化学反应工程课后习题答案详解

化学反应工程课后习题答案详解第1页/共72页第2页/共72页分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长；若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。第3页/共72页习题3-2解答(反应时间与反应体积无关）第4页/共72页习题3-3解答（1）PFR（2）CSTR解：（1）（2）操作条件不变，等体积反应器，则第5页/共72页习题3-4解答平推流全混流第6页/共72页习题3-5解答第7页/共72页习题3-6解答解：（1）串联两个体积0.25m3的CSTR试求下列方案的转化率。第8页/共72页第9页/共72页（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFR第10页/共72页（3）一个0.25m3的PFR，后接一个0.25m3的CSTR第11页/共72页（4）两个0.25m3的PFR串联第12页/共72页第13页/共72页习题3-7讲解3-7已知：下列各种情况下的反应体积。解：（1）单个PFR第14页/共72页第15页/共72页（2）单个CSTR第16页/共72页（3）两个CSTR串联第17页/共72页第18页/共72页习题3-8讲解3-8已知：如何调节加料速率，解：当反应达到平衡转化率时第19页/共72页第20页/共72页加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化率达到0.5。第21页/共72页习题3-9讲解3-9已知：进料浓度为CA0。试证明在PFR中，L最大收率为证明：第22页/共72页对于PFR：第23页/共72页第24页/共72页证毕。第25页/共72页习题3-10解答已知：B大量过量，tcAcMt10.0550.038t20.010.042【分析与解答】第26页/共72页结果为：解：（1）由于是间歇反应器，所以液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。tcAcLcMt10.0550.0070.038t20.010.0480.042第27页/共72页第28页/共72页第29页/共72页第30页/共72页习题3-11解答解：对于CSTR：第31页/共72页对于PFR：由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：第32页/共72页证毕。第33页/共72页习题3-12解答在平推流反应器中进行基元反应L为目的产物，已知，求L的最大收率及最优接触时间。解：根据同11题一样，求L的最大浓度。第34页/共72页数学知识：一阶非齐次线性微分方程：的通解为第35页/共72页则该反应的最佳时间为：CL存在极大值的必要条件是：CL的最大浓度为：第36页/共72页习题3-13解答CSTR求定状的反应温度和转化率。解：根据QR和QC方程确定定态点第37页/共72页第38页/共72页935.45分别作T~QR、QC1QC2、QC3曲线，有5个交点，其中是稳态操作点2个，分别为Q1=187.09,和Q2=935.45;对应温度分别为:T1=310KT2=345K187.09第39页/共72页第40页/共72页第41页/共72页3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？12456101173981513121416171819202122232425262728291~30有序无序1~30物料粒子从出口流出状况①先流入的物料粒子不一定先流出②同时流入的物料粒子不一定同时流出③物料粒子在反应器内的停留时间各不相同第42页/共72页反应器内的混合——不同停留时间的物料粒子间的混合，称之为返混。停留时间——①物料粒子从反应进口算起，到出口为止所耗费的时间；②物料粒子的标签，以区别物料在反应器内反应时间的不同；③描述物料粒子在反应器内返混程度强弱的一个参量。思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？第一节理想流动模型概述第43页/共72页物料粒子：②反应物料的最小构成单元；①认识反应物料的一种概念模型；③既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒；④等同于流体质点假说；⑤其大小与原子、分子相比，是一个很大的集合体，但与宏观颗粒相比，是一个微不足道的微小单元。第一节理想流动模型概述第44页/共72页流动模型1、理想置换——活塞流模型2、理想混合——全混流模型同一截面上组成、温度、流速、密度等均匀一致。不存在任何“返混”现象反应器内均匀一致，浓度、温度等参数与出口浓度相等。达到最大程度的“返混”第一节理想流动模型概述第45页/共72页理想流动反应器：物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器称为理想流动反应器。间歇反应器活塞流反应器全混流反应器——无返混，物料粒子同进同出。——无返混，物料粒子同进同出。——返混程度极大，不同停留时间的物料粒子混合均匀。（BSTR）（PFR）（CSTR）连续流动反应器第一节理想流动模型概述第46页/共72页没有混合（BSTR）（PFR）（CSTR）（平推流反应器）间歇反应器活塞流反应器全混流反应器第一节理想流动模型概述第47页/共72页思考题：试比较混合与返混的区别。混合返混*不同外观特征的个体混和在一起的过程*不同停留时间的个体混和在一起的过程*仅仅是空间位置的搅混过程*不仅是空间位置的搅混过程，而且是时间顺序的搅混（BSTR）有混合无返混第一节理想流动模型概述第48页/共72页偏离平推流的情况漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料截面上流速不均匀沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀第一节理想流动模型概述第49页/共72页偏离全混流的情况死角短路搅拌造成的再循环第一节理想流动模型概述第50页/共72页流动状况对化学反应的影响

-----由物料粒子的停留时间不同所造成短路、沟流停留时间减少转化率降低死区、再循环停留时间过长A+B→P：有效反应体积减少A+B→P→S产物P减少→停留时间的不均第一节理想流动模型概述第51页/共72页反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积规定任务+反应器结构和尺寸的优化第52页/共72页反应器设计的基本方程物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量流入流出反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应器积累第53页/共72页反应器设计的基本方程热量衡算方程带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量带入带出反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√传给环境反应器累积第54页/共72页反应器设计的基本方程动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。第55页/共72页例题讲解请考虑化学反应该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20℃，液料的体积流量为0.5m3/h,CA0=96.5mol/m3,CB0=184mol/m3,催化剂的浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速度方程为：

rA=kCACD式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的转化率为40%，试求反应器的体积。第56页/共72页解：设A的转化率为x，则有：对于全混流反应器，应有：第57页/共72页3-7理想流动反应器的组合与反应体积比较比较基准相同的反应，（一级不可逆反应）相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率相同体积比较参量（比什么）——不同组合方式下的出口浓度全混流第58页/共72页平推流mi1对于i级……第59页/共72页(a)CSTR——CSTR并联物料处理量V0均分到每个CSTR，则结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR并联组合生产，残余浓度低，转化率提高。分母增大残余浓度低停留时间延长第60页/共72页(b)CSTR——CSTR串联结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR串联组合生产，残余浓度比(a)更低，转化率比(a)更高。第61页/共72页(c)PFR——CSTR串联结论：完成相同生产任务，若用PFR-CSTR串联组合生产，残余浓度比(b)更低，转化率比(b)更高。第62页/共72页(d)CSTR——PFR串联结论：完成相同生产任务，若用CSTR

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PFR串联组合生产，残余浓度和转化率同©等效。第63页/共72页(e)PFR——PFR并联结论：完成相同生产任务，若用两台同体积PFR并联组合生产，出口浓度低，转化率较高。第64页/共72页(g)PFR——CSTR并联结论：完成相同生产任务，若用PFR

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CSTR并联组合生产，残余浓度为两者混合物的平均浓度。第65页/共72页相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率理想流动反应器反应体积比较比较基准比较参量（比什么）CSTR反应体积PFR反应体积——不同理想反应器的反应体积第66页/共72页相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率理想流动反应器反应体积比较比较基准比较参量（比什么）CSTR反应体积PFR反应体积——不同理想反应器的反应体积第67页/共72页比较基准相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率比较参量（比什么）（一级不可逆反应）多级CSTR与PFR比较第