部加入，然后慢慢加入 A组分，直到 达到要求的转化率为止。4.8在管式反应器中400C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/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（采用等温操作），增产35%请你拟定一具体措施（定量

17、说明）。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：Vr/Q。CXA dXAC A00 kf (Xa)可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与 k有关，所以，提高反 应温度可使其增产。具体值为：39770Q2 / Q01Ae 8.314T210.35. “k2 / k13977011.35Ae 8.314 6731解此式可得：T2=702.7K。即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%改用活塞流反应器，试计算苯酚的4.9根据习题3.8所给定的条件和数据, 产量，并比较不同类型反应器的计算结果。 解：用活塞流反应器：Vr /

18、Qo CA0将已知数据代入得:Xa dXA0 kCA0(1 Xa)k 1 Xa0.31 I 1InQ00.081 0.9893.解得：Q0 °.319m /min，所以苯酚产量为：FA0XA Q0CA0Xa 0.319 3.2 0.989 1.01 kmol /min1.09 94kg / min 94.99 kg/ min由计算可知改用PFR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PFR的产量相同（当然要在相同条件下比较）。4.10根据习题3.9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不变，而空

19、时与习题3.9（ 1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%？ R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A的转化率是可以达到95%勺。R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%=4.11根据习题3.14所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：（1） 所需的反应体积；（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？解：（1）用PFR时所需的反应体积：VrQ0CA0Xa dXA0 kcA5(1 Xa)1.5Q°Ca0.50.5k(1Xa)0.511.5 2000 (10.5 0.15810.5/0.95)1

20、1.47m3（2）若用两个PFR串联，其总反应体积与（1）相同4.12在管式反应器中进行气相基元反应：A B C，加入物料A为气相,B为液体，产物C为气体。B在管的下部，气相为B所饱和，反应在气相中进行。 已知操作压力为 1.013 xiO5Pa, B的饱和蒸汽压为 2.532 xiO4Pa,反应温度 340C，反应速率常数为102mVmol.min，计算A的转化率达50%寸，A的转化速 率。如A的流量为0.1m3/min，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Pb为常数，故可看成恒容过程。假定为理想气体，其中：pB 2.532 104Pa,k 10

21、0m3/mol .min 105m3/ kmol .minPa0 (1.013 0.2532) 105Pa, Pa Pa0(1 Xa)CB 晋 2.532 104/(8.314 103 613) pA0.7598 105(1 Xa) cccCAA3 A 0.0149RT 8.314 103 613当Xa=50%寸，A的转化速率为：4.97 10 3kmol /m3(1 Xa)Ra kCACB 105 4.97 当 Qa 0.1m3/min 时，Q°b10 3 0.0149 (1 0.5) 3.7kmol /m3.min所以，Q0 Q0A Q0B此时所需反应体积为：0.133m3/mi

22、nVrQ0CA0Xa dXA0 kCACBQ。 Xa dXAkCB 01 Xa0.1334.97 1010.51.85 10 4m30.185l0.1 0.2532/0.7598 0.033m3/min4.13在一活塞流反应器中进行下列反应：A k1 P k2Q两反应均为一级，反应温度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。A的进料流量为3mVh, 其中不含P和Q试计算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。解：对一级连串反应可得如下关系是：Yp1(1Xa严1(1 Xa)(A)若求最高收率，即令:Yp / X a 0，可得到：1(XA)m 1 (k昇 k1)1

23、k2/k1将(Xa) m代入(A)式得最高收率：(0.1 )1 0.1/0.3(0.3)(Y P)max(10.8076)01/0.3(10.80760.8076)57.84%P的总选择性:1S0 (Yp)max0.5784 71.62(Xa%0.8076达到最大收率时的反应体积为：(XA)mdXA0Vr QocAOklCA0(1Xa)3 In 10.275m360 0.3010.80764.14液相平行反应：A B P,rP CAcB.3kmol /m3.min a(A B)Q,rQ cA.5cB.3kmol/m3.min式中a为化学计量系数。目的产物为 Po(1)(2)(a)(b)(c)(

24、1) 写出瞬时选择性计算式。(2) 若a 1，试求下列情况下的总选择性。)(a) 活塞流反应器 CAo=CBo=1Okmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；)(b)连续釜式反应器，浓度条件同(a )；)(c)活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。反应物 A从反应器的一端连续地加入，而 B则从不同位置处分别连续加入， 使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出口处A的浓度分 别为 19 和 1kmol/m3。解：(1)设11Ca0.5CbSp亠p PCaC(Ra)CacB.3cA.5cB.31，求下列情况下的总选择性。若a(a)活塞流反应器，因为CAo=CBo,其

25、化学计量系数相同，所以G=G,贝U有1Ca ，因此1CA0CAfSpsopCaoC ( Sp)dCACAf1。dCA 0.32610 1 1 1 cA(b)连续釜式反应器SOPSpj1 一c0.52 °5Sp(c)PFR,且B侧线分段进料，器内B的浓度均等于1kmol/m3,则11Ca05Sop禽冷0.7324.15在活塞流反应器中等温等压（5.923P,rp2Q,q1.7775.065 x 104Pa)下进行气相反应：10 6 pAkmol /m3.min10 5 pAkmol /m3.min10 6 pAkmol /m3.minA式中Pa为A的分压Pa,理量为1800标准m/h，

26、要求A的转化率达到90%计算所需的反应体积及反应 产物Q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。但这里三个平行反应均为一级，可简化处理。为：2.9613r,r原料气含量A10%（mol）,其余为惰性气体。若原料气处其组分 A的总转化速率1 1Ra2rQ 3rR (0.5922又为变容过程：0.592211.57940, 2 1,1.777 130.2961) 10 5PA 1.5794 10 5PA其中1PapA0(1X A )11.7772 1.57942,所以有5.0650.29613 1.57940.6875A104 0.1(1 XA)5.065

27、 103(1 XA)F A0A yA0X A1800 0.110.6875 0.1XA10.06875XA22.4所需反应体积为：XVr FA0 00.1339kmol / min60dXA- - 51.5794 10 pAF A0Xa0.06875XAdXA1.5794 10 5 5.065 103(1 XA)0.13398 10 2(10.06875)ln 60.06875 0.904.22m3产物Q的收率:YqSqqRa1251.5794 10 Pa1.777 10 5 Pa0.5626二酸酐（MA :B k1 MA k2 COgHOB k3 COgHO4.16在充填钒催化剂的活塞流反应

28、器中进行苯（B）氧化反应以生产顺丁烯这三个反应均为一级反应，反应活化能（kJ/mol ）如下:Ei=70800,E2=193000,E3=124800指前因子（kmol/kg.h.Pa ）分别为Ai=0.2171,A 2=1.372 X 108,A 3=470.8反应系在1.013 X 105Pa和704K等温进行。原料气为苯蒸汽与空气的混合气， 其 中含苯1.8% （mol）。现拟生产顺丁烯二酸酐1OOOkg/h,要求其最终收率为42% 假设（1）可按恒容过程处理；（2）可采用拟均相模型。试计算（1）苯的最终转化率；（2）原料气需用量；（3）所需的催化剂量。解：（1）由题意知：k3)dCB

29、/ d ( k1 k3)CB，解之得: c c e (k1BBOe或.1 XbCbCBO(k1 k3)且：dCMAd解此一阶线性微分方程有:k1C Bk C k c e (k1 k3)2 MABODk2CMAYC MAyma CCMOek1k3k2k2(k1k3)k1k3k2k2(1 Xb严(1 Xb)873873已知:70800k10.2171e 8.314 7041.2 1 2 1 04kmol/kg .h.Pak21930001.372 1O8e 8.314 7046.55910 7kmol / kg.h.Pak3124800470.8e 8.314 7042.58710 7kmol /

30、 kg.h.PaYma 0.42代入上式化简得到:0.2823（1Xb)0.4466(1Xb)通过试差求出：Xb83.45%Y MAnMA/nBO FMA / FB O总原料气为：Ft 24.295/ O.O181349.75kmol /hF F maFb0 Y ima '（3）欲使Xb达到83.45%,所需催化剂量由物料衡算式求得:(2)原料气需用量。由收率定义知：1OOO24.295kmol/h0.42 98F BOxb dXB0 (ki ka)PBFBOXb dX B(ki ka)PB0 0(1 Xb)16296.3 kg24.295,1(1.2120.2587)10 6 1.0

31、13 105 0.018 " 10.83454.17 (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；(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(1)，(2) 时必须说明所使用的符号意义；(3)计算甲苯氢解反应C6H5CH3 H2 C6H6 CH 4的绝热温升。原料气 温度为873K,氢及甲苯的摩尔比为5。反应热 ”98=-49974J/mol。热容(J/mol K)数据如下：H:Cp=20.786CH 4： C p=0.04414T+27.87GH: C p=0.1067T+103.18 C eHCH: C p=0.03535T+124.85(4

32、) 在(3)的条件下，如甲苯最终转化率达到 70%试计算绝热反应器的出口 温度。dTWAO( H r )TrM AC ptdXA(A)解：(1)绝热管式反应器反应物料温度 T与转化率Xa的微分方程：式中(H为基准温度下的热效应；g为反应物料在基准温度下与反应温度 T之间的热容；Wo为组分A的初始质量分率；MA为组分A的分子量。(2) 如果不考虑热容Cpt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°戌代替，则积分(A)式得：(B)T To(Xa XQ式中：To为反应入口； Xao为初始转化率:WAO( H r )TrM AC pt此时(A)式化为线性方程。当Xao=O时，

33、又可写成：T ToXa(3) 求绝热温升。已知 To=873K,Xao=O,A表示关键组分甲苯，其初始摩尔分率 yAo=1/6,为计算方便将(B)式改写成：T tyAO(_ Hr)T°C pt(C)I此时Cpt是以摩尔数为基准的。选入口 To为基准温度，需求出反应热 ( Hr)873，以转化1mol甲苯为计算基准，则有：298(H r )8734997420.786(298873)(O.O3535T124.85)dT873298298(0.04414T27.87)dT(O.1O67T1O3.18)dT8O468.2J / mol从基准温度T0到出口温度反应物料的平均热容为：'

34、411C pt C pH 2 C pCH 4CpC6H6666（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：yA0（H r ）8731/6 80468.2C pt(E)222K二乙醇胺（D）及C pt因为反应出口未知，所以需将（C）,（D）及（E）式联立试差求解得:（4）在（3）的条件下，当Xa=0.7时，绝热反应器的出口温度:Tj873 222 0.70 1028.4KC2H4O k1 H2NCH2CH2OHH2NCH2CH2OH C2H4O k24.18氨水（A）与环氧乙烷（B）反应以生产一乙醇胺（M）， 三乙醇胺，反应如下：NH3HN (CH2CH2OH)2HN

35、(CH2CH2OH)2 c2h4o k3 N(CCH2CH2OH)3反应速率方程为：r1 k1CACB,r2 k2CMCB,r3 k3C DC B该反应系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺。(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)解：（1） 分，目的产物请你提出原料配比的原则，并说明理由。选定一种合适的反应器型式和操作方式。根据（2）的结果，说明原料加入方式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M的瞬间选择性：1 k2CMk1CA反应时间是否有所限制？为什么？k2CM1 k2CMk3CDk1CA k1CA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

36、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。34.19现有反应体积为1m的活塞流反应器两个，拟用来分解浓度为3.2kmol/m3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86C等温下进行，此时反应速率常数等于0.08s-1。过氧化氢异丙苯溶(1)(1)(2)（2）均等于(3)(3)0.8 m3(4)(4)(5)（5） 那么，

37、(6)(6) 解: ( 1)液处理量为2.4m3/min。试计算下列各种情况下过氧化氢异丙苯溶液的转化率。两个反应器串联操作；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1.2 m 3/min ；两个反应器并联操作，但两者原料处理量之比为1： 2,即一个为/min，另一个则为 1.6 m3/min ；用一个反应体积为2 m3的活塞流反应器替代；若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到 4 kmol/m3，其余条件保持不变， 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？ 比较上列各项的计算结果并讨论之，从中你得到哪些结论？ 两个反应器串联操作如图示：总反应体积为:F A0VrVM

38、Vr2匚 XAf dXAFA0 .Xa1 dXA(Ra)Xa1 ( Ra)A0XAf dXA0 fr0.08 2将有关数据代入即得:k98.17%XAf 1 e k(2) 结果同(1)。（3）第一个反应器，0.08XA1 1 e0而第二个反应器，Q020.08XA2 1 e1.6/60 两个反应器出口混合后：1Xa 0.99753（4）用一个反应体积为0.8m3/min0.99751.6m3/min0.9502-0.9502 0.966032m代替，其结果同（1）可知，转化率与Qo无关,（以摩尔流量表示）O（a）几个PFR串联与用一个大的PFR只（b ）在并联时，只要保持Vr1 /Q01 Vr

39、2/Q02时，其总转化CA0无关，但目的产物的产量与CA0（5）当 CA0提高到 4kmool/m3 时，由 X Af 1 e 所以，上列各种情况计算结果不变，而对苯酚产量：F Fa0X a Q0Ca0X a说明苯酚产量与CA°成正比，即产量增加（6）从上列各种计算结果比较看出：要保持二者的总体积相同，其效果是一样的。 V/Q。1 V/Q。2，其结果也是相同的。但 率是下降的。（c）对一级反应最终转化率与 成正比关系。4.20在活塞流反应器中绝热进行丁二烯和乙烯合成环乙烯反应C4H 6 C2H 4 C6H 10该反应为气相反应，反应速率方程为：rA kCACBk 3.16 107 e

40、xp( 13840/T),l/mol.s进料为丁二烯与乙烯的等摩尔混合物，温度为440C。操作压力1.013 x 105Pa。该反应的热效应等于-1.256 x 105kJ/mol。假定各气体的热容为常数，且6=154, pr=249,单位为J/mol.K。要求丁二烯的转化率达12%试计算 空时，平均停留时间及出口温度； 若改在440C下等温进行，重复(1)的计算； 440 C下等温反应时所需移走的热量。此反应为绝热变温变容反应，空时：Xa dXA 1CA0CPb=85.6, C(1)(1)(2)(2)(3)(3)解：(1)Qo 平均停留时间: t冷CA0kC aCbVr2Xa (1 A yA

41、0X A) dX Ak(12 2Xa)仃o/T)Q Qo(1出口温度：T并假定选入口温度 为基准，则:A反应前 1X AAyA0XA)(T /To)T0X A，已知：yA0440C为基准温度，题给Xa(1 AyA0XA)dXA0k(1 Xa)2(To/T)C“，a 12/11CA0O.5,Cao CB 0, A 12/11H r为440C下的热效应。若以1molA所以，当B0 21-X a 时，1-XXa=0.12 y (1 0.12)/(2X a 2-X a0.12)0.468yR0.12/(20.12)0.064C pt154 0.46885.6 0.468229 0.064128.1J/

42、mol.KHr 1.256 1 05J/molyA0(H r)0.5 1.256 105Cpt(1C .Paoaort将数据代入并用数值积分得:aYaoXa)128.1(1 0.51.013 105 0.5cl,38.5448.31 4 1 03 71 3521.50.12)10 3kmol /m3110.128.544 10 3(10.5XA)2dXA71384027 223.16 10 exp()(1 XA)()713521.5XA713 521.5XA71368.1s0.12t8.54410 3 Xa316 107eXP( J囂I713Xa) (713 521.5XA)67.5sT 27

43、3440521.5 0.12775.6K(2)在440 r下等温反应k 3.16 107 exp( 13840/ 713) 0.1171 °.12(1 0.5XA)2dXA(1 XA)28.544 10 3 0.117 0138.544 10 3 0.1172( 0.5)(10.5)1 n(1 XA)(0.5)2X(10.5)2Xa1 XA0.12128s0- 1t 8.544 10 3 0.117 00.12 (10.5XA)dXA(1 XA)20.5)Xa8.544 100.1171 XA(10.5 In -1 XA0.12132s0T 440 273 713K(3)440 r等

44、温反应，需移走热量，如果忽略由于反应造成的各组分的变化所引起的 热容量变化，则若维持等温反应必须移走反应所放出的热量：q (Hr)7131.256 105 0.12FA0 1.507 1 04FA0J/h其中Fa6的单位为 mol/h4.21环氧乙烷与水反应生成乙二醇，副产二甘醇：kC2H4O H2O 1 CH2OHCH2OHC2H4O CH2OHCH 2OH k2 (CH2CH2OH)2O这两个反应对各自的反应物均为一级，速率常数比 k2/k 1为2，原料中水与环氧 乙烷的摩尔比为20,且不含产物。(1) (1)选择何种型式的反应器好？(2) (2)欲使乙二醇的收率最大，转化率为多少？(3)

45、 有人认为采用活塞流反应器好，乙二醇收率高但环氧乙烷转化率低，故建 议采用循环反应器以提高总转化率，你认为这种建议是否可行？如果循环比书 =25,并使空时与第(2)问的空时相等，则此时总转化率及乙二醇的收率是提咼还是降低？解：（1）为解决问题方便，选 HO（B）为关键组分，环氧乙烷，乙二醇分别用A和Q表示。则乙二醇的瞬时选择性为：k?CQS 1k1CB分析可知欲使ST必须使Gd,即使HO过量，因而选PFR且水从反应器入口 进料，而环氧乙烷从侧线分段进料，相对来讲可使 CB更大。（2）对水，乙二醇，二甘醇（巳为连串反应，存在最大收率（对乙二醇而言）， 此反应为液相反应可视为恒容过程，根据速率方程

46、有：dCQQ 1dCB因 CB CB0（1dYQ彳dXBk2CQk1CBXb）,Cq cqoYq，故上式又可写成:(A)k2YQk1(1 Xb)初始条件Xb=0,Yc=0,解此一阶线性常微分方程有:1-(1 XB)k2/k11 k2/kiYq(1 Xb)(B)(C)Yq令XBX Bm0有：1 （k） k11/(1 k2/k1)121/(1 2)0.5本题给原料中水与环氧乙烷的摩尔比为 20,其转化率是不可能达到这最佳转化 率的。但它告诉我们，当 C=0时，为乙二醇的最大收率，即：(D)CA C A0CB0X B Cb0（Xb Yq）0字YqCA0组20住:nA=20:1，所以有CA01解：CB

47、0 v 2C XBCA0又因为： 代入可得：(E)Yq 2Xb 0.05将（E）式代入（C）式化简后可得：X； XB 0.05 0解此一元二次方程得：Xb=0.048，也就是说欲使乙二醇收率最大，关键组分水的 转化率为4.8%。（3）有人建议采用循环反应器，以提高转化率是不行的，因为增加了返混，降 低了反应速率，反而使 Xb降低。如屮=25时，可视为CSTR当空时与（2）中的空时相等时，使总转化率下降，且使乙醇收率降低4.22 有一自催化液相反应A P，其速率方程为33Ra kCACpkmol /m .min ，反应温度下，k 1m /kmol .min,， Cao 2kmo1 /m每小时处理

48、lOOOmol原料，其中A占99% ( mol)，其余为P。 要求最终转化率为90%(1) (1)为使所需反应体积最小，采用何种型式反应器好？并算出你所选 用的反应体积。(2) (2)如果采用循环反应器，请确定最佳循环比及反应体积。(3) (3)当循环比书=时，反应体积为多少？(4) (4)当循环比书=0时，反应体积为多少？解：(1)从自催化反应动力学特性可知，速率FA随CA的变化存在极大值，令:(Ra)Cak(CA0Cpo) 2kCC A0 C P0 2 0.023(CA) 1.01kmol / m所以22或：(Xa)1 Ca/Cao 11.01/ 2 0.495其最大速率：.min(Ra)

49、kCACp kCA(CA0 CP0 Ca) 1.01(2.02 1.01) 1.02kmol /m3故采用两器串联可使反应体积最小，如图示，以极值处为两器的分界线。Vr1Fao(Xa)1 0.99 0.495kCA0(1 XA )(CP0 CA0XA )30.008m60 2(1 0.495)(0.02 2 0.495)Vr2F A0dXA0.99X AfXA 2(1 Xa)(0.02 2Xa)0.9F A02 20.9dXA°495 (1XA)(0.01 Xa)1 , 0.01 XAlnA60 41.011 XA所需最小总体积：Vr Vr1 Vr2 0.008(2)如采用循环反应器，如图示：0.009m30.4950.0090.017m3其基本设计式:XAfVrFao(1) XXA1XAfXA1 ko(1Xa)(式中B =G(/Cac=0.01 ，VrF