化学反应工程例题.docx
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化学反应工程例题
例1。
1在350℃等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应,测得反应系统总压p与反应时间t的关系如下：
t/min0612263860
p/kPa66.762。
358。
953。
550。
446.7
试求时间为26min时的反应速率.
解：
以A和R分别代表丁二烯及其二聚物,则该二聚反应可写成:
2A→R
反应体系中各组分的浓度关系如下：
由理想气体定律得:
（Ａ）
p0为t=0时物系的总压，整理上式为：
（Ｂ）
将（B）式代入速率式中,得:
）
（c）
理想气体：
将CA0代入（C）式，为：
D
解析法:
对p—t关系进行回归分析,得：
图解法:
以p对t作图，如图所示。
于t＝26min处作曲线的切线，切线的斜率为dp/dt，该值等于‐0。
32kPa/min。
将有关数据代入（D）式，即得到丁二烯转化量表示的反应速率值.
若以生成二聚物表示反应速率，则：
1，
2
例1。
2等温进行醋酸（A）和丁醇（B）的酯化反应
醋酸和丁醇初始浓度为0。
2332和1.16kmol/m3。
测得不同时间下醋酸转化量如下表，试求该反应的速率方程。
时间
/h
醋酸转化量
/（kmol/m3）
时间
/h
醋酸转化量
/（kmol/m3）
时间
/h
醋酸转化量
/（kmol/m3）
0
0
3
0．03662
6
0．06086
1
0．01636
4
0．04525
7
0．06833
2
0．02732
5
0．05405
8
0．07698
解:
由题中数据可知醋酸转化率较低，且丁醇又大量过剩，可以忽略逆反应的影响，同时可以不考虑丁醇浓度对反应速率的影响.所以,设正反应的速率方程为:
（a）
以0级、1级、2级反应对上式进行积分式得：
当n=0时，（b
当n=1时，（c）
当n=2时，（d）
采用图解法和试差法，假设反应级数，将实验数据分别按0级、1级、2级反应动力学积分式做图,得到其f（CA）—t的关系曲线图，然后再根据所得的f（CA）—t的关系曲线图进行判断其动力学形式。
不同时间下f（CA）–t的变化关系
t/h
CA
CA0—CA
0
0.2332
0
0
0
1
0.2168
0。
01636
0。
0727
0.3244
2
0。
2059
0。
02732
0。
1246
05686
3
0.1966
0.03662
0。
1708
0.7983
4
0。
1879
0。
04525
0.2157
1.0337
5
0。
1792
0。
05405
0.2637
1。
2922
6
0.1723
0。
06086
0.3024
1.5157
7
0。
1649
0。
06833
0.03467
1。
7761
8
0。
1592
0.07398
0。
03816
1。
9932
零级反应和一级反应的f（CA）–t的关系图
如对t作图得一直线,则说明假设正确，由此可知反
应级数n＝２。
但丁醇浓度是否存在影响，还需做进一步实验证明。
对t作图为一直线，则说明n=2是正确的，故该反应对醋酸为二级反应,从直线的斜率可以求得在此温度下包含丁醇浓度的k’值。
而丁醇的反应级数m可以用保持醋酸浓度不变的方法求得,二者结合可以求得反应在此温度下的速率常数k。
例题1.3气相反应为一级反应A→3P速度常数k=0。
5min-1，反应在恒容间歇式反应器中进行，求1min后体系的总压,进料状况如下：
（a）纯A，0。
1Mpa；
（b）纯A,1Mpa；
（c）10%的A和90％的I（惰性气体）混合物，1MPa
解:
A→3P+I
整理得:
上式求导:
（1）
理想气体方程
所以得：
即:
（2）
比较
（1）、
（2），得:
即：
（3）
当t=0,p=p0积分（3）,得:
（4）
例1.4在一反应器中用硫酸作催化剂进行已二酸与乙二醇的聚合反应，其反应动力学方程为
若已二酸初始浓度为0。
02kmol/L，求乙二酸转化率为50％、60%、70％、80％、90%时的反应时间。
将：
将反应速率方程积分,得:
将有关数据代入上式，得:
XA/％
50
60
70
80
90
反应时间
t/min
250
375
583。
3
1000
3250
出口转化率越高，则反应时间越长，或体积越大.
例：
下述都是基元反应，试写出A、B、C、D、E的生成速率与各组分之间的关系式。
解
得;
例在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分的摩尔分数分别为C2H415％，O2 7％，CO210%，Ar12％，其余为N2，反应器出口气体中含C2H４和O2的摩尔分数分别为13。
1%，4。
8%。
试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。
C2H4+1/2O2→H2C—CH2
O
C2H4+3O2→2CO2+2H2O
解:
以l00mol进料为计算基准，设x和y分别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量,根据题给的进料组成和该反应系统的化学计量式，可列出下表。
反应器进口
反应器出口
C2H４
15
15−x−y/2
O2
7
7−x/2−3y/2
C2H４O
0
x
CO2
10
10+y
H2O
0
y
Ar
12
12
N2
56
56
总计
100
100−x/2
由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知，所以可列出下面两个方程：
和
解之得：
x=1。
504mo1，y=0。
989mo1
乙烯转化率：
乙烯的转化量=1.504+0。
989/2=1.999mo1x乙烯=1。
999/15=13.33%
列
CA0=1mol/L,S为目的产物,xA=80％，求组分A生成S的收率和选择性。
解：
积分上式得：
又A的转化率为:
xA=80%
CA=CA0（1–xA）=1（1–0。
8）=0。
2mol/L
积分得:
收率为:
例气相反应A→2P+S,在等温等压情况下进行反应，原料中含75%的A，25％的惰性气体（mol比）,经８分钟后，体积增加一倍，求此时的转化率及该温度下的速率常数。
解：
（1）求转化率
A → 2P + SI2
xA=00。
75000。
25
xA=102×0。
750。
750。
25
8min时：
得:
xA=0。
667
（2）求速率常数
所以得：
k=0。
1371/min
例:
设A为C4H8，B为C4H6,C为H2
解
（1）吸附控制
2）表面反应控制
（3）脱附控制
第二章
例题2-1己二酸和己二醇在间隙釜中以等摩尔比生产醇酸树脂,在70℃时，以H2SO4作催化剂进行缩聚反应，实验测得反应的动力学方程式为：
（–rA）=kCA2kmol/（L·min）,k=1。
97L/（kmol·min）CA0=0。
004kmol/L，当己二酸转化率分别为xA=0。
5、0。
6、0.8、0。
9时所需的反应时间为多少？
若每天处理2400kg己二酸,转化率为80％，每批操作的非生产时间为1hr，求反应器体积？
设反应器的装料系数为0。
75.
解：
（1）达到某转化率所需的反应时间：
（2）反应器体积的计算:
最终转化率为0。
80时，反应时间为8。
50hr，
每批生产时间=反应时间+非生产时间=9.5hr
反应器体积
VR=ν0t=171×9。
5=1630L=1。
63m3
考虑装料系数,故实际反应器体积：
例2-2同例2-1题意中的条件,计算转化率为80％和90%时，求平推流反应器体积？
解：
即：
当xA=0。
8时
当xA=0.9时
例2—3均相气体反应在185℃和0.5Mpa压力下按照反应式
A→3P
在平推流反应器中进行，已知速率方程为：
若进料中有50％的惰性气体，求A的转化率为80％时所需的时间τ
。
解：
对变容系统：
对于理想气体：
又
所以：
（1）采用数值积分法－辛普森公式
Xa
0
1。
00
1.00
0.2
1。
50
1。
224
0.4
2.33
1。
525
0。
6
4。
00
2。
00
0.8
9。
00
3。
00
所以得：
所需空时为:
（2）图解法
曲线下图形的面积：
（3）解析法：
例2—4有液相反应
在120℃时，正、逆反应的速度常数分别为：
k1=8L/（mol∙min）,k2=1.7L/（mol∙min）
若反应在一个CSTR中进行，其中物料容量为100L.二股物料同时等流量流入反应器，其中一股含A3。
0mol/L，另一股含B2.0mol/L，求B的转化率为80％时，每股料液的进料流量应为多少？
解:
根据题意,初始时各组分的浓度为：
B的转化率为80％，器内及出口物料组成为：
对于可逆反应：
全混釜
所以，两股进料中每一股的进料流量为2。
5L/min。
例2—5液相一级等温反应在间歇釜中达到70%转化率需要12min,若此反应移到相同温度下的平推流反应器和全混流反应器中进行时，所需要的空时和空速各为多少?
解:
间歇釜：
所以：
平推流反应器：
平推流反应器:
全混流反应器:
例2—6条件同例2—1,若采用全混流反应器生产，求己二酸转化率为80%和90％时，所需反应器的体积。
解：
反应器的体积
当xA=0.8时
当xA=0。
9时
将例2—1、2-2和本题的计算结果例入下表
反应器有效体积
平推流反应器
间歇釜
全混釜
转化率xA=0。
8
1。
45
2.17
7。
24
转化率xA=0.9
3。
25
4。
56
32.6
例2—7平推流反应器按下图进行并联、串联操作，求总进料流中进入支线A的分率为多少？
解：
支线A：
VA=40+40=80L
支线B：
VB=20+20=40L
两支线转化率相同，则：
所以总进料流中进入支线A的分率为2/3
例2—8条件同例1—3的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜,求己二酸转化率为80％时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积.
已知
解：
要求第四釜出口转化率为80%，即
以试差法确定每釜出口浓度
设τi=3h代入
由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、cA3、cA4，看是否满足cA4=0。
8的要求。
将以上数据代入，求得:
cA4=0.824kmol·m—3结果稍大，重新假设τi=3.14h,求得：
cA1=2。
202kmol·m—3
cA2=1。
437kmol·m—3
cA3=1。
037kmol·m—3
cA4=0。
798kmol·m-3基本满足精度要求.
若把一个CSTR一分为二,则只有第二个釜是在出口浓度下进行反
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