化学反应工程第五课后习题

化学反响工程第五版课后习题化学反响工程第五版课后习题化学反响工程第五版课后习题第一章在银催化剂进步行甲醇氧化为甲醛的反响：进入反响器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：〔摩尔比〕，反响后甲醇的转变率达72%，甲醛的收率为%。试计算1〕〔1〕反响的选择性；2〕〔2〕反响器出口气体的组成。解：〔1〕由〔〕式得反响的选择性为：〔2〕进入反响器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：〔摩尔比〕，当进入反响器的总原料量为100mol时，那么反响器的进料组成为组分摩尔分率yi0摩尔数ni0(mol)CH3OH2/〔2+4+〕=空气4/〔2+4+〕=水〔2+4+〕=总计设甲醇的转变率为XA，甲醛的收率为YP，依照〔〕和〔〕式可得反响器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：nA=nA0(1-XA)=molnP=nA0YP=molnC=nA0(XA-YP)=mol结合上述反响的化学计量式，水〔nW〕、氧气〔nO〕和氮气〔nN〕的摩尔数分别为：nW=nW0+nP+2nC=molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=molnN=nN0=mol所以，反响器出口气体组成为：组分摩尔数〔mol〕摩尔分率%CH3OHHCHOH2OCO2O2N21.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反响如下：由于化学平衡的限制，反响过程中一氧化碳不能够能全部转变为甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，立刻反响后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等局部放空，全局部经循环压缩机后与原料气混杂返回合成塔中。以以下图是生产流程表示图冷凝分别合成原料气

Bkg/h

粗甲醇

Akmol/h循环压缩100kmol

放空气体原料气和冷凝分别后的气体组成以下：〔mol〕组分原料气冷凝分别后的气体COH2CO2CH4N2粗甲醇的组成为CH3OH%,(CH3)2O%,C3H9OH%,H2O%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其他组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可局部溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO2,CO,H2,CH4,。假设循环气与原料气之比为〔摩尔比〕，试计算：〔1〕〔1〕一氧化碳的单程变换率和全程转变率；〔2〕〔2〕甲醇的单程收率和全程收率。解：〔1〕设新鲜原料气进料流量为100kmol/h，那么依照条件，计算进料原料气组成以质量分率表示以下：组分摩尔质量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)质量分率xi0%CO28H22CO244CH416N228总计100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=kmol。经冷凝分别后的气体组成〔亦即放空气体的组成〕以下：组分摩尔质量摩尔分率yiCO28H22CO244CH164N228总计100其中冷凝分别后气体平均分子量为M’=∑yM=mii又设放空气体流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h。对整个系统的N2作衡算得：28×1000+=(A)对整个系统就全部物料作衡算得：100×=B+(B)联立〔A〕、〔B〕两个方程，解之得A=hB=h反响后产物中CO摩尔流量为FCO=+(28×1000)将求得的A、B值代入得FCO=kmol/h故CO的全程转变率为由循环气与新鲜气之摩尔比，可得反响器出口处的CO摩尔流量为F’CO,0=100×+×100×=kmol/h所以CO的单程转变率为产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X甲/Mm=×32=kmol/h所以，甲醇的全程收率为Y总==%甲醇的单程收率为Y单==%反响动力学基础解：利用反响时间与组分A的浓度变化数据，作出CA～t的关系曲线，用镜面法求得t=时该点的切线，即为水解速率。切线的斜率为由〔〕式可知反响物的水解速率为解：是一个流动反响器，其反响速率式可用〔〕式来表示故反响速率可表示为：用XA～VR/Q0作图，过VR/Q0=的点作切线，即得该条件下的

dXA/d(V

R/Q0)值α。VR/Q0minXA%故CO的转变速率为解：利用〔〕式及〔〕式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成23m/m。解：由题中条件知是个等容反响过程，且A和B的初始浓度均相等，即为l，故可把反响速率式简化，得由〔〕式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得XA=%。解：题中给出450℃时的k2值，而反响是在490℃下，故第一要求出490℃时的k2值。利用〔〕试，求出频率因子A:490℃的Kp值由题给公式计算出求k1值：求各组分的分压值：各组分的分率及分压值为NH310%pNH3=3MPaN2%pN2=H2%pH2=Ar+CH4%pAr+CH4=反响速率为：解：图图〔1〕可逆反响可逆反响〔2〕放热反响吸热反响(3)M点速率最大，A点速率最小M点速率最大，A点速率最小(4)O点速率最大，B点速率最小H点速率最大，B点速率最小(5)R点速率大于C点速率C点速率大于R点速率(6)M点速率最大依照等速线的走向来判断H,M点的速率大小。解：从题中可知，反响条件除了温度不同样外，其他条件都同样，而温度的影响表现在反响速率常数k上，故可用反响速率常数之比来描述反响速率之比。解：〔1〕求出转变率为80%时各组分的分压：以100mol为基准x

SO2

O2

SO3

N2

∑007=×=2〕求与上述组成对应的平衡常数KP值：求平衡温度Te利用〔〕式求逆反响活化能值利用〔〕式求最正确温度TOP解：反响物A的耗资速率应为两反响速率之和，即利用〔〕式积分之解：以100mol为计算基准，设X为三甲基苯的转变率，Y为生成的甲苯摩尔数。〔1〕〔1〕用物料衡算求出口气体组成：组分名称X=0时X=时三甲基苯(A)〔1-X〕氢〔B〕二甲基苯(C)0甲烷(D)0+Y甲基苯〔E〕0Y∑由题给条件可知，混杂气中氢的含量为20%，所以有：解得Y=〔甲苯量〕生成的二甲基苯量：×生成的甲烷量：×+=节余的三甲基苯量：×〔〕=氢气含量为：20kmol故出口尾气组成为：三甲基苯%，氢气20%，二甲基苯%，甲烷%，甲基苯%。〔2〕〔2〕由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：解：〔1〕恒容过程，其反响式可表示为：反响速率式表示为：设为理想气体，反响物A的初始浓度为：亚硝酸乙脂的分解速率为：乙醇的生成速率为：〔2〕恒压过程，由于反响前后摩尔数有变化，是个变容过程，由〔〕式可求得总摩尔数的变化。由于反响物是纯A，故有：yA0=1。由〔〕式可求得组分的瞬时浓度：乙醇的生成速率为：解：〔1〕由题意可将反响速率表示为：对于恒容过程，那么有当XA0=时2〕对于恒压过程，是个变容反响过程，由〔〕式可求得总摩尔数的变化反响物A的原始分率：由〔〕式可求得转变率为80%时的浓度：解：方法〔1〕，先求出总摩尔变化数。第一将产物的生成速率变为对应的反响物的转变速率：总反响速率为：以一摩尔反响物A为基准，总摩尔变化数为：初始浓度为：那么有方法〔2〕，可将CA表示为：方法〔3〕，利用物料衡算可分别求出反响物A生成R及S的瞬时选择性SR,SS,所以可求出产物R及S的收率yR,yS,求得A转变率为85%时的分率：其中：解：依照速率控制步骤及定态近似原理，除表面反响外，其他两步到达平衡，描述以下：以表面反响速率方程来代表整个反响的速率方程：由于将代入上式得：整理得：将代入速率方程中其中解：依照速率控制步骤及定态近似原理，除表面反响步骤外，其他近似到达平衡，写出相应的覆盖率表达式：整个反响的速率方程以表面反响的速率方程来表示：依照总覆盖率为1的原那么，那么有：或整理得：将代入反速率方程，得：其中解：依照意，假反步以下：并假第二步是控制步，其速率方程就代表了整个反的速率方程：其他的两步可到达平衡，有：由于，有：将代入速率式，得：式中。故上述假设与意吻合。但上述假设的反步不是唯一的。解：先用分法求其力学方程。一不能够逆反，其速率表达式：分得：用～t作。t(h)01234567890作得向来，其斜率，故假一反是合理的，其力学方程可表示：用微分法求解力学方程第一用CA～t曲，在曲上取0，1，2，⋯⋯9h所点的切，了正确可采用面法，求得各切的斜率即的dCA/dt之，尔后再以dCA/dt～CA作，所求的dCA/dt以下表所示：t(h)0123456789CA(mol/l)dCA/dt(mol/一不能够逆反，用dCA/dt～CA作得向来，其斜率，其力学方程可表示：或将速率方程直化，即两取数，得：可化y=b+ax形式，利用多元回，可求得反数n=≈1，反速率常数可用一数学公式来合CA～t曲，尔后再将数学公式t求，求得dCA/dt来的正确。

k=。之，此法会比作法3釜式反响器解：〔1〕由于间歇反响器的反响时间与反响器的大小没关，所以反响时间仍为。解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为

,84

和

62kg/kmol,

每小时产乙二醇：20/62=kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反响时间：反响体积：〔2〕〔2〕反响器的实质体积：解：用A,B,R,S分别表示反响方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时辰盐酸的浓度〔也就是丙酸钠的浓度，由于其计量比和投量比均为1：1〕为：于是可求出A的平衡转变率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当CA=×l时，所对应的反响时间为48min。由于在同样条件下，间歇反响器的反响时间与反响器的大小没关，所以该生产规模反响器的反响时间也是48min。丙酸的产量为：500kg/h=min。所需丙酸钠的量为:=min。原料办理量为：反响器体积：实质反响体积：解：(1)〔由数值积分得出〕假设A全部转变为R,即XA=,那么由上面的积分式知，t→∝,这显然是不能够能的。解：(1)由于B过分，所以：恒容时：〔A〕(B)B〕式除以〔A〕式得：解此微分方程得：〔C〕将t1,CA,CC及t2,CA,CC数据代入〔C〕式化简得：解之得：先求出最大转变率:产物C的最大收率：产物C的最大浓度：解：依照题中给的两种反响情况，可分别列出微分方程，尔后进行求解。但仔细解析这两种情况，其实质是下述反响的特例：(A)当时，〔A〕式变为(B)当时，〔A〕式变为(C)当时，〔A〕式变为(D)其中式〔D〕即为书讲的一级不能够逆连串反响。可见只要获取〔可简单化简获取〔B〕,(C)及(D)式的解。对于(A)式，可列出以下微分方程组：

A〕式的解，那么(1)(2)(3)由题意知初始条件为：(4)联立求解此微分方程组可得：(5)(6)(7)式中，由以下式确定：(8)(9)现在可用上述结果对此题进行计算：1〕由〔5〕～〔9〕式得2〕当t→∝时，由〔5〕～〔9〕式得3〕此时为的情况，当t→∝时，由得：解：〔1〕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，故应按主反响的计量比投料为好。2〕保证CA低，CB高，故可用以以下图所示的多釜串通方式：3〕用半间歇反响器，假设欲使CA低，CB高，能够将B一次先参加反响器，尔后滴加A.解：〔1〕苯酚浓度苯酚产量〔2〕全混流反响器苯酚产量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响物浓度低，反响速度慢的原因。4〕由于该反响为一级反响，由上述计算可知，无论是间歇反响器或全混流反响器，其原料办理量不变，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反响器中苯酚的产量均增加一倍。解：〔1〕第二章题已求出t==(2)假设转变率仍为，且温度为常数，那么D的瞬时选择性为：D的收率：这说明能使D的收率到达70%〔4〕对全混流反响器，假设使τ=t=,那么有解之得：CA=所以：这说明在这种情况下转变率达不到95%。〔1〕〔5〕对全混流反响器，假设X=,那么R的收率为：〔6〕依题意知半间歇式反响器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组A的转变率及R的收率，需要求出A及R的浓度随时间的变化关系，现列出以下的微分方程组：对A:〔1〕对R:〔2〕〔3〕在反响时间〔t=,为方便起见取t≈〕内将m3的A均速参加反响器内，故采用间歇釜操作时，原料为3A与B的混杂物，A的浓度为2kmol/m.现采用半间歇釜操作，且，故可算出原料A的浓度为：由于：代入〔1〕，〔2〕式那么得以下一阶非线性微分方程组：〔4〕〔5〕初始条件：t=0,CA=0,CR=0可用龙格---库塔法进行数值求解。取步长△t=，直至求至t=即可。用t=时的CA和CR能够进行A的转变率和R的收率计算：式中VA为所参加的A的体积，且VA=;CA0为所参加的A的浓度，且CA0=7kmol/m3；V为反响结束时物系的体积，V=。同理能够计算出R的收率：解：〔1〕对上式求dVr/dXA1=0可得：将XA2=代入上式，那么解之得XA1=所以总反响体积的最小值为(2)即3解得CB1=kmol/m解得CB2=kmol/m3的收率：(3)目标函数改为B的收率，这时的计算步骤以下：对于第i个釜，组分A,B的衡算方程分别为：对A:对B:当i=1时，〔1〕〔2〕当i=2时，〔3〕〔4〕由〔1〕式解出CA1代入〔2〕式可解出CB1;由〔1〕式解出CA1代入〔3〕式可解出CA2;将CB1及CA2代入〔4〕式可解出CB2,其为τ1,τ2的函数，即〔5〕式中CA0为常数。由题意，欲使CB2最大，那么需对上述二元函数求极值:联立上述两个方程能够求出τ1及τ2。题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反响器系统的整体积。将τ1,τ2代入〔5〕式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2代入CA2，那么由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最后转变率。解：即得：整理得：解得：XAf=反响器出口A,B得浓度分别为：〔1〕所需的反响体积；〔1〕〔2〕B及D的收率。操作温度下，k1=×10-5l/;-9-1;-5k2=×10s;k3=×10l/;B的分子量为140；D的分子量为140。〔1〕〔2〕〔3〕由〔2〕，〔3〕式分别得：〔4〕〔5〕将〔4〕，〔5〕式及上述数据代入〔1〕式，可整理为τ的代数方程式，解之得τ=×105s=1〕〔1〕反响体积2〕〔2〕将τ代入〔4〕式得，所以B的收率为：对A作物料衡算：所以有：所以D的收率为：3．20解：〔1〕二个300l全混串通釜，XA2=，〔1〕〔2〕解得：XA1=代入〔1〕式求出此系统的体积流量：题中已算出。由于最后转变率同样，故生产能力增加=倍。2〕二个300l釜并联，在最后转变率同样时，Q0增加一倍，生产能力也增加一倍。3．21解：〔1〕〔1〕求转变率：解得:XAf=反响器出口物料中醋酐浓度：．22解：1〕〔1〕一级不能够逆反响：所以Q0=h丙二醇的浓度=丙二醇的产量=采用定态下连续操作所以Q0=h丙二醇的产量=〔3〕因连续釜在低的反响物浓度下操作，反响速率慢，故产量低。管式反响器在常压及800℃等温下在活塞流反响器中进行以下气相均相反响：在反响条件下该反响的速率方程为：式中CT及CH分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料办理量为2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。假设反响器的直径为50mm，试计算甲苯最后转变率为95%时的反响器长度。解：依照题意可知甲苯加氢反响为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：，那么有：示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：所以，所需反响器体积为：所以，反响器的长度为：依照习题所规定的条件和给定数据，改用活塞流反响器生产乙二醇，试计算所需的反响体积，并与间歇釜式反响器进行比较。解：题给条件说明该反响为液相反响，可视为恒容过程，在习题中已算出：所以，所需反响器体积：由计算结果可知，活塞流反响器的反响体积小，间歇釜式反响器的反响体积大，这是由于间歇式反响器有辅助时间造成的。×105Pa及20℃下在反响体积为的活塞流反响器进行一氧化氮氧化反响：式中的浓度单位为kmol/m3。进气组成为10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,假设进气流量为h〔标准情况下〕，试计算反响器出口的气体组成。解：由NO氧化反响计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：〔A〕示中A,B分别代表NO和O2。由题意可知，假设能求得出口转变率，由〔〕式得：即可求出反响器出口气体组成。：所以，反响速率为：再将有关数据代入〔A〕式：〔B〕用数值积分试差求得：所以，另：此题由于惰性气体N2占80%，故此反响过程可近似按恒容过程办理，也不会有太大的误差。在内径为的活塞流反响器中将乙烷热裂解以生产乙烯：5反响压力及温度分别为×10Pa及815℃。进料含50%(mol)C2H6,其他为水蒸汽。式中pA为乙烷分压。在815℃时，速率常数，平衡常数，假设其他副反响可忽略，试求：1〕〔1〕此条件下的平衡转变率；2〕〔2〕乙烷的转变率为平衡转变率的50%时，所需的反响管长。解：〔1〕设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。此条件下的平衡转变率可按平衡式求取：假设以1摩尔C2H6为基准，反响前后各组分的含量以下：反响前10012平衡时1-XeXeXe12+Xe所以，平衡时各组分分压为：将其代入平衡式有：解此一元二次方程得：2〕〔2〕所需的反响管长：第一把反响速率方程变为以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。：代入物料衡算式有其反响管长：于277℃，×105Pa压力下在活塞流反响器进行气固相催化反响:催化剂的堆密度为700kg/m3,在277℃时，B的转变速率为：式中的分压以Pa表示，假设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%时，所需的催化剂量是多少？反响体积时多少？乙酸乙酯的产量为2083kg/h。B组分转解：由反响计量方程式知反响过程为恒容过程，将速率方程变为化率的函数，其中：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%B,%A,%Q。于是有：将上述有关数据代入设计方程：采用数值积分即可获取所需的催化剂量：其反响体积为：二氟一氯甲烷分解反响为一级反响:流量为2kmol/h的纯CHClF2气体先在预热器预热至700℃，尔后在一活塞流反响器中700℃等温下反响。在预热器中CHClF2已局部转变，转变率为20%。假设反响器入口处反响气体的线速度为20m/s，当出口处CHClF2的转变率为%时，出口的气体线速度时多少？反响器的长度是多少？整个系统的压力均为×105Pa，700℃时的反响速率常数等于。假设流量提高一倍，其他条件不变，那么反响器长度是多少？解：反响历程如以以下图所示：反响器预热器温度T0Tin线速度u0uin转变率XA0=0XA,in该反响为变容过程，其中，

Tf=TiNufXA,f由〔〕式知：由条件，且考虑温度的影响可算出转变率为零时的线速度：其出口处气体线速度为：由设计方程计算出反响器长度：那么需求出以反响器入口为基准的出口转变率XAf。据XA=FA0-FA/FA0，可求出FA,in=h,FAf=h,所以，XAf=。所以有：这是由于反响器的截面积没有固定，固定的是反响气体的线速度等条件，所以，当流量提高一倍时，而其他条件不变，那么反响器的长度其实不变，可是其截面积相应增加。拟设计一等温反响器进行以下液相反响：目的产物为R，且R与B极难分别。试问：1〕〔1〕在原料配比上有何要求？2〕〔2〕假设采用活塞流反响器，应采用什么样的加料方式？3〕〔3〕如用间歇反响器，又应采用什么样的加料方式？解：对于复合反响，选择的原那么主若是使目的产物R的最后收率或选择性最大，依照动力学特色，其瞬时选择性为：由此式可知要使S最大，CA越小越好，而CB越大越好，而题意又给出R与B极难分别，故又要求CB不能够太大，兼顾两者要求：1〕原料配比，若是R与B极难分别为主要矛盾，那么除去第二个反响所耗资的A量外，应按第一个反响的化学计量比配料，而且使B组分尽量转变。2〕假设采用PFR，应采用以以下图的加料方式，即A组分沿轴向侧线分段进料，而B那么在入口处进料。3〕如用半间歇反响器，应采用B一次全部参加，尔后慢慢参加A组分，直到到达要求的转变率为止。在管式反响器中400℃等温下进行气相均相不能够逆吸热反响，该反响的活化能等于mol。现拟在反响器大小，原料组成及出口转变率均保持不变的前提下〔采用等温操作〕，增产35%，请你拟订一详尽措施〔定量说明〕。设气体在反响器内呈活塞流。解：题意要求在反响器大小，原料组成和出口转变率均保持不变，由下式：可知，Q0与反响速率常数成正比，而改变反响温度又只与应温度可使其增产。详尽值为:

k有关，所以，提高反解此式可得：

T2=。即把反响温度提高到下操作，可增产

35%。依照习题所给定的条件和数据，改用活塞流反响器，试计算苯酚的产量，并比较不同样种类反响器的计算结果。解：用活塞流反响器：将数据代入得：解得：，所以苯酚产量为：由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反响器的苯酚产量，也大于间歇式反响器的产量。但间歇式反响器假设不计辅助时间，其产量与PFR的产量同样〔自然要在同样条件下比较〕。依照习题所给定的条件和数据，改用活塞流反响器，反响温度和原料组成均保持不变，而空时与习题〔1〕的反响时间同样，A的转变率可否可到达95%？R的收率是多少？解：对于恒容过程，活塞流反响器所需空时与间歇反响器的反响时间同样，所以A的转变率是能够到达95%的。R的收率与间歇反响器时的收率也同样，前已算出收率为%。依照习题所给定的条件和数据，改用活塞流反响器，试计算：〔1〕所需的反响体积；〔2〕假设用两个活塞流反响器串通，总反响体积是多少？解：〔1〕用PFR时所需的反响体积：〔2〕假设用两个PFR串通，其总反响体积与〔1〕同样。在管式反响器中进行气相基元反响：，参加物料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，反响在气相中进行。操作压力为×105Pa，B的饱和蒸汽压为×104Pa，反响温度340℃，反响速23率常数为10m/，计算A的转变率达50%时，A的转变速率。如A的流量为min，反响体积是多少？解：此反响为气相反响，从化学计量方程式看，是变容反响过程，但气相中pB为常数，故可看作恒容过程。假设为理想气体，其中：当XA=50%时，A的转变速率为：当时，所以，此时所需反响体积为：在一活塞流反响器中进行以下反响：3两反响均为一级，反响温度下，k1=，k2=。A的进料流量为3m/h,其中不含P和Q，试计算P的最高收率和总选择性及到达最大收率时所需的反响体积。解：对一级连串反响可得以下关系是：(A)假设求最高收率，即令：，可获取：将(XA)m代入〔A〕式得最高收率：的总选择性：到达最大收率时的反响体积为：液相平行反响：式中为化学计量系数。目的产物为P。1〕〔1〕写出瞬时选择性计算式。2〕〔2〕假设，试求以下情况下的总选择性。〔a〕〔a〕活塞流反响器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；〔b〕〔b〕连续釜式反响器，浓度条件同〔a〕；c〕〔c〕活塞流反响器，反响物A和B的参加方式如以以下图所示。反响物A从反响器的一端连续地参加，而B那么从不同样地址处分别连续参加，使得器内各处B的浓度均等于1kmol/m3,反响器出入口处A的浓度分别为19和1kmol/m3。解：〔1〕设A为要点组分，目的产物P的瞬时选择性为：假设，求以下情况下的总选择性。〔a〕活塞流反响器,由于CA0=CB0,其化学计量系数同样，所以CA=CB，那么有，所以连续釜式反响器(c)PFR,且B侧线分段进料，器内B的浓度均等于1kmol/m3,那么在活塞流反响器中等温等压〔×104Pa〕下进行气相反响:式中PA为A的分压Pa，原料气含量A10%〔mol〕，其他为惰性气体。假设原料气处3理量为1800标准m/h，要求A的转变率到达90%，计算所需的反响体积及反响产物Q的收率。解：此反响为复合反响系统，一般需要多个物料衡算式联立求解，方能解决问题。但这里三个平行反响均为一级，可简化办理。其组分A的总转变速率为：又为变容过程：其中，所以有所需反响体积为：产物Q的收率：在充填钒催化剂的活塞流反响器中进行苯〔B〕氧化反响以生产顺丁烯二酸酐〔MA〕：这三个反响均为一级反响，反响活化能〔kJ/mol〕以下：E1=70800,E2=193000,E3=124800指前因子〔kmol/〕分别为A1=,A2=×108,A3=反响系在×105Pa和704K等温进行。原料气为苯蒸汽与空气的混杂气，其中含苯%〔mol〕。现拟生产顺丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最后收率为42%。假设〔1〕可按恒容过程办理；〔2〕可采用拟均相模型。试计算〔1〕苯的最后转变率；〔2〕原料气需用量；〔3〕所需的催化剂量。解：〔1〕由题意知：，解之得：或：且：解此一阶线性微分方程有：：代入上式化简获取：经过试差求出：〔2〕原料气需用量。由收率定义知：总原料气为：〔3〕欲使XB到达%，所需催化剂量由物料衡算式求得：〔1〕写出绝热管式反响器反响物料温度与转变率关系的微分方程；〔2〕在什么情况下该方程可化为线性代数方程，并写出方程。答复以下问题〔1〕，2〕时必定说明所使用的符号意义；3〕计算甲苯氢解反响的绝热温升。原料气温度为873K，氢及甲苯的摩尔比为5。反响热△H298=-49974J/mol。热容〔J/molK〕数据以下：H2:CP=CH4:CP=+C6H6:CP=+C6H5CH3:CP=+4〕在〔3〕的条件下，如甲苯最后转变率到达70%，试计算绝热反响器的出口温度。解：〔1〕绝热管式反响器反响物料温度T与转变率XA的微分方程：(A)式中为基准温度下的热效应；Cpt为反响物料在基准温度下与反响温度T之间的热容；wA0为组分A的初始质量分率；MA为组分A的分子量。2〕若是不考虑热容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取代，那么积分(A)式得：(B)式中：T0为反响入口；XA0为初始转变率：此时〔A〕式化为线性方程。当XA0=0时，又可写成：3〕求绝热温升。T0=873K,XA0=0,A表示要点组分甲苯，其初始摩尔分率yA0=1/6,为计算方便将(B)式改写成：(C)此时是以摩尔数为基准的。选入口T0为基准温度，需求出反响热，以转变1mol甲苯为计算基准，那么有：从基准温度T0到出口温度反响物料的平均热容为：(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：(E)由于反响出口未知，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=时，绝热反响器的出口温度：氨水〔A〕与环氧乙烷〔B〕反响以生产一乙醇胺(M)，二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反响以下：反响速率方程为：该反响系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺。1〕〔1〕请你提出原料配比的原那么，并说明原因。2〕〔2〕选定一种合适的反响器型式和操作方式。3〕〔3〕依照〔2〕的结果，说明原料参加方式。4〕〔4〕反响时间可否有所限制？为什么？解：〔1〕假设提出原料配比原那么，应解析其动力学特色。这里以分，目的产物M的瞬时选择性：

B为要点组由此看出CA增大时，那么S也增大，无疑，相对来说

CB减少。也就是说配比原那么是：赞同的条件下，尽量使A过分。〔2〕依照〔1〕的结果，可选活塞流反响器，并使

B从侧线分段进料，而

A从入口进料，采用连续操作，以以下图：3〕加料方式如〔2〕中的图示。4〕反响时间即停留时间有限制，由于目的产物M为中间产物，存在最正确收率，为到达最大收率，须控制最正确反响时间。33现有反响体积为1m的活塞流反响器两个，拟用来分解浓度为m的过氧化氢异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮。该反响为一级不能够逆反响，并在86℃等温下进行，此时反响速率常数等于。过氧化氢异丙苯溶液办理量为min。试计算以下各种情况下过氧化氢异丙苯溶液的转变率。1〕〔1〕两个反响器串通操作；2〕〔2〕两个反响器并联操作，且保持两个反响器的原料办理量同样，即均等于m3/min；3〕〔3〕两个反响器并联操作，但两者原料办理量之比为1：2，即一个为m3/min，另一个那么为m3/min；4〕〔4〕用一个反响体积为2m3的活塞流反响器取代；〔5〕〔5〕假设将过氧化氢异丙苯的浓度提高到4kmol/m3，其他条件保持不变，那么，上列各种情况的计算结果可否改变？相应的苯酚产量可否改变？6〕〔6〕比较上列各项的计算结果并谈论之，从中你获取哪些结论？解：〔1〕两个反响器串通操作如图示：总反响体积为：将有关数据代入即得：2〕结果同〔1〕。3〕第一个反响器，，而第二个反响器，，两个反响器出口混杂后：3〔4〕用一个反响体积为2m取代，其结果同〔1〕。〔5〕当CA0提高到4kmool/m3时，由可知，转变率与CA0没关，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〕说明苯酚产量与CA0成正比，即产量增加。6〕从上列各种计算结果比较看出：〔a〕几个PFR串通与用一个大的PFR，只要保持两者的整体积同样，其收效是同样的。〔b〕在并联时，只要保持，其结果也是同样的。但时，其总转变率是下降的。〔c〕对一级反响最后转变率与CA0没关，但目的产物的产量与CA0成正比关系。在活塞流反响器中绝热进行丁二烯和乙烯合成环乙烯反响:该反响为气相反响，反响速率方程为：5进料为丁二烯与乙烯的等摩尔混杂物，温度为440℃。操作压力×10Pa。该反应的热效应等于×105kJ/mol。假设各气体的热容为常数，且CPA=154,CPB=,CPR=249,单位为J/。要求丁二烯的转变率达12%，试计算1〕〔1〕空时，平均停留时间及出口温度；2〕〔2〕假设改在440℃低等温进行，重复〔1〕的计算；3〕〔3〕440℃低等温反响时所需移走的热量。解：〔1〕此反响为绝热变温变容反响，空时：平均停留时间：出口温度：，：，并假设选入口温度440℃为基准温度，题给为440℃下的热效应。假设以1molA为基准，那么：反响前1102XA1-XA1-XAXA2-XA所以，当XA=时，将数据代入并用数值积分得：〔2〕在440℃低等温反响〔3〕440℃等温反响，需移走热量，若是忽略由于反响造成的各组分的变化所引起的热容量变化，那么假设保持等温反响必定移走反响所放出的热量：其中

FA6的单位为

mol/h环氧乙烷与水反响生成乙二醇，副产二甘醇：这两个反响对各自的反响物均为一级，速率常数比k2/k1为2，原料中水与环氧乙烷的摩尔比为20，且不含产物。1〕〔1〕选择何种型式的反响器好？2〕〔2〕欲使乙二醇的收率最大，转变率为多少？3〕有人以为采用活塞流反响器好，乙二醇收率高但环氧乙烷转变率低，故建议采用循环反响器以提高总转变率，你以为这种建议可否可行？若是循环比ψ=25，并使空时与第〔2〕问的空时相等，那么此时总转变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H2O(B)为要点组分，环氧乙烷，乙二醇分别用A和Q表示。那么乙二醇的瞬时选择性为：解析可知欲使S↑必定使CB↑，即使H2O过分，所以选PFR，且水从反响器入口进料，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〔E〕为连串反响，存在最大收率〔对乙二醇而言〕，此反响为液相反响可视为恒容过程，依照速率方程有：(A)因，故上式又可写成：(B)初始条件XB=0,YQ=0,解此一阶线性常微分方程有：(C)令有：此题给原料中水与环氧乙烷的摩尔比为20，其转变率是不能够能到达这最正确转变率的。但它告诉我们，当CA=0时，为乙二醇的最大收率，即：(D)解：又由于：nB:nA=20:1，所以有代入可得：(E)将〔E〕式代入〔C〕式化简后可得：解此一元二次方程得：XB=，也就是说欲使乙二醇收率最大，要点组分水的转变率为%。3〕有人建议采用循环反响器，以提高转变率是不能够的，由于增加了返混，降低了反响速率，反而使XB降低。如Ψ=25时，可视为CSTR,当空时与〔2〕中的空时相等时，使总转变率下降，且使乙醇收率降低。有一自催化液相反响，其速率方程为，反响温度下，，每小时办理1000mol原料，其中A占99%〔mol〕，其他为P。要求最后转变率为90%。1〕〔1〕为使所需反响体积最小，采用何种型式反响器好？并算出你所采用的反响体积。2〕〔2〕若是采用循环反响器，请确定最正确循环比及反响体积。3〕〔3〕当循环比ψ=∞时，反响体积为多少？4〕〔4〕当循环比ψ=0时，反响体积为多少？解：〔1〕从自催化反响动力学特色可知，速率RA随CA的变化存在极大值，令：所以或：其最大速率：故采用两器串通可使反响体积最小，如图示，以极值处为两器的分界线。所需最小整体积：如采用循环反响器，如图示：其根本设计式：(A)式中β=CP0/CA0=，为求最正确循环比，令：(B)又由于,所以(C)将式〔C〕代入式〔B〕整理得：即：积分化简后得：(D)将代入〔D〕式，整理得：(E)将代入〔E〕式化简得：试差求得：，即为最正确循环比。所以，对〔A〕式积分得时的反响体积：3〕当循环比时，即为CSTR，反响体积为4〕当循环比时，即为PFR，反响体积为在常压和2300℃下在管式反响器中进行纯度为90%的甲烷高温热裂解反响：其速率方程为：其速率常数为：试问：1〕〔1〕假设以C2H4为目的产物，忽略第三步反响，C2H4的最大收率为多少？2〕〔2〕假设考虑第三步反响，C2H4的最大收率可否改变？3〕〔3〕用图表示各组分浓度随空时的变化关系。4〕〔4〕假设改变甲烷的进料浓度，产物分布曲线可否改变？5〕〔5〕假设改变反响温度，产物分布曲线可否改变？假设提高反响温度，C2H4的收率是增加还是减少？乙炔的收率是增加还是减少？解：由化学反响计量关系式可知，本反响是一个复杂的变容过程，计算是较复杂的。但是，实质上该高温裂解反响，为获取中间目的产物，平时XA只有百分之几，所以为便于计算和谈论，此题可近似看作恒容过程。1〕〔1〕假设忽略第三步，C2H4的最大收率：2〕〔2〕假设考虑第三步反响，C2H4的最大收率不变，与〔1〕同样。3〕〔3〕用图表示各组分随空时的变化关系，由动力学数据可导出因题中未给出原料的其他组分，现假设原料中不含产物，那么最后产物浓度据物料衡算导出，如C(这里假设碳的拟浓度，用CC表示)或：所以，各组分Ci/CA0～τ的关系可据上式做出，其表示图以下：

C或

H2的假设改变甲烷的进料浓度，产物相对浓度分布曲线趋势不变，但产物浓度的绝对量是变的。5〕假设改变反响温度，产物分布曲线改变。假设提高反响温度，有利于活化能大的反响，所以C2H4的收率增加，而乙炔收率减少。温度为1000K的纯丙酮蒸汽以8kg/s的流量流入内径为26mm的活塞流反响器，在其中裂解为乙烯酮和甲烷：该反响为一级反响，反响速率常数与温度的关系为：k的单位为s-1。操作压力为162kPa。反响器用温度为1300K的恒温热源供热，2热源与反响气体间的传热系数等于110W/mK，要求丙酮的转变率达20%。各反响组分的热容〔J/〕与温度〔K〕的关系以下：298K时的反响热等于mol。1〕〔1〕计算所需的反响体积；2〕〔2〕绘制轴向温度分布及轴向丙酮浓度分布图。解：此反响为非绝热变容变温反响。其中。现选入口温度T0为基准温度，需求出：将有关数据代入得尔后将所需数据代入根本设计方程得微分方程组：式中，此方程组用数值法求解。这里为方便学生用手算采用改进欧拉法，计算结果列入表中：丙酮裂解反响器的轴向XA和CA及T的分布T,KZ,mXACA,mol10181027到达20%转变率所需反响体积，可按线性内插法确定反响器轴向长度：再求反响体积：显然，气体流过这样长的管道压力降是不能够忽略的。而上述计算是基于等压情况办理的，较正确的计算应试虑压降的影响，应再加一个动量衡算式，尔后再联立求解。但是，实质上这样长的管道是不能够取的，应试虑很多根管子并联，即列管式反响器，这里不再多述。〔2〕可依照表中数据绘制轴向反响温度及丙酮浓度分布图。〔这里从略〕在等温活塞流反响器中进行一级不能够逆反响，正逆反响的反响速率常数和与温度的关系以下：要求最后转变率为90%，试问在什么温度下操作所需的反响体积最小？解：由〔〕式：可知，当时，即，所以，故可判断此反响为可逆放热反响。据式〔〕求最正确温度，其中Te为对应于转变率为90%时的平衡温度，对一级可逆反响有：所以：即，在下操作所需的反响体积最小。停留时间分布与反响器设F(θ)及E(θ)分别为闭式流动反响器的停留时间分布函数及停留时间分布密度函数，θ为对照时间。1〕〔1〕假设该反响器为活塞流反响器，试求〔a〕〔a〕F(1)(b)E(1)(c)F(d)E(e)E假设该反响器为全混流反响器，试求〔a〕F(1)(b)E(1)(c)F(d)E(e)E假设该反响器为一个非理想流动反响器，试求〔a〕F(∞)(b)F(0)(c)E(∞)(d)E(0)(e)(f)解：〔1〕因是活塞流反响器，故吻合理想活塞流模型的停留时间分布，由〔〕式可得：(a)F(1)=(b)E(1)=∝(c)F=0(d)E=0(e)E=0〔2〕〔2〕因是全混流反响器，故吻合理想全混流模型的停留时间分布，由〔〕式可得：〔a〕F(1)=1-e-1=(b)E(1)=e-1=(c)F=1-=(d)E==(e)=E=〔3〕〔3〕因是一个非理想流动反响器，故可得：〔a〕F(∞)=1(b)F(0)=0(c)E(∞)=0(d)E(0)>1(e)=1(f)=1用阶跃法测定一闭式流动反响器的停留时间分布，获取走开反响器的示踪剂与时间的关系以下：试求：1〕〔1〕该反响器的停留时间分布函数F(θ)及分布密度函数E(θ)。2〕〔2〕数学希望及方差。3〕〔3〕假设用多釜串通模型来模拟该反响器，那么模型参数是多少？4〕〔4〕假设用轴相扩散模型来模拟该反响器，那么模型参数是多少？5〕假设在此反响器内进行一级不能够逆反响，反响速率常数k=1min-1，且无副反应，试求反响器出口转变率。解：〔1〕由图可知C0=C(∝)=，而F(θ)=F(t)=C(t)/C(∝)，所以：如以以下图所示：由〔〕式可得平均停留时间：即为上图中阴影面积。由〔〕式得：所以：如右图所示：〔2〕由于是闭式系统，故，所以由式〔〕可得方差：3〕由〔〕式可得模型参数N为：4〕〔4〕由于返混很小，故可用，所以：5〕用多釜串通模型来模拟，前已求得N=75，应用式〔〕即可计算转变率：同理，亦可用扩散模型即〔〕式得XA=。两种方法计算结果相当吻合。用阶跃法测定一闭式流动反响器的停留时间分布，获取走开反响器的示踪剂与时间的关系以下：t,s01525354555657590100C(t),g/cm301〕〔1〕试求该反响器的停留时间分布及平均停留时间。2〕假设在该反响器内的物料为微观流体，且进行一级不能够逆反响，反响速率常数k=,预计反响器出口处的转变率。3〕假设反响器内的物料为宏观流体，其他条件均不变，试问反响器出口处的转变率又是多少？解：〔1〕由式〔〕计算出反响器的停留时间分布，即：F(t)=C(t)/C(∝)=C(t)/所得数据见下表所示：t,s01525354555657595100F(t0)将上述数据作图即为反响器停留时间分布。依照由右图可知，可用试差法获取，使两块阴影面积相等。由图试差得。2〕因进行的是一级反响，故可采用离析流模型预计反响器出口转变率。由式〔〕可得间歇反响器中进行一级不能够逆反响时转变率与反响时间的关系：代入离析流模型可得反响器出口处平均转变率：A〕采用图解积分法对〔A〕式进行积分，其中不同样时间t下的F(t)如上表所示，的值列于下表中：t015253545556575951000以F(t)～作图，计算积分面积得：3〕〔3〕由于是一级反响，所以混杂态对反响速率无影响，故反响器出口转变率#与微观流体时同样，即。为了测定一闭式流动反响器的停留时间分布，采用脉冲示踪法，测得反响器出口物料中示踪剂浓度以下：t,min012345678910C(t),g/l0035663210试计算：1〕〔1〕反响物料在该反响器中的平均停留时间和方差。2〕〔2〕停留时间小于的物料所占的分率。解：〔1〕依照题给数据用〔〕