第三章理想流动均相反应器设计题解.docx
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第三章理想流动均相反应器设计题解
第三章理想流动均相反应器设计题解
1、［间歇反应器与全混釜恒容一级］
有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后，反应物转化了70%.今拟将
此反应转至全混流反应器，按达到相同的转化率应保持多大的空速？
解：
InCCA0=kt,
CA0A0CA=0.7,Ca=0.3Ca0
间歇釜中「.In
-1
0.3=—13k,k=0.0926min
在全混釜中T
VRCA0XA0.7-1
=V0=kCA=0.30.0926=25・2讪
•••空速5=2=^=0.0397min-1
2、［平推流恒容一级］
有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa压力下进行P气相反应，已知进料中含
30%A（mol），其余70%^惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为j=0.27Ca
mol/m3•s,要求达到95%专化.试求⑴所需的空时？
⑵反应器容积？
解:
VR1ln
Tp=V0=k山
番=1In
nr~XA=027In10.95=11.1S
•Vr=TP-V0=tPCA0
CA0
而Ca0=R°=0舄红=0.0198mol/L=19.8mol/m
Vr=11.1sX
6.3mol/s
19.8mol/m3
=3.53m3
3、［平推流变容过程一级］
有一纯丙烷裂解反应方程式为GnQH+CH.该反应在772C等温条件下进行，其动力学
方程式为-dPMdt=kPa,忽略存在的副反应，并已知k=0.4h-1反应过程保持恒压0.1MPa.772C和0.1MPa下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积•
解：
TgA=221=0.5
•••kTF=-（1+ea）In（1-XA）-£aXAf
0.4tp=—（1+0.5）In（1-0.5）-0.5X0.5
1.51n20.25
0.4
=1.974h
Vr=TPV0=1.974X800=1579L=1.579m34、［间歇釜变容一级］
一级气相反应22R+S,在等温等压间歇实验反应器中进行，原料中含75%A（mol）,25%（mol）
惰性气体,经8分钟后，其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率？
速率常数多大？
解：
膨胀因子Sa=^=2
膨胀率£A=yA0SA=0.75X2=1.5
对应转化率沦的反应体积V=V0（1+sAXA）
所以，
V1
XA=w=黄=66.7%
A「5
K=?
ln一
=8h^^7=0.0735min-1
5、［全混流恒容二级反应］
在全混流反应器中进行液相均相二级反应:
A+BtC,在298K下的动力学方程式为
「a=0.6CaCbmol/（L.min）,该反应的进料速率为v0=0.018m/min.A,B的初始浓度相同，均为
0.1mol/L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜？
Vr_CA0XAf_CA0XAf_CA0XAf_CA0XAf_
解:
===厂=22=Tm
VrAkCACBkCA2kCA02（1xAf）2
Tm=0.60.：
（90.9）2=150min•••Vr=votn=0.018m3/minx150min=2.7m36、［多釜串联液相二级］
33
某一液相反应A+4R+S，其速率常数k=9.92m/（Kmol•KS）,初始浓度为0.08Kmol/m,在两个等体积的全混釜中进行反应，最终出口转化率0.875.进料体积流量为0.278m3/KS.求全混釜的总体积？
解:
T沁-CA0CA1-CA0XA1
V）
T2=VR2=C^-^=CA0（XA2XA1）
V0rA2
kCA02（1XA2）2
所以,
整理有试差解得
T1=T2
两釜相同
xA2xA1
（1XA1）2（1XA2）2'
2
（1-0.875）xa1=（0.875-x
Xa1=0.7251
而XA2=0.875
2
A1）（1-XA1）
所以，Vr=」
S冷二遊霊需山=4・16m3
总反应器体积Vr=2Vr1=2x4.16=8.33m3
7.【自催化反应优化】
自催化反应A+RtR+R,速度方程为-r=kCACR,体系总浓度为C0=Ca+Cr若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？
（5分）
解：
A+RtR+R-rA=kCACRC0=Ca+Cr.串联连接，管式反应器加
釜式反应器速度较快，同样转化时所用的体积较小。
只有当
CAm=CRm=
0.5（Ca0+Cr0）=
=O.5Co时速度最快。
XA1XA0
Ca0CA1
Ca1CA2
-Fa0
rA1
rA2
rA
或1
CA0dCA
CA1dCA
rA
CA1
2CA2rA
此时的XA为全混釜出口最佳转化率
8.AnaqueousfeedofAandB（4001/min,100mmolA/l100mmolB/l）istobe
convertedtoproductinaplayflowreactor,thekineticsofthereactionisrepresentedis
A+B—R-rA=200CaCbmol/l*min
Findthevolumeofreactorneededfor99.9%conversionofAtoproduct
Answer:
kT=1/Ca-1/Ca0
kTCA0=xAf/1-xAf=0.999/1-0.999=999.
K=200l/mol*min
T=VR/V0=1/kCa0=1/200*0.1=Vr/400
Vr=20L
9.AgaseousfeedofpureA（2mol/l100mol/min）decomposestogiveavarietyofproductinaplugflowreactorThekineticsoftheconversionisrepresentedby
A—2.5B-rA=10（min-1）
Findtheexpectedconversionina22-literreactor
-1
Answer:
Ca0=2mol/lFa0=100mol/min--rA=10（min）Ca
t=Vr/V0=噩二VrCa0/Fa0=22*2/100=0.44min
CA0
A-10*044“-44
xa=1_e0.44=1—e
10.Aliquidreactantstream（mol/l）passesthroughtwomixedflowreactorsinseriesTheconcentrationofAintheexitofthefirstreactoris0.5mol/lfindthe
concentrationintheexitstreamofthesecondreactor.Thereactionissecond
-orderwithrespecttoAandV/V1=2
Answer:
-rA=Kca2A0V1字翼斗1A1
0A1A0A2
•V1XA1CA0
.kV110.5
--V00.52=2
二v72（vT）
CC0.5CA2
2*2=ACT=CA22=4
2
4CA2+CA2-0.5
=0
1
Ca2=2*4（-1±
14*4*0.5）
1
Ca2=8（3-1）=
1/4=0.25mol/l
1.在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转
化了80%,若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？
（20分）
解：
InJA
ktk-11xAf1310.80.124min
活塞流:
T-11XAft-13min
空速:
s-1/t-1/13-0.077min-1
全混流:
1XAf1°.8
T—k1XAf0.12410.8
2.自催化反应A+RfR+R,速度方程为-r二kCACR，体系总浓度为C。
二
Ca+Cr。
若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一
生产要求怎样联结设备费较少？
（5分）
解：
A+RfR+R-rA=kCACRCo=Ca+Cr.串联连接，管
式反应器加釜式反应器速度较快，同样转化时所用的体积较小。
只有当CAm=CRm=0.5（Ca0+Cro）=0.5Co时速度最快。
■■XA1XA0Ca0CA1Ca1CA2
•Fa0rA1rA2U
1
「A
•••当总空时T=T1+T1最小时反应器体积最小。
c
对T=C2占+「詈对Cai求导时T最小时Vr最少
ACA2A
此时的Xa为全混釜出口最佳转化率。
3.AnaqueousfeedofAandB（4001/min,100mmolA/l100mmolB/l）
istobeconvertedtoproductinaplayflowreactor,thekineticsofthereactionisrepresentedis
A+BtR-「a=200CaCbmol/l*min
Findthevolumeofreactorneededfor99.9%conversionofAtoproduct
Answer:
kt=1/Ca-1/Cao
ktCao=XAf/1-XAf=0.999/1-0.999=999.
K=2001/mol*min
t=Vr/Vo=1/kCao=1/200*0.1=Vr/400
Vr=20L
4.AgaseousfeedofpureA（2mol/l100mol/min）decomposestogiveavarietyofproductinaplugflowreactorThekineticsoftheconversionisrepresentedby
Af2.5B-rA=10（min-1）
Findtheexpectedconversionina22-literreactor
Answer:
Cao=2mol/lFao=100mol/minTa=10（min-1）Ca
t=Vr/Vo=寻二VrCao/Fao=22*2/100=0.44min
Cao
-e-10*044
/-44
1_e
5.Aliquidreactantstream（mol/l）passesthroughtwomixedflowreactorsinseriesTheconcentrationofAintheexitofthefirstreactoris0.5mol/lfindtheconcentrationintheexitstreamofthesecond
reactor.Thereactionissecond-orderwithrespecttoAandV/V1=2
Answer:
-rA=Kca2
V1xA1
V0rA1
FA0
xA2xA1
rA2
V0
xA1CA0
kC
2a1
2*2=
.kV110.5
…vo0.52=2
CA1CA2
CA22
0.5Ca2
CA22
4Ca22+Ca2—0.5=0
i
Ca2=2*4（-1士14*4*0.5）
1
Ca2=8（3-1）=1/4=0.25mol/l
第三章均相反应器习题
1、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%,若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？
2、在平推流反应器进行液相均相反应：
3
A+4R（目的）rr=1.6CA,Kmol/m•hCAo=2Kmol/m
2A^D
23
rd=8.2CA,Kmol/m•h
求⑴A的转化率95%寸所用的时间？
⑵此时R的收率？
⑶若处理量为200L/min时V=?
3在反应体积为1m3的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇
H2COCHCH3+H20•H2C0HCH0HCH3
该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为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%。
若辅助时间为0.65h，一天24小时连
续生产，试求丙二醇的日产量是多少？
4、一个含有A和B液体（CA0=0.10mol/L、CB0=0.04mol/L）,以体积流量2L/min流入容积V=10L
的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A——2B+C。
已知由反应器流出的
物料中含有A、B和C（CAf=0.04mol/L）。
试求：
在反应器内条件下，A、B和C的反应
速率？
5、一个液相反应：
k1
A+BR+S
k2
其中：
k17L/molmin，k23L/molmin
反应是在一个容积为120L的稳态全混流反应器中进行的，两条加料线，一个保持2.8mol/LA的浓度，另一个保持1.6mol/LB的加料浓度，两条线分别是等体积速率进入反应器，要求指定组分转化率为75%。
求每条线的加料流量？
假设反应器内密度为常
数。
31
6、某液相二级反应：
A+B*R+S，其速率常数k9.92-^—,在全混流反应器中进
kmolKS
行,CA0=CB0=2mol/L,要使出口A的转化率达0.875。
求:
⑴在单个全混釜中进行，进料体积为0.278m3/KS，求全混釜体积
（2）当进料体积流量不变，用两个相等体积的釜，求全混釜总体积
7、在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应：
AlD
A+B
P（口的）rp2CA,kmol/mn
2A
►RrR0.5CA,kmol/m3h
3
CaoCbo2kmol/m3
试计算反应2hr时A的转化率和产物
8、图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器,
P的收率？
A0，A初始浓度为2mol/L,要求转化率为
80%，rA=3CAmol/Lmin,求每釜的空时和总反应空时。
9、在一等温操作下的间歇釜中进行某一级液相反应，13分钟后反应物转化了70%，今若把
此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到相同的转化率所需的空时和空速
可为多少？
2
10、在某一全混流反应器中进行均相液相反应：
AR，rAkCA，转化率XA=0.50,
其它数值不变。
（1）若把反应器的体积增大到原来的6倍，转化率为多少？
（2）若反应在一个与其容积相同的活塞流反应器中进行转化率为多少？
11、在555K及0.3MPa的平推流管式反应器中进行A——-P的气相反应。
已知进料中含30%A（mol%），其余为惰性物料，A的加料流量为6.3mol/S，动力学方程为：
3
rA0.27QAmol/mS，为了达到95%的转化率。
试求反应器的容积大小？
12、有一级气相反应：
2AR+2S,在平推流管式反应器中进行，当空速为1min-1时，纯
A进料的转化率为90%。
求在A的转化率为95%时该反应器的单位体积进料量。
3
13、均相反应：
A3R，服从二级反应动力学，在0.5MPa、623K和y04口巾纯A
进料下，采用一内径为2.5cm,长2m的实验反应器能获得60%转化率。
为设计工业规
模的反应器，当处理量为320m3/h时，进料中含50%A和50%惰性物，在同样的0.5MPa和623K下反应，要达到80%转化率，试问：
需2.5cm内径2m长的管子多少根？
14、在恒容间歇反应器中，气相反应物A在373K时分解，得到的数据列于下表。
反应的化
学计量关系是2A——R+S，在373K，0.1MPa下处理含有20%惰性气体的进料
100molA/h，要求A的转化率为95%。
问需要多大的平推流反应器？
t（s）020406080100140200260330420
PAX10（MPa）10.80.680.560.450.370.250.140.080.040.02
「A
O.°4Ca
o.oiCr
mol
Lmin
，进料中含有CAo=0.1mol/L的A水溶液。
试求:
（1）平衡转化率；
（2）在反应器中的实际转化率。
16、在一个活塞流反应器中进行下列反应：
kik2
A——*R——*S
反应均为一级，反应温度下，ki=0.3min，k2=0.10min，进料A的浓度为Cao，进料流量为
150L/min。
试计算目的产物R的最高收率和最大选择性以及达到最大收率时所需的反应体
积。
17、二级液相反应，反应物浓度为1mol/L，进入两个相串联的全混流反应器中,
VR1
VR2
18、有一个二级液相反应：
A—*R,在一个全混流反应器后接一个平推流管式反应器相
在第一个反应器出口流出的
A的浓度为0.5mol/L。
求第二个反应器出口处A的浓度。
串联的组合反应器中进行，进料中A的浓度为4mol/L，在全混釜出口A的浓度经测定
为1mol/L，平推流反应器的体积是全混流反应器体积的3倍。
试求，平推流反应器出
口A的转化率。
19、下列反应
2
a+b一rr1k1CaCb
A+BD
r12k2C2aCb
（1）若R是目的产物，选择哪种反应器和加料方式好，为什么？
（2）若D是目的产物，选择哪种反应器和加料方式好，为什么？
20、有一个自催化反应A+A-P+P，其速率方程为rA=kCACpkmol/m3min,反应温度下
k=1m3/kmol.min,CA0=2kmol/m3,处理量1kmol/h（99%A,1%P）,要求最终转化率90%。
（1）根据反应特征怎样确定反应器形式及组合？
计算其反应体积。
（2）如果采用循环反应器，确定最佳循环比和它的体积。
21、在等温平推流管式反应器中，进行丁二烯和乙烯合成环己烯气相反应：
C4H6（A）+C2H4（B）--->C6H10（R）
反应速率方程为rA=kCACB,k=3.16X107exp（-13840/T）,L/mol.s
两种反应物等摩尔在440C和101325Pa条件下加入反应器，反应热效应为-125600kJ/mol.
当丁二烯的转化率为12%时，求反应时所移走的总热量？
若该反应在绝热条件下完成，求反应器的出口温度？
气体热容为常数：
Cpa=154,Cpef85.6,CPR=249,kJ/mol.K.
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