化学反应工程第三章答案.docx

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化学反应工程第三章答案

3釜式反应器

在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：

该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。

反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为l，反应速率常数等于。

要求最终转化率达到95%。

试问：

（1）

（1）  当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间

（2）

（2）  若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少

解：

（1）

（2）因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。

拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：

以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：

1，混合液的比重为。

该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到95%。

（1）

（1）  若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；

（2）

（2）  若装填系数取，试计算反应器的实际体积。

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：

反应时间：

反应体积：

（2）

（2）  反应器的实际体积：

丙酸钠与盐酸的反应：

为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。

反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。

不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：

时间，min

0

10

20

30

50

∝

NaOH用量，ml

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=×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=min。

所需丙酸钠的量为:

=min。

原料处理量为：

反应器体积：

实际反应体积：

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m3，反应混合物的平均热容按计算。

反应开始时反应混合物的温度为50℃。

（1）

（1）  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。

（2）

（2）  如果要求全部反应物都转化为产物R，是否可能为什么

解：

（1）

（由数值积分得出）

（2）若A全部转化为R,即XA=,则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的。

在间歇反应器中进行液相反应：

A的初始浓度为m3,C，D的初始浓度为零，B过量，反应时间为t1时，CA=m3，CC=kmol/m3，而反应时间为t2时，CA=kmol/m3，CC=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。

解：

（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：

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=,k2=,k3=。

试求:

（1）

（1）  反应时间为时，反应物系的组成。

（2）

（2）  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。

解：

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：

（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：

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：

（1）

（1）  如何选择原料配比

（2）

（2）  若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好

（3）（3）  若用半间歇反应器，加料方式又如何

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.

在一个体积为300l的反应器中86℃等温下将浓度为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,最终转化率达%，试计算苯酚的产量。

（1）

（1）  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;

（2）

（2）  如果是全混流反应器；

（3）（3）  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

解：

（1）

苯酚浓度

苯酚产量

（2）全混流反应器

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。

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。

（1）  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

（3）  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，试计算A加完时，组分A所能达到的转化率及R的收率。

解：

（1）第二章题已求出t==

（2）

（3）若转化率仍为，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=,则有

解之得：

CA=

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=,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:

（1）

对R:

（2）

（3）

在反应时间（t=,为方便起见取t≈）内将m3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=，直至求至t=即可。

用t=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=;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=。

同理可以计算出R的收率：

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m3,流量为4m3/h,要求A的最终转化率为90%，试问：

（1）

（1）  总反应体积的最小值是多少

（2）

（2）  此时目的产物B的收率是多少

（3）（3）  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

解：

（1）

对上式求dVr/dXA1=0可得：

将XA2=代入上式，则

解之得XA1=

所以总反应体积的最小值为

（2）

即

解得CB1=kmol/m3

同理

解得CB2=kmol/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）

（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，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。

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l和l,各自以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。

解：

即得：

整理得：

解得：

XAf=

反应器出口A,B得浓度分别为：

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×10-4l/,逆反应（酯的水解）的速率常数为×10-4l/。

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。

解：

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：

解之得：

若i=3,则（B）式变为：

解之得：

即：

三釜串联能满足要求。

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/，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

解：

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=代入）

解之得：

XA1=

醋酸丁酯产量=

如果进行的是一级反应，可进行如下计算：

（1）

（1）  小反应器在前，大反应器在后:

联立二式，且将XA2=代入，化简后得到:

解得：

XA1=

所以有：

醋酸丁酯产量=

（2）大反应器在前，小反应器在后:

解得XA1=

所以有：

产量同前。

说明对此一级反应，连接方式没有影响。

等温下进行级液相不可逆反应：

。

反应速率常数等于5m，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。

解：

（1）全混流反应器

（2）

（2）  两个等体积全混流反应器串联

由于，所以由上二式得：

将XA2=代入上式，化简后得到XA1=，所以：

串联系统总体积为：

（3）（3）  此时的情况同

（1），即

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m3，反应温度下，k1=，k2=1.25m3/,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。

解：

所以：

即为：

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cm3。

若出料中A的转化率为92%，试计算：

（1）

（1）  所需的反应体积；

（2）

（2）  B及D的收率。

已知操作温度下，k1=×10-5l/;

k2=×10-9s-1;;k3=×10-5l/;B的分子量为140；D的分子量为140。

解：

因MB=MD=140,所以MA=MC=70

（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）  反应体积

（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：

3．17在CSTR中进行下述反应：

（1）

（2）

（3）

如果k1/k2=8,k2/k3=30,CB6=l,氯对苯的加料比=，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。

解：

分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

由（5）式得：

（6）

联立

（1）,

（2）,（3）,（4）,（6）式（五个方程，五个未知数）：

由

（2）式得：

（7）

由（3）式得：

（8）

将

（1）,（7）,（8）式代入（6）得：

整理得：

解得：

CC=kmol/m3

代入

（1）式得：

代入（7）式得：

代入（8）式得：

代入（4）式得：

验证：

即：

3．18根据例题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

解：

由例,知：

移热速率方程：

（1）

放热速率方程：

（2）

绝热操作方程：

（3）

由（3）式得：

（4）

（4）（4）  代入

（2）式得：

（5）

由

（1）式及（5）式作图得：

T

326

330

340

350

360

365

370

qg

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=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根据习题所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作。

试问：

（1）

（1）  在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少为什么

（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。

解：

（1）在操作条件均不变时，用习题中已算出的Vr=4512l,Q0=min,则可求出空时为τ=4512/=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=，则可由题中的数据得出XA=时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空时τ=。

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=。

利用题中的数据，可求出RA～XA之关系，列表如下：

XA

0

-RA

0

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=。

3．20根据习题所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为%，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

解：

（1）二个300l全混串联釜，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。

因为最终转化率相同，故生产能力增加=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=×10-7exp（-5526/T）,min-1

反应物料的密度为常数，等于1050kg/m3,热容可按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：

（1）

（1）          反应器出口物料中醋酐的浓度；

（2）

（2）          单位时间内反应器向大气散出的热量。

解：

（1）

（1）  求转化率：

解得:

XAf=

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，原料液中环氧丙烷的浓度为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,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

解：

（1）

（1）  一级不可逆反应：

所以Q0=h

丙二醇的浓度=

丙二醇的产量=

（2）采用定态下连续操作

所以Q0=h

丙二醇的产量=

（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。

3．23根据习题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,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：

（1）

（1）  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

（2）

（2）  在100℃下等温操作，换热速率为多少

解：

（1）绝热升温：

由物料衡算式（见解答）：

由热量衡算式得：

T=298+。

联立求解可得：

XA=>，T=

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：

XA=

由（）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%，检查发现釜底料液出口法兰处漏料，经抢修后，温度流量均保持正常操作条件。

但转化率仍不能提高，试分析其原因。

如何使转化率提高到80%

解：

根据上述情况，可能是反应器的搅拌系统有些问题，导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路，这些均可导致反应器的效率降低，从而使转化率下降。