化学反应工程作业

1、049.现有一有效容积为0.75m3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为50m2的冷却盘管。欲利用改反应器来进行A-R的一级不可逆的液相反应，其速率常数k二皿888109eXP5525.9(h-i)，反应热(-AH)二20921J/molA，原料液中A的浓度CA0-0.2m。1/1，但rA0不含反应产物R。此原料液的密度p=1050g/l；定压比热Cp=2.929v3m3/h(J/gC)。要求原料液的进料流率为0，反应器出口的反应液中CA0.04mol/l。总传热系数U=2092(KJ/m2hC)。所用的冷却介质的温度为25C。试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T0。0解：/

2、uT50III(CH3CO)2(A)+H2O(B)2CH3COOH(C)乙酸酐发生水解，反应温度25C,k=0.1556min-i,采用三个等体积的串联全混流釜进行反应，每个釜体积为1800cm3,求使乙酸酐的总转化率为60%时，进料速度0解：51串联全混流反应器进行一级不可逆反应，假定各釜容积、温度相同，k0.92(h-1),y10m3/h,x0.9,试计算N为1，2，3的反应有效容积，如不考虑非生产性操作时间的条件下分批式反应器的有效容积。解：应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，假定各釜的容积和操作温度都相同，已知此时的速率常数k=092h-i，原料液的进料速度卩。

3、=10m3/h，要求最终转化率匕=0.9,试求V、V和总容积V。A12解：对于一级不可逆反应应有dx-A1A18(1-rdxA11kC(1-x)A0A11kC(1-x)2A0A1代入Ai8xA,i1x一xA,iA,i-111一r一rA,i+1A,i1x-xA1A01kC(1-x)2TOC o 1-5 h zA0A11kC(1-x)A0A21kC(1-x)A0A1整理得x2一2x+x=0A1A1A2/x=0.9,A2x=0.6838A1A10.6838k(1-x)0.92(1-0.6838)=2.35(h)A1V=vT=23.5(m3)101x-x=A2A1k(1-x)A20.9一0.68380

4、.92(1-0.9)V=vT=23.5(m3)202总容积V=V+V=47(m3)12用两串联全混流反应器进行一个二级不可逆等温反应,已知在操作温度下k=0.92(m3kmol-1h-1),C=2.30kmol/m3,v=10m3；h,要求A00出口x=0.9,计算该操作最优容积比(VV丿和总容积V。A12a(-丄)arA1=亠=解：axaxkC2(1-x)2kC2(1-x)3A1A1A0A1A0A1a(-丄)亠=1丄-代入axx-xr-rA,1A,1A,0A,2A,1二1kC2(1-x)3xkC2(1-x)2A0A,1A,1A0A,1kC2(1-x)2A0A,1x3-3x2+3.01x-0.

5、99=0A1A1A1x=0.741A1x-xT=A01kC(1-x)2A0A10.7411.92x2.3x(1-0.741)2=5.22hx-x0.9-0.741T=A2A=2kC(1-x)20.92x2.3x(1-0.9)2A0A2=7.51hV2T1T25.227.51=0.695总容积V=V1+V2=Txv0.V=10 x(7.51+5.22)=127.3m3应用管径为D=12.6cm的管式反应器来进行一级不可逆的气体A的热分解反应，其计量方程为A=R+S；速率方程为-r=kcAA而k=78X109exp-19220/T(s-i),原料为纯气体A,反应压力P=5atm下恒压反应，T=5O

6、OoC。x=0.9,f=1.55kmol/h,求所需反AA0应器的管长L,停留时间t,空时t(理想气体)。解：反应气体的进料体积流速为：FRT1.55x0.082x773v=19.66(m3/h)0P5反应流体在管内的体积流速为v=FRT=F(1+5yx)RT/PP0AA0A此处：F=F(纯气体)；y=1.0,50A0A01RTC=PA0v=F(1+x)/CA0AA0厂FF(1x)C(1x)C而AvF(1+x)(1+x)A0AAT=V=1jxA(1+xA)dxAvk0(1一x)0At=121nx=29.88(s)=0.0083(h)k1一xAA”4V4vt4x5.46x103x29.88L=l

7、=13.0(m)冗D2冗D23.14x(0.126)2t=JxAl=In=18.57(s)k01一xk1一x55.液相原料中反应物A进入平推流反应器中进行的反应，已知CA0=1mol11,V=2l，一r=0.05C2m求：1）当出口浓度c厂0.5mol!时的进料AA2）当进料流量=0.51,min时出口浓Af解：56.自催化反应A+Rf2R,其速率方程为：-r=kcc，在AAR70C下等温地进行此反应，在此温度下k=1.512iWkmolh；其它数据如下：c=0.99kmol/m3；c=0.01kmol/m3；v=10m3/h；A0R00要求反应的转化率xA=0.99。试求：1）在全混流反应器

8、中反应所需的容积；2）在平推流反应器中反应所需的容积。C0.01解：aR00.0101令C0.99A0C二C(1-x)AA0AC=C+Cx=C(a+x)RR0A0AA0A一r=kC2(1-x)(a+x)AA0AA1)全混流反应器所需的容积vx0AkC(1-x)(a+x)A0AA10 x0.991.512x0.99(1-0.99)(0.0101+0.99)=661(m3)2）平推流反应器所需的容积“vfxdxvfx1V=0 xAA=0 xAkC0(1-x)(a+x)kC0a+1A0AAA0dxAV=0kC(a+1)A0.a+x+lnaa1.512x0.99x1.0101100*ln1.000V=

9、60.8(m3)57.(A)(P)(S)CH匕、CHClk八CHCl661653642dCdC反应速度一dtA=k1CA;dtP=k1CA一k2CP，在恒温恒容下求(a)平推流(b)全混流,求其中k1二L(h一1)，k2二0.5(h1)，Vvo6二1(h)，CP0=CS0C=1mol/1。A0解：(a)C=Cexp一kt=0.368mo1/10/、亠/_/pk1k2(e-k2Te-倬)一10.5(e0.5一et.)0477mol/tc二c(C+c)二1(0.368+0.477)=0.155mol/lSp=Cp=牆=3.08(b)v0(CA0CA)=K1CAVCCC=A0A0A1+kt=1+K1

10、1(K二kt1158.vC二V(kCkC)0P1A2PkCtC=1AP1+kt2kCt=(1+kT)1+kT)2CA=0.5mol/lCS=0.167mol/lS=:PCS=2O(A)(P)(S)C=0.333mol/lCHk、CHClk八661653CHCl642反应速度dCA=kCdCP=kCkC反应速度dt1A;dt1A2P，在恒温恒容下求等容积的两釜串联全混流反应器内进行这一反应时,求目的产物P的选k=1.0(h-1),k=0.5(h-1),V-v=t=1(h),C=C=0,C=1mol/1。120P0S0A0解：等容积釜串联应有t=+t2t1=t2二1/2=0.5h对第二个全混流反应

11、器作物料衡算V(CC)=kCV0A1A21A22厂CCC=A1A0A21+kt=(1+K)2121K=kt=kt=0.51对于P：V0(CA1-CA2)=V2(k1CA2+k2C2)KCKCC=1_A01A0P2(1+K)2(1+K)+(1+K)(1+K)21212K二kt二0.252222(1+0.5)2=0.444mol/l0.50.5CP2=(1+0.5)2(1+0.25)+(1+0.5)(1+0.25)2:.c2=1(0444+0.391)=0165mol/lS2CP20.391CS2=0.165=2.3759.醋酸甲酯的水解反应如下：CHCOOCH+HOCHCOOH+CHOH,332

12、33产物CH3COOH在反应中起催化剂的作用，已知反应速度与醋酸甲酯和醋酸的浓度积成正比。1)在间歇反应器中进行上述反应。醋酸甲酯和醋酸的初始浓度分别为500和50mol/m3。实验测得当反应时间为5400s时，醋酸甲酯的转化率为70%，求反应速率数和最大反应速度。2)如果反应改在连续搅拌釜中进行，xA=0.8时停留时间应为多少。A3)如果采用管式流动反应器，x=0.8时停留时间。A解：-rA=kCCAC1)-YAdCA=dtCdxA=kCA0dtA0(1-xA)(CC0+CA0C=kC2(1-x)(x+才)AACA0A0kCdt=A0(1-xA)(xAC+Co)CA0kCt=A0In0.7+

13、0.1Ink=500 x5400(1+0.1)0.1-0.1x0.71+C0CA0CC0CA0C+COCAOCxC0ACA0=1.106x10-6m3/mol-s/.-r=1.106x10-6x5002(1-x)(xAA+Co)=0.2765(-x2+0.9x+1)ACA0=0.2765(-2x+0.9)=0A=0.45(-r)Amax=8.364x10-2mol/m3-sT2)C-C=AO-rACx=A0A-rACxAOAkC2(1-x)(x+C/CA0AAC0=8.037x103sA03)对于PFRA0JxA悅=CJxA红0-rA0okC2(1-x)(x+C/C)AA0AAC0A0MakC

14、(1+C/C)oA0C0A01+U-xx+C/C丿AAC0A0dx=6.258x103sA60.在一定的反应温度下A发生下述平行反应：Y=2.0C(kmol/m3-h)1AY=0.2C2(kmol/m3-h)2A其中R是主产物，S是副产物。反应原料为纯的反应物A,其初始浓度为10kmol/m3。在反应器出口A的转化率为80%。反应在连续搅拌釜中进行时，A转化为R的选择性、R的收率以及反应物的停留时间。解：1）使用连续搅拌釜r二r+2rA12C一C=T(r)=T(r+2r)A0AA12TOC o 1-5 h zC2CR=A=CC2C+0.4C21+0.2CA0AAAA厂CCCxC=AoA=AoA

15、R1+0.2C1+0.2(CCx)AAoAoA当xA=0.8时，有C=5.71kmol/m3C=aoaa=1.15kmol/m3S2C+0.4C2AAC5.71S=r=4.965RC1.15SCC5.716=r=r=0.714RCCCx10 x0.8A0AA0AV恒定，停留时间与空时相等CC5.71T=RR0=1.43hr161.已知2P(主)r=(k+kC2)C；輕=kCA12AAP1A2x2=kC2，2A的反应速率式分别为：且在反应的操作温度下kRO,k2/k1=1.5；CA0=5mol/l,C=CP0S0=0，要求反应流体的进料速率为v0二5m3/h,出口转化率xA=0.9。试求用单一的

16、全混流反应器在等温下进行此反应时所能获得的产物P的浓度cp以及所需的反应容积V。解：(0)=PmrprAkC1AkC+kC21A2A(eP)m=汽FA0A(CC)k1x(50.5)C=AoA1=2.57(mol/1)p(k+kC)1+1.5x0.512Av(CC)=V(r)=V(kC+kC2)0A0AA1A2AV=叮CA0CA)5x4.5kC+kC20.5+1.5x0.52-2573)1A2A62环氧乙烷在450C的气相分解反应如下：CHO(g)24CH4(g)+CO(g)已知在此反应温度下反应的速率常数为0.0212min-i,反应在恒温恒容反应器中完成,初始时原料为纯的环氧乙烷，初始压力为

17、2.026X105Pa,试求在反应时间为50min时反应器的总压力。解：由k=00212min-i可知该反应为一级反应=exPA0t时反应物分压为PACHO(g)24fCH(g)4+CO(g)P00A0PP-PP-PAA0AA0A总压P=P+2(PP)tAA0AA02P-PA01PA0=exp(-kt)即芦A02-exp(-kt)当t=50min时P=P2-exp(-kt)=3.35x105PatA063.醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二氧化碳：CHCOOHCH=CO+HOCHCOOHk2CH+CO322342已知在916C时k二4.65s-1,=3.74s-1，试计算：1

18、)99%的醋酸反应掉的时间；2)在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。解:设在时间t时乙烯酮和甲烷的浓度分别为x和y,初始为CA0,则相加得d(x+y)dt二(k+k)(C12A0-x-y)d(x+y)将其积分CA0-(x+y)=(k+k)dt12lnCA0C-(x+y)A0=(k+k)t121)当转化率为99%时x+y=0.99C1t=In4.65+3.741-0.99xk4.65=1=2)y3.74-一二0.549sx二0.549CA0y二0.441CA00.549CS=A0=55.4%0.441CA064.在1000K于恒温恒压反应器中进行下述分解反应:RCHOH(g)-RCHO(g)

19、+H(g)22反应速率常数0.0821/molmin,初始时含纯的RCH2OH，其初始压力为2.026X105Pa，求1)将20%的RCHOH分解22)所需时间；RCHOH2的浓度降低20%所需的时间。解：心2OH(g)-心0(g)+H(g)t=0nA0t=tn-xA0n=n总由k可知该反应为二级反应+xA0Vd广kCA=说nRT理想气体乍dxk(n-x)2=A0dt(n+x)RT/PA0(n+x)dxkPdtA0=(n一x)2RTA0RTt=kPnxA0+(n一x)2(n一x)2A0A0dx=ft0kPdtRT2xn一xA0+ln(1-x)nA0=20%nnn-x0.8nAB对于V=U.8C

20、A0，应有(n+x)RT/PnA0RT/PA0当nx=A0-9，带入得t=66.1min当A09带入得t=138min分65.等温间歇反应器反应时间与反应物浓度的关系在间歇反应器中进行等温二级反应ATB，-r41mol/lAAA0时，求反应至CA=0.01mol/1所需时间。dC解:ra0.01C2AdtA11110.01t=CC0.011AA0t=9900s66.对于aA+bBfcC反应，以浓度C，p表示速率式中常数kC,kp,则其二者关系如何？nRT解：理想气体V=十_pp=kCaCbc(rT(rT_k(RT)(a+b)PaPbCABCAB=kPaPbPABk(RT)-(a+b)=kCPp

21、(主)S(副)，其中rp=2CA，rs=CA，已知PASAC=2.0mol/1，A0CP0二CA0二0，求在平推流反应器中的Cp,max？dC_P2+C-dCAArQ_解：P-rA对上式进行积分得C_-JCA-dCPCA。2+CAA当CA二0时，产物P的浓度最大C二J22dC二2ln2二1.386mol/1P,max02+CAA68.一级连串反应aKpK-s，-r_kC，r_kC-k2C，A1AP1A2P进料流率为v0，CP0二CA0二0，反应在恒温恒容的条件下进行，求在全混流釜式反应器中目的产物P的最大浓度CP,max?C-CCT_A0A=C_A0解：全混釜kCAA1+kT对物料P作物料衡算v0CP0_v0CP+VrPCkTTOC o 1-5 h z亠_1则有C(1+kT)(1+kT)A012dC_0当才_0时，产物P有极大值CC_A0P,max(K/K)1/2+1221V0A液相反应AfR在一全混釜中进行，CA0二imo1/