化学反应工程第三章答案Word文档下载推荐.docx
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32.1
23。
5
18。
9
14。
4
10。
现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h,且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%.试计算反应器的反应体积。
假定
（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min,且在加热过程中不进行反应；
（2）卸料及清洗时间为10min；
（3）反应过程中反应物密度恒定。
解：
用A,B，R，S分别表示反应方程式中的四种物质,利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1:
1）为：
于是可求出A的平衡转化率:
现以丙酸浓度对时间作图：
由上图，当CA=0。
0515×
14.7mol/l时，所对应的反应时间为48min.由于在同样条件下,间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min.
丙酸的产量为：
500kg/h=112.6mol/min。
所需丙酸钠的量为：
112。
6/0。
72=156。
4mol/min。
原料处理量为:
反应器体积：
实际反应体积：
3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应:
其反应速率方程为：
式中组分A及B的浓度CA及CB以kmol/m3为单位,温度T的单位为K。
该反应的热效应等于-4000kJ/kmol.反应开始时溶液不含R,组分A和B的浓度均等于0。
04kmol/m3，反应混合物的平均热容按4。
102kJ/m3.K计算。
反应开始时反应混合物的温度为50℃。
试计算A的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度.
如果要求全部反应物都转化为产物R，是否可能?
为什么?
（1）
（由数值积分得出）
（2）若A全部转化为R，即XA=1。
0，则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的.
5在间歇反应器中进行液相反应:
A的初始浓度为0。
1kmol/m3,C，D的初始浓度为零，B过量，反应时间为t1时,CA=0。
055kmol/m3，CC=0.038kmol/m3，而反应时间为t2时，CA=0。
01kmol/m3，CC=0。
042kmol/m3，试求：
（1）
k2/k1；
（2）产物C的最大浓度；
（3）
对应C的最大浓度时A的转化率。
（1）因为B过量，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：
（2）先求出最大转化率：
（3）产物C的最大收率：
产物C的最大浓度:
6在等温间歇反应器中进行液相反应
初始的反应物料中不含A2和A3,A1的浓度为2mol/l,在反应温度下k1=4.0min—1,k2=3。
6min—1，k3=1。
5min—1.试求:
反应时间为1。
0min时,反应物系的组成。
反应时间无限延长时，反应物系的组成。
（3）（3）
将上述反应改为反应时间无限延长时,反应物系的组成。
根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程,然后进行求解.但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例:
（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）即为书讲的一级不可逆连串反应。
可见只要得到（A）式的解,则可容易化简得到（B），（C）及（D）式的解。
对于（A）式,可列出如下微分方程组：
（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，由如下式确定：
（8）
（9）
现在可用上述结果对本题进行计算：
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:
7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应:
目的产物为R,B的价格远较A贵且不易回收,试问：
如何选择原料配比？
若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好?
若用半间歇反应器，加料方式又如何？
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，故应按主反应的计量比投料为好。
（2）保证CA低，CB高,故可用下图所示的多釜串联方式：
（3）用半间歇反应器，若欲使CA低,CB高，可以将B一次先加入反应器,然后滴加A。
3.8在一个体积为300l的反应器中86℃等温下将浓度为3。
2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解:
生产苯酚和丙酮。
该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s—1，最终转化率达98。
9%,试计算苯酚的产量。
如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min;
如果是全混流反应器；
试比较上二问的计算结果；
（4）（4）
若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？
苯酚浓度
苯酚产量
（2）全混流反应器
（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应物浓度低，反应速度慢的原因。
（4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器,其原料处理量不变，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍.
3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：
rD及rR分别为产物D及R的生成速率.反应用的原料为A及B的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m3.
计算A的转化率达95%时所需的反应时间；
（2）
A的转化率为95%时,R的收率是多少?
若反应温度不变,要求D的收率达70%,能否办到?
（4）
改用全混反应器操作,反应温度与原料组成均不改变，保持空时与
（1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95％？
（5）
在全混反应器中操作时，A的转化率如仍要求达到95％,其它条件不变,R的收率是多少？
（6）
若采用半间歇操作，B先放入反应器内，开始反应时A按
（1）计算的时间均速加入反应器内.假如B的量为1m3，A为0。
4m3,试计算A加完时，组分A所能达到的转化率及R的收率.
（1）第二章2。
9题已求出t=0。
396h=24。
23min
（2）
（3）若转化率仍为0。
95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为:
D的收率：
这说明能使D的收率达到70％
（4）对全混流反应器，若使τ=t=0。
3958h,则有
CA=0.4433
所以：
这说明在这种情况下转化率达不到95%。
（5）（5）
对全混流反应器，若X=0.95，则R的收率为：
（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。
为了求分组A的转化率及R的收率，需要求出A及R的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组:
对A:
对R：
（3）
在反应时间（t=0。
4038h,为方便起见取t≈0。
4h）内将0.4m3的A均速加入反应器内，故
采用间歇釜操作时，原料为A与B的混合物，A的浓度为2kmol/m3。
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）式则得如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=0。
02h,直至求至t=0.4h即可。
用t=0。
4h时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算:
式中VA为所加入的A的体积，且VA=0。
4m3;
CA0为所加入的A的浓度,且CA0=7kmol/m3；
V为反应结束时物系的体积，V=1。
4m3。
同理可以计算出R的收率：
10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应:
加料中组分A的浓度为0。
2kmol/m3，流量为4m3/h，要求A的最终转化率为90％，试问：
总反应体积的最小值是多少？
此时目的产物B的收率是多少？
如优化目标函数改为B的收率最大,最终转化率为多少?
此时总反应体积最小值是多少？
对上式求dVr/dXA1=0可得:
将XA2=0。
9代入上式，则
解之得XA1=0.741
所以总反应体积的最小值为
即
解得CB1=0.005992kmol/m3
同理
解得CB2=0。
00126kmol/m3
B的收率:
（3）目标函数改为B的收率,这时的计算步骤如下:
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）
当i=2时,
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，则需对上述二元函数求极值：
联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。
题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积。
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，则由XA2=（CA0—CA2）/CA0可求出最终转化率。
3.11在反应体积为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应:
式中（A）—-NH3，（B）—HCHO，反应速率方程为:
式中。
氨水和甲醛水溶液的浓度分别为1。
06mol/l和6.23mol/l，各自以1.50cm3/s的流量进入反应器，反应温度可取为36℃,假设该系统密度恒定，试求氨的转化率XA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB.
即得:
整理得:
解得:
XAf=0。
821
反应器出口A,B得浓度分别为:
3.12在一多釜串联系统，2.2kg/h的乙醇和1.8kg。
h的醋酸进行可逆反应.各个反应器的体积均为0.01m3，反应温度为100℃，酯化反应的速率常数为4.76×
10-4l/mol。
min，逆反应（酯的水解）的速率常数为1。
63×
10-4l/mol。
反应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60％，求此串联系统釜的数目。
等体积的多釜串联系统
A,B，C，D分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。
由计量关系得：
从已知条件计算出：
将上述数据代入（A）式，化简后得到：
若i=1，则（B）式变为：
解之得:
若i=2,则（B）式变为：
若i=3，则（B）式变为：
即：
三釜串联能满足要求.
3.13以硫酸为催化剂,由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。
仓库里闲置着两台反应釜,一台的反应体积为3m3,另一台则为1m3.现拟将它们用来生产醋酸丁酯，初步决定采用等温连续操作，原料中醋酸的0.浓度为0。
15kmol/m3，丁酯则大量过剩，该反应对醋酸为2级，在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol,要求醋酸的最终转化率不小于50%，这两台反应釜可视为全混反应器,你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？
为什么？
试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量.如果进行的反应是一级反应,这两台反应器的串联方式又应如何？
因为反应级数大于1，所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大.现进行计算：
二式联立化简后得到：
（将XA2=0.5代入）
XA1=0.223
醋酸丁酯产量=
如果进行的是一级反应，可进行如下计算:
小反应器在前，大反应器在后:
联立二式，且将XA2=0。
5代入,化简后得到:
XA1=0。
1771
所以有：
（2）大反应器在前,小反应器在后：
解得XA1=0。
3924
产量同前.说明对此一级反应，连接方式没有影响。
14等温下进行1.5级液相不可逆反应：
。
反应速率常数等于5m1.5/kmol1。
5。
h，A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h,试分别计算下列情况下A的转化率达95％时所需的反应体积：
（1）全混流反应器；
（2）两个等体积的全混流反应器串联;
（3）保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。
（1）全混流反应器
两个等体积全混流反应器串联
由于，所以由上二式得:
95代入上式，化简后得到XA1=0。
8245,所以:
串联系统总体积为:
此时的情况同
（1），即
15原料以0。
5m3/min的流量连续通入反应体积为20m3的全混流反应器，进行液相反应：
CA，CR为组分A及R的浓度。
rA为组分A的转化速率，rD为D的生成速率。
原料中A的浓度等于0。
1kmol/m3，反应温度下，k1=0.1min—1,k2=1.25m3/kmol。
min，试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。
所以:
即为:
3.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应：
进料速率为360l/h，其中含25%A，5％C（均按质量百分率计算）,料液密度等于0.69g/cm3。
若出料中A的转化率为92%，试计算：
所需的反应体积；
B及D的收率。
已知操作温度下，k1=6。
85×
10—5l/mol。
s；
k2=1。
296×
10—9s—1;
;
k3=1。
173×
s;
B的分子量为140；
D的分子量为140。
因MB=MD=140，所以MA=MC=70
由
（2）,（3）式分别得:
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=3.831×
105s=106.4h
反应体积
将τ代入（4）式得，所以B的收率为:
对A作物料衡算:
所以D的收率为：
3．17在CSTR中进行下述反应：
（3）
如果k1/k2=8，k2/k3=30，CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1。
4，k1τ=1l/mol，（τ为空时），试计算反应器出口B，M,D，T，C的浓度。
各个反应对各反应物均为一级.
分别列出组分B，M,D，T，C的物料衡算式：
（2）
（4）
由（5）式得:
联立
（1）,
（2）,（3），（4）,（6）式（五个方程,五个未知数）：
由
（2）式得:
由（3）式得：
将
（1），（7），（8）式代入（6）得:
整理得：
解得：
CC=0。
908kmol/m3
代入
（1）式得：
代入（7）式得：
代入（8）式得：
代入（4）式得:
验证：
3．18根据例题3。
12中规定的条件和给定数据，使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点？
如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使原料以0。
001m3/s的流速连续进入反应器,其它条件不变，试讨论定态问题，在什么情况下出现三个定态点？
是否可能实现？
由例3。
11，3。
12知：
移热速率方程：
放热速率方程：
绝热操作方程:
代入
（2）式得：
由
（1）式及（5）式作图得：
T
326
330
340
350
360
362。
365
367.5
370
qg
44.1
63.87
149。
7
314。
8
586。
670。
756.8
851。
942。
1
由上图可知，此反应条件下存在着两个定态点.如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使Q0=0。
001m3/s，而保持其它条件不变,则这时的移热速率线如q’r所示.由图可知，q’r与qg线无交点，即没有定态点。
这说明采用上述条件是行不通的.从例3.11可知，该反应温度不得超过373K，因此从图上知,不可能出现三个定态点的情况.
3．19根据习题3。
3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作。
在操作条件均不变时,丙酸的产量是增加还是减少?
（2）若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变，所需空时为多少？
能否直接应用3。
3中的动力学数据估算所需空时?
（3）若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为
（2）中单釜操作时平均停留时间的三分之一,试预测所能达到的转化率。
（1）在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的Vr=4512l，Q0=57。
84l/min，则可求出空时为τ=4512/57.84=78min.此即间歇操作时的（t+t0）.当改为连续操作时,转化率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。
因Q0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。
这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。
（2）若维持XA=0.72，则可由3。
3题中的数据得出XA=0。
72时所对应的反应速率,进而求出这时对应的空时τ=246。
2min。
因题意要求丙酸产量不变，故Q0不能变,必须将反应器体积增大至14240l才行。
（3）这时τ1=τ/3=82.1min。
利用3。
3题中的数据，可求出RA～XA之关系，列表如下：
XA
0.1
0.2
0.4
0.6
0。
-RA
0.1719
1391
1096
0.06016
02363
故可用作图法求此串联三釜最终转化率.第三釜出口丙酸钠的转化率为：
XA3=0。
787.
3．20根据习题3。
8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为98。
9％，如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的转化率时,生产能力各增加多少？
（1）二个300l全混串联釜，XA2=0.989，
8951
代入
（1）式求出此系统的体积流量：
8题中已算出。
因为最终转化率相同,故生产能力增加168.7/16。
02=10.53倍。
（2）二个300l釜并联,在最终转化率相同时,Q0增加一倍,生产能力也增加一倍.
3．21在反应体积为0。
75m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应,进料体积流量为0。
05m3/min，醋酐浓度为0.22kmol/m3，温度为25℃,出料温度为36℃,该反应为一级不可逆放热反应,反应热效应等于—209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：
k=1。
8×
10-7exp（—5526/T），min—1
反应物料的密度为常数，等于1050kg/m3,热容可按2。
94kJ/kg.℃计算。
该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。
试计算:
反应器出口物料中醋酐的浓度；
单位时间内反应器向大气散出的热量。
求转化率：
8221
反应器出口物料中醋酐浓度：
（2）单位时间内反应器向大气散出的热量:
3．22在反应体积为1m3的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：
该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于0。
98h—1，原料液中环氧丙烷的浓度为2。
1kmol/m3，环氧丙烷的最终转化率为90％。
（1）若采用间歇操作,辅助时间为0.65h，则丙二醇-1，2的日产量是多少？
（2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇—1,2的日产量又是多少?
（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？
一级不可逆反应：
所以Q0=0。
109m3/h
丙二醇的浓度=
丙二醇的产量=
（2）采用定态下连续操作
（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作,反映速率慢,故产量低.
3．23根据习题3。
11所规定的反应和数据,并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1。
02g/cm3,平均热容为4.186kJ/kg。
K，忽略反应热随温度的变化,且为-2231kJ/kg乌洛托品，反应物料入口温度为25℃。
问：
绝热温升是多少？
若采用绝热操作能否使转化率达到80％?
操作温度为多少？
在100℃下等温操作,换热速率为多少？
（1）绝热升温：
由物料衡算式（见3。
11解答）：
由热量衡算式得：
T=298+37.13XA。
联立求解可得:
XA=0。
8578〉0。
8,T=329。
9K
可见，绝热操作时转化率可以达到80％。
（2）T0=298K,在T=373K下等温操作，由物料衡算式可求出转化率:
所以有:
9052
由（3。
87）式可得物系与环境交换的热量:
由上式知TC〉T，说明应向反应器供热。
3．24某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反应,以生产醇酸树酯。
在正常操作条件下（反应速度，进出口流量等）,已二酸的转化率可达80％。
某班从分析知，转化率下降到70%,检查发
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