化工反应工程答案 第四章

1、4管式反应器4.1在常压及800C等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：CHCH+HtCH+CH6532664在反应条件下该反应的速率方程为：r二1.5CC0.5,mol/1.sTH式中C及C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：C二C则有C=C=C(1-X)T0H0，则有：THT0T示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：T0RT0.5x1.013x1058.314x103x1073二5.68x1

2、0-3kmol/m3F=QC=2/2二1kmol/h=0.278x10-3kmol/sT00T0所以，所需反应器体积为：V二QCjxtdXx=QCjr0T001.5CC0.50T001.5C1.5THT二0.4329x(1-0.95)-2.5-1二3.006m31.5(5.68x10-3)1.5(1X)1.5T=15311m所以，反应器的长度为：0.052x3.14/4二0.278x10-3j00.95dX3.0061.5-14.2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。C=1.231mol/1A0解：题给条件说明该反

3、应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：Q=275.81/hdXA0所以，所需反应器体积V=QCjxar0A00kC(1-X)(C-CX)A0AB0A0AQX275.80.958186l0a=818.6lkC1-X5.2x1.2311-0.95A0A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。4.31.013X105Pa及20C下在反应体积为05m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：2NO+Ot2NOr=1.4x104C2C,kmol/m3.s22NONOO2式中的浓度单位为kmol/m3。进气组成为10%N0,1%

4、N0,9%0,80%N,若进气流量为2220.6m3/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:Q0=CEA00dX1.4x104C2CABA)示中A,B分别代表NO和O。由题意可知，若能求得出口转化率，由（2.54）式得：2TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark157 VvyyXi0VA0Ay=ai1+8yXAA0A便可求出反应器出口气体组成。已知：Yv18=l=,y=0.10,y=0.09AV2A0B0Q=0.6(273+20)/273=0.644m3/h=1.7888x10-4m3/s0F=

5、-0.6=2.677x10-2kmol/hi022.4CA02.677x10-2x0.1=4.159x10-3kmol/m30.644B0=3.743x10-3kmol/m3C2.677x10-2x0.090.644所以，反应速率为：1C2(1X)2(C-上CX)r=1.4x104A0AB02A0Aa(10.05X)2(10.05X)=1.4x104(1X)2(3.7432.078X)x10-3A(10.05X)3A再将有关数据代入（A）式:0.5x14x4.159x10-31.789x10-4十(1X(1噩A2爲8X)叭AAB)用数值积分试差求得：XA=99.7%因此，y-yX0.1(1-0

6、.997)yaoa=0.032%a1-0.05X1-0.05x0.997A10.09-上x0.1x0.997y=4.227%/1-0.05x0.9970.1+x0.1x0.997=2=11.546%no1-0.05x0.997N20.81-0.05x0.997=84.197%另：本题由于惰性气体N占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会2有太大的误差。24.4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：CHoCH+H26242反应压力及温度分别为2.026X105Pa及815C。进料含50%（mol）CH,其余为水nc蒸汽。进料量等于0178kg/s。反应速率方程如下

7、：笙=kpdta式中pA为乙烷分压。在815C时，速率常数k=1.0s-1,平衡常数K=749x104P，假定其它副反应可忽略，试求：（1）（1）此条件下的平衡转化率；（2）（2）乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。解：设下标A乙烷，B乙烯，H氢。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：K=込pPp-红pXi0vA0Ap=1+y5XA0AAvy-yXi0vA0AA,p.=yP1+y5XiiA0AA1+11=0.5,5=1A0A1y-yX0.5(1-X)y=A0A0A=Ae1+y5X1+0.5XA0AAAey-VByXB0vA0Ay=y=ABHyi1+y5XA0AA10-1*05*X

8、Ae_0.5*XA。1+0.5X1+0.5XAeAeK=pAX=0.61AeyyP2H一yPA0.5X2AeP=7.49*144(1+0.5X)(1-X)AeAe若以1摩尔CH为基准，26CH2611-X26反应前平衡时因此，平衡时各组分分压为PXPXp=1j,p=1j,pB2+XH2+XAee将其代入平衡式有：反应前后各组分的含量如下：oCH20Xe+H,HO,工422012X12+XeeP(1-X)=2+XeTOC o 1-5 h zX1-X=7.49x104(亠)2x2.026x105/亠 HYPERLINK l bookmark83 2+X2+Xee解此一元二次方程得：Xe=0.61(

9、2)(2)所需的反应管长：首先把反应速率方程变为d(p/RT)kp-A=A,kmol/m3.sdtRT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知：0.178x0.5F=0.0037kmol/sA030 x0.5+18x0.5X=0.5X=0.305AfAe0代入物料衡算式有V=FJXAJf.XprA0o纵1-XA)=2+XRTA0.0037x8.314x103x1088J00.3051x2.026x105其反应管长：2+XAdX=0.13m31-XaA0.13W=1.01x104kg1.01x104700=14.5m3L=(0.0762)2x3.14/4=28.8m4.5于277C,1013

10、XgPa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应：CHOH+CHCOOHtCHCOOCH+HO2533252(A)(B)(P)(Q)催化剂的堆密度为700kg/m3,在277C时，B的转化速率为：4.096x10-7(0.3+8.885x10-6p)(p-pp/98p)wr=QBlql,kmol/kg.sb3600(1+1.515x10-4p)P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X=35%时，所需的催化剂量B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

11、，将速率方程变为B组分转化率的函数，其中：p=p(1-X),p=p-pXBB0BAA0B0Bp=pX,p=p+pXPB0BQQ0B0B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,321%A,5545%Q。于是有：p=0.1234x1.013x105B0p=0.3220 x1.013x105A0p=0.5545x1.013x105Q02083F=0.0188kmol/sB03600 x88x0.35将上述有关数据代入设计方程：W=FJXBdXBB00rB采用数值积分便可得到所需的催化剂量其反应体积为：4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:2CHCIF(g)tCF

12、(g)+2HCl(g)224流量为2kmol/h的纯CHClF气体先在预热器预热至700C,然后在一活塞流反应2器中700C等温下反应。在预热器中CHClF已部分转化，转化率为20%。若反应2解：反应历程如下图所示：inT=TfiNufXA,f器入口处反应气体的线速度为20m/s,当出口处CHClF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1.013X105Pa,700C时的反应速率常数等于097s-i。若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？uinXA,in二1/2温度0线速度u0转化率X0=0A0该反应为变容过程，其中yA0二1,5AF

13、=F(1一Xr)=2(1一0.20)=1.6A0A0A0v1F=一一FX=*2*0.2=0.2B0VA0A02AF=0.4C0F=2.2t0F=F(1-X)=2(1一0.408)=1.184AfA0Afv1F=一FX=-*2*0.408=0.408BfvA0Af2F=2*0.408=0.816Cf:.F=2.408t红=F=2408=1.0945uF2.20t0u=1.0945*20=21.89m/sf由(2.50)式知：Q=Q0(1+yA05AXA)0A0AAu=u(1+y5X)0A0AA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：uinQ+yA05AX)TA0AA,inT20T

14、S=18.18mIs1+0.5x0.20Tin其出口处气体线速度为：u=u（1+ysX）j=1818（1+0.5x0.408）=21.89m/sj0A0AAT0由设计方程计算出反应器长度：:=VIQ.=CJXA齐urinA,in01-XinkCAA，in1+0.5X那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率X。据X=F-F/F，可求出AfAA0AA0F=1.6kmol/h,F=1184kmol/h，所以，X=（1.61.184）/1.6=0.26。因而有：Af1（1+0.5）ln-0.5X1-XA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，因此,A,inuL=-inkAfAf

15、0.2600.9720(0.452-0.13)=6.63m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。4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：A+BtR,r=kCCR1AB2AtS,r=kC2S2A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：S=11+2kC/kC2A1B由此式可知要使S最大，C越小越好，而C越大越好，而题

16、意又给出R与B极难分离，故又要求C不能太大，兼顾二者要求：D（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（定量说明）。设气

17、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：V/Q=CJ-0A00kf（X）A可知，Q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:_39770Ae8.314T2Q/Q=kIk=丝2020121Ae8.314x673解此式可得：T=702.7K。即把反应温度提高到7027K下操作，可增产35%。21+0.35397701=1-354.9根据习题3.8所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算苯酚的产量，并比较不同类型反应器的计算结果。解：用活塞流反应器：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l

18、bookmark194 JXdX11V/Q=CJXAa=ln0A00kC（1-X）k1-X HYPERLINK l bookmark198 A0AA将已知数据代入得： HYPERLINK l bookmark200 0.311=lnQ081-0.989解得：Q0二0.319m3/min，所以苯酚产量为：FX=QCX=0.319x3.2x0.989=1.01kmol/minA0A0A0A=1.09x94kg/min=94.99kg/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

19、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%的。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：t=Q0CA0TkstAX)1.5=眷(1-X21A0A1.5x2000-0

20、.50.5x0.1581(1-0.95)-0.5-1=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+BC，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1013X105Pa,B的饱和蒸汽压为2.532XgPa，反应温度340C，反应速率常数为102m3/molmin,计算A的转化率达50%时，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：p=2

21、.532x104Pa,k=100m3/mol.min二105m3/kmol.minBp=(1.013-0.2532)x105Pa,p=p(1-X)A0AA0AC=Pb=2.532x104/(8.314x103x613)=4.97x10-3kmol/m3BRTCa=RpT=邙驚)=0.0149x(1-J)当X=50%时，A的转化速率为：AR二kCC二105x4.97x10-3x0.0149x(1-0.5)二3.7kmol/m3.minAABQ二0.1m3/minQ二0.1x0.2532/0.7598二0.033m3/min当0A时，0B所以，TOC o 1-5 h zQ二Q+Q二0.133m3/

22、min00A0B此时所需反应体积为：xdXQfxdX HYPERLINK l bookmark196 V=QCJXAA=fL-JXAAr0A00kCCkC01-XABBA HYPERLINK l bookmark226 0.1331=ln=1.85x10-4m3=0.18514.97x10-3x1051-0.54.13在一活塞流反应器中进行下列反应：Ak1Pk2Q两反应均为一级，反应温度下,k=0.30min-i，k=0.10min-“A的进料流量为3m3/h,12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：1Y=-(1-X“2

23、勺-(1-X)(A)P1-k/kAA21若求最高收率，即令：迟/讴广0，可得到：(X)=1-(k/k)1-k2/k1=1-(I)0.1/0.3=0.8076Am210.3将(X)代入(A)式得最高收率：AmYL=T01/03(1-0.8076)0.0.3-(1-0.8076)=57.84%P的总选择性1-0.1/0.31S=叽=0.5784=7162o(X)0.8076Am达到最大收率时的反应体积为：V=QC门x几蛍=3ln1=0.275m3r0A00kC(1-X)60X0.301-0.80761A0A4.14液相平行反应：A+BtP,r=CC0.3kmol/m3.minPABa(A+B)tQ

24、,r=C0.5Ci.3kmol/m3.minQAB式中a为化学计量系数。目的产物为P。(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)b)c)活塞流反应器C=C=10kmol/m3,C=C=1kmol/m3；连续釜式反应器；浓度条件同(a)；Bf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：SP若a=1(1)设A为关键组分，目的产物P的瞬时选择性为:VArPCC03P=AB(-R)CC03+aC0.5C

25、1.31+aC-0.5CAABABAB，求下列情况下的总选择性。(a)活塞流反应器，因为C=C,其化学计量系数相同，A0B01所以C=C，则有ABSP1+哎，因此S=1JCA0(-S)dC=1J10dCAOPC-CcA10-111+C0.5A0AfAfA(b)连续釜式反应器11S=S=0.5opPj1+C0.52A=0.326S(c)PFR,且B侧线分段进料，器内B的浓度均等于1kmol/m3，则P1+CS=119dCA=0.732op19一111+C-0.5A4.15在活塞流反应器中等温等压（5.065X104Pa）下进行气相反应：AtP,r=5.923x10-6pkmol/m3.minPA

26、At2Q,r=1.777x10-5pkmol/m3.minQAAt3R,r=2.961x10-6pkmol/m3.min式中P为A的分压Pa，原料气含量A10%（mol）:其余为惰性气体。若原料气处A理量为1800标准m3/h，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。其组分A的总转化速率为：1111R=r+r+r=(0.5922+x1.777+x0.2961)x10-5P=1.5794x10-5PAP2Q3-又为变容过程：8=0.59228A其中81=0,82

27、=1,83=2，所以有8A=0.6875p(1-X)5.065x104x0.1(1-X)5.065x103(1-X)=A0A=A-1+8yX1+0.6875x0.1XAA0AA=1800 x0.1=0.1339kmol/min111.7770.29611.5794i+2x1.579482+3x1.579483pA1+0.06875XAF022.4x60所需反应体积为：V=FJxarA00dXA1+0.06875XdXAA0.13398x10-2=Fxa1.5794x10-5pA001.5794x10-5x5.065x103(1-X)AA1(1+0.06875)ln1-0.91A0.06875x

28、0.90=4.22m3v严rQx1.777x10-5pY=Q=A=0.5626产物Q的收率：QRA1.5794x10-5PA4.16在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯（B）氧化反应以生产顺丁烯二酸酐（MA）：BkMAkTCO,CO,HO22BkTCO,CO,HO22这三个反应均为一级反应，反应活化能（kj/mol）如下：E=70800,E=193000,E=124800123指前因子(kmol/kg.h.Pa)分别为A=0.2171,A=1.372X108,A=470.8反应系在1013X105Pa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

29、酸酐1000kg/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。试计算苯的最终转化率；原料气需用量；所需的催化剂量。解：(1)由题意知：一叫/d=(ki+k3)CB，解之得：C=Ce-(k+k3)rBB0或：Cr1X=b=e-(k1+k3)rBCB0且：dCMA=kC-kC=kCe-(%*y-kC2.dr1B2MA1B0解此一阶线性微分方程有Ck1Y=MAMACM0已知：k+k-k132L_kk2e-k2-e-(k1+k3yr=1(1-X)k+k3-(1-X)k+k一k132BBMA-70800气=0.2171e-8.314x704=1.212x10-4kmo

30、l/kghPa=6.559x10-7kmol/kg.h.Pa-193000k=1.372x108e8.314x7042-124800k=470.8e-8.314x704=2.587x10-7kmol/kg.h.PaY=0.42MA代入上式化简得到：0.2823=(1-)0.4466(1X)通过试差求出：X=83.45%B原料气需用量。由收率定义知：YMAnMAnB0FMAFB0F=-ma=24.295kmol/hB0Y0.42x98总原料气为：F=24.295/0.018=1349.75kmol/h欲使X达到83.45%,所需催化剂量由物料衡算式求得：BJXdXFJXdXW=FJXBB=B0J

31、XBB-B00(k+k)p(k+k)p0(1-X)13B13B0Bln=16296.3kg24.2951(1.212+0.2587)x10-6x1.013x105x0.0181-0.83454.17(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；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)，时必须说明所使用的符号意义；计算甲苯氢解反应C6H5CH3+H2TC6H6+CH4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!=-49974J/mol。热容(J/mol298K)数据如下：H:C=20.786CH:C=0.04414T+27.872P4PC

32、H:C=0.1067T+103.18CHCH:C=0.03535T+124.85在(3)的条件下，如甲苯最终转化率达到370%：试计算绝热反应器的出口温度。解：绝热管式反应器反应物料温度T与转化率X的微分方程：Aw(-AH)AdT=-0Max(A)MCaApt式中(-曲)t为基准温度下的热效应；C为反应物料在基准温度下与反应温度T之间的热容；w为组分A的初始质量分率；M为组分A的分子量。如果不考虑热容C随物料组成及温度的变化，即用平均温度及平均组成下ptC的热容皿代替，则积分(A)式得：(B)T-T=九(X-X)0AA0式中：T为反应入口；X为初始转化率：0w(-AHA0)九二A0匚工MCAp

33、t此时(A)式化为线性方程。当X=0时，又可写成：T=T+九XA00A求绝热温升。已知T=873K,X=0,A表示关键组分甲苯，其初始摩尔分率y=1/6,为计算方便将(B)式改写成:A0A0y(-AH)T-T二弘么(C)0Cpt此时Cpt是以摩尔数为基准的。选入口T0为基准温度，需求出反应热(AH873，以转化1mol甲苯为计算基准，则有：(-AH)=49974+20.786(298-873)+J298(0.03535T+12485)HTr873873+J298(0.04414T+2787)dT+J298(0.1067T+10318)dT=80468.2/mol873873从基准温度T到出口温

34、度反应物料的平均热容为:(D)Cpt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：y(-NH)1/6x80468.2入=A0r873=CCCptCpt(E)因为反应出口未知，所以需将(C),(D)及(E)式联立试差求解得：九=2222K在(3)的条件下，当X=07时，绝热反应器的出口温度：AT二873+222x0.70二1028.4K4.18氨水(A)与环氧乙烷(B)反应以生产一乙醇胺(M),二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反应如下：NH+CHOHNCHCHOHTOC o 1-5 h z324222HNCHCHOH+CHOHN(CHCHOH)22224222HN(CHCHOH)+

35、CHON(CCHCHOH)22224223反应速率方程为：r=kCC,r=kCC,r=kCC11AB22MB33DB该反应系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺。(1)请你提出原料配比的原则，并说明理由。(2)选定一种合适的反应器型式和操作方式。(3)根据(2)的结果，说明原料加入方式。(4)反应时间是否有所限制？为什么？解：(1)若提出原料配比原则，应分析其动力学特征。这里以B为关键组分，目的产物M的瞬间选择性：1kC1-/MjkCS-.kCrAkC+_2M+3DkCkC1A1A由此看出C增大时，则S也增大，无疑，相对来说C减少。也就是说配比原则AB是：允许的条件下，尽量使A过量。根据(1)的结

36、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：加料方式如(2)中的图示。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。4.19现有反应体积为1m3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008s-】。过氧化氢异丙苯溶液处理量为24m3/min。试计算下列各种情况下过氧化氢异丙苯溶液的转化率。（1）（1）两个反应器串联操作；（2）（2）两个反应器并联操作，且保持两个反应器的原料处理量相

37、同，即均等于12m3/min；（3）（3）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0.8m3/min，另一个则为1.6ms/min；（4）（4）用一个反应体积为2m3的活塞流反应器替代；（5）（5）若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到4kmol/m3,其余条件保持不变,那么，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？（6）（6）比较上列各项的计算结果并讨论之，从中你得到哪些结论？解：（1）两个反应器串联操作如图示：总反应体积为：V=V+V=FJXAidrr1r2A0o(-R)将有关数据代入即得：A+FJXA/A0XA1(-R)=FJXAA00dX(-R0.08x2=1

38、e2.4/60=9817%Q=0.8m3/min01，X=1-ekxAA2）结果同（1）。3）第一个反应器，-008X=1-=0.9975A1而第二个反应器，Q02=1.6m3/min-0O8X=1e1.6/60=0.9502A2两个反应器出口混合后：12X=-x0.9975+負0.9502=0.9660A33（4）用一个反应体积为2m3代替，其结果同（1）。X=1ekx5）当C提高到4kmool/m3时，由AA可知，转化率与C无关，所以，上列各种情况计算结果不变，而对苯酚产量：（以摩尔流量表示）F=FX=QCXA0A0A0A说明苯酚产量与C成正比，即产量增加。（6）从上列各种计算结果比较看出

39、：（a）几个PFR串联与用一个大的PFR,只要保持二者的总体积相同，其效果是一样的。（b）在并联时，只要保持Vr1Q01=Vr1Q02，其结果也是相同的。但1121主12/2）2时，其总转化率是下降的。（c）对一级反应最终转化率与C无关，但目的产物的产量与CA0A04.20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:CH+CHtCH4624610该反应为气相反应，反应速率方程为：r=kCCAABk=3.16x107exp(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1.013X105Pa。该反应的热效应等于-1256X105kJ/mol。假

40、定各气体的热容为常数，且C=154,PAC=85.6,C=249，单位为J/molK。要求丁二烯的转化率达12%,试计算PBPR(1)空时，平均停留时间及出口温度；(2)若改在440C下等温进行，重复(1)的计算；(3)440C下等温反应时所需移走的热量。解：(1)此反应为绝热变温变容反应，空时：XA00dXAA-kCCABT=CQo平均停留时间t=V=QQ(1+8yX)(T/T)C0AA0A出口温度：T=T0+入XA，已知：1Jxa(1+8AyAoXA)2dXAAAA0AAC0k(1-X)2(T/T)2A0A01(X(1+8yX)dX=JXAAA0AA0k(1-X)2(T/T)0A0A0y=

41、0.5,C=C,8二1-2/1=-1A0A0B0A，并假定选入口温度440C为基准温度,题给AHr为440C下的热效应。若以ImolA为基准，则：A+BtRYTOC o 1-5 h z反应前1102X1-X1-XX2-X所以，当X=0.A12时，AAAAy=y=(1-0.12)/(2-0.12)=0.468ABy=0.12/(2-0.12)=0.064C=154x0.468+85.6x0.468+229x0.064=128U/mol.Kpt-AH=1.256x105J/molry(-AH)C(1+8yX)ptAA0A0.5x1.256x105128.1(1-0.5x0.12)CA0RT1.01

42、3x105x0.58.314x103x713=8.544x10-3kmol/m3将数据代入并用数值积分得：7137131012(1-0.5X)2dXT=AA8.544x10-303.16x107exp(-13840)(1-X)2()2713+521.5Xa713+521.5XAAi=1J8.544x10-303.16x107exp(-713+521.5XA0.12(1-0.5X)dX13840A)(1-AX)2()A713+521.5XA713T=273+440+521.5x0.12=775.6K(2)在440C下等温反应k=3.16x107exp(-13840/713)=0.117=J0.1

43、2(1-0.5X)2dXTAA8.544x10-3x0.117。(1-X)2A8.544x10-3x0.1172(-05)(1-05)ln(1-X)+(-0.5)2X+(1-：2=述i-J0.12(1-0.5XA)dXAi8.544x10-3x0.1170(1-X)2A_(1-0.5)X05l1A+0.5ln1-X1-XAT440+273713K8.544x10-3x0.117012-132s01-XA3）440C等温反应，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（-AH）（-R）dV（-AH）FdXr713Arr713A0

44、A=1.256x105x0.12F=1.507x104FJ/hA0A0其中F的单位为mol/hA64.21环氧乙烷与水反应生成乙二醇，副产二甘醇：CHO+HOCHOHCHOH24222CHO+CHOHCHOHk（CHCHOH）O这两个反应对各自的反应物均为一级，速率常数比k/k为2,原料中水与环氧21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）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=25,并使空时与第（2）问的空时相等,则此时

45、总转化率及乙二醇的收率是提高还是降低？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：S=1-2QkC1B分析可知欲使St必须使C仁即使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C更大。（2）对水，乙二醇，二甘醇（E）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，根据速率方程有：TOC o 1-5 h z-dCkCQ=1一二Q(A)(B)(C)dCkCB1B二C(1-X),C二CY因BB0BQQ0Q，故上式又可写成：dYkYQ=1一2QdXk(1-X)B1B初始条件

46、X=0,Y=0,解此一阶线性常微分方程有:B1QY=-(1-X“2佔-(1-X)Q1-k/kBB21dYQ=0,dX令B有：kX1(2)1/(1-k2/k1)121/(1-2)0.5Bmk1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CA=0时，为乙二醇的最大收率，即:(D)CC-CX+C（X-Y）0AA0B0BB0BQ-CBOYCQA0C解：12CBoXCBA0又因为：n:n=20:1,代入可得:BABo20所以有CA0(E)Y2X-0.05QB将（E）式代入（C）式化简后可得:X2+X-0.050BB解此一元二次方程得：X=0048,也就是说

47、欲使乙二醇收率最大，关键组分水的B转化率为48%。（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X降低。如甲=25时，可视为CSTR,当空时与（2）中的B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ATP,其速率方程为反应温度下，k=1m3/kmol.min,，R二kCCkmol/m3.minAAPCA0二km/m3每小时处理lOOOmol原料，其中A占99%(mol),其余为P。要求最终转化率为90%。(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)如果采用循环反应器，请确定最佳循环比及

48、反应体积。(3)当循环比巾=8时，反应体积为多少？(4)当循环比巾=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R随C的变化存在极大值,AA(_RA)=k(C+C)-2kC=0QCAop0A所以(CALC+C=-A0P022+0.022=1.01kmol/m3(X)=1-C/C=1-1.01/2=0.495或：A8AA0其最大速率：(-R)=kCC=kC(C+C-C)=1.01(2.02-101)=1.02kmol/m3.minA8APAA0P0A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。F(X)1x0.99x0.495V=A08=r1kC(1-X)(

49、C+CX)60 x2(1-0.495)(0.02+2x0.495)A0A8P0A0A8=0.008m3弘J0.495JXdXV=FJAAAr2A0X2(1-X)(0.02+2X)2x2A8AA0.991.0.01+X=lna60 x41.011-XAV=V+V=0.008+0.009=0.017m3所需最小总体积：rr1r2(2)如采用循环反应器，如图示：0.90.495=0.009m30.9dX(1-X)(0.01+X)AA其基本设计式：V=F(1+屮)JXAfdXA-rA。XA1(-R)A1=FA0(1+屮)JXAfA1dXAkC2(1-X)(卩+X)A0AA式中B=C/C=0.01，为求

50、最佳循环比，令：QVp；JXd、1dXA匸=FJXAfAF(1+屮)al=0QvA0 x(R)A0R(Y)dXA1AA(XA1)(A)(B)屮XXf又因为A11+屮，所以dX(1+屮)X-屮XALAtALd(1+屮)2将式(C)代入式(B)整理得：XAfdXA(X-X)1X(一R)AfA1-R(X)A1AA(XA1)XdXX-XJXAfAAfALXkC2(1-X)(P+X)kC2(1-X)(P+X)即：XA1A0AAA0A1A1积分化简后得：(C)1,P+XlnA1+p1-XAXX-XAf=AfA1X(1-X1)(P+A1A1(D)屮XXAf将A11+屮代入(D)式，整理得:血匕f址Pi一(1

51、-Xf)p+v(P+XAf升卩+屮(卩(1+屮)(1+P)X人丐zF(E)卩-001,XAf-09代入(E)式化简得：0.91(1+0.1A)0.909(1+A)ln0.001+0.091V(0.01+0.91V)(1+0.1A)试差求得：屮041，即为最佳循环比。所以，对(A)式积分得屮041时的反应体积：F(1+A)0.909(1+A)0.99X1.41V一A0lnX3.210.018m3rkC2(1+p)(0.01+0.91V)(1+0.1v)60X22X1.01A0w(3)当循环比屮时，即为CSTR,反应体积为0.99X0.90.909(1+屮)01+X。9=0.028加0=y004m

52、3r60X22(1-0.9)(0.01+0.9)0当循环比屮0时，即为PFR,反应体积为0.99-FJXAfdXA-099InrA0022(1-X)(0.01+X)60X22(1+0.01)1-X4.23在常压和23(A)C下在管式反应器中进行纯度为90%的甲烷高温热裂解反应：C4十CH4十CH2十C+H2(A)(B)(D)其速率方程为：竺A二kCdr1AdC1b=kC-kCdr21A2b=kC-kCdr2B3D其速率常数为：k、=4.5x1013exp(-45800/T),s-1k=2.6x108exp(-20100/T),s-12k=1.7x106exp(-15100/T),s-13试问：

53、(1)若以CH为目的产物，忽略第三步反应，CH的最大收率为多少？(2)若考虑第三步反应，CH的最大收率是否改变？(3)用图表示各组分浓度随2空4时的变化关系。(4)若改变甲烷的进料浓度，产物分布曲线是否改变？(5)若改变反应温度，产物分布曲线是否改变？若提高反应温度，CH24的收率是增加还是减少？乙炔的收率是增加还是减少？解：由化学反应计量关系式可知，本反应是一个复杂的变容过程，计算是较复杂的。但是，实际上该高温裂解反应，为得到中间目的产物，通常XA只有A百分之几，所以为便于计算和讨论，本题可近似看成恒容过程。A1)2)3)若忽略第三步，C2H4的最大收率:YBmax=(紗2飓-k1)=(8.

54、37x1051.05x105)1.05x105/(8.37x105-1.05x105)=7.97-0.143=0.743(2)若考虑第三步反应，CH的最大收率不变，与(1)相同。3)用图表示各组分随空时2的4变化关系，由动力学数据可导出=Ce-k1rAA01Ck.、C=2Af-L(e-k2r一e-k1r)Bk-k121Ckk,e壮一e-k2re-k3r-e時、TOC o 1-5 h zC=2_A012()Dk-kk-kk-k122313因题中未给出原料的其他组分，现假定原料中不含产物，则最终产物C或H的2浓度据物料衡算导出，如C(这里假定碳的拟浓度，用C表示)CC=C-C-2C-2CCCA0ABDCCCY=1-4-2k-2d=X