化学反应工程例题.docx

1、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/min 0612263860p/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: （）p0 为 t = 0 时物系的总压， 整理上式为： （)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pt关系进行回归分析,得：图解法:以 p 对 t 作图，如图所示。 于t26

2、min 处作曲线的切线，切线的斜率为 dp/dt，该值等于0。32 kPa/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）0030036626006086100163640045257006833200273250054058007698解:由题中数据可知

3、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 / hCACA0CA00.233200010.21680。016360。07270.324420。20590。0273

4、20。12460568630.19660.036620。17080.798340。18790。045250.21571.033750。17920。054050.26371。292260.17230。060860.30241.515770。16490。068330.034671。776180。15920.073980。038161。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。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

5、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。5 min-1，反应在恒容间歇式反应器中进行，求1 min后体系的总压,进料状况如下：（a) 纯 A，0。1 Mpa；（b） 纯 A,1 Mpa；(c） 10 % 的 A 和 90 的 I（惰性气体）混合物，1 MPa解: A 3 P + 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

6、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。02 k mol/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 / 5060708090反应时间 t / min250375583。310003250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C2H4 15， O27， CO2 10%，Ar 12，

7、其余为N2，反应器出口气体中含C2H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 C H2 O C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O解:以l00 mol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C2H1515 x y/2O277 x/2 3y/2C2HO0xCO21010 + yH2O0yAr1212N25656总计100100 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

8、之得： x = 1。504 mo1，y = 0。 989 mo1乙烯转化率：乙烯的转化量 = 1.504+0。989/2 = 1. 999 mo1 x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(1xA） = 1(10。8） = 0。2 mol/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

9、 2P + S I2 xA = 0 0。75 0 0 0。25 xA = 1 0 20。75 0。75 0。258min时： 得: xA = 0。667（2)求速率常数 所以得： k = 0。137 1/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） = kCA2 kmol/(Lmin),k = 1。97 L/(kmol min） CA0 = 0。004kmol/L，当己二

10、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 2400 kg 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 = 9.5 hr 反应器体积 VR = 0t = 1719。5 = 1630 L = 1。63 m3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

11、时当xA= 0.9 时例23 均相气体反应在 185 和 0.5 Mpa 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 。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Xa01。001.000.21。501。2240.42.331。5250。64。002。000.89。003。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24 有液相反应在120时，正、逆反应的速度常数分别为： k1 = 8 L/（molmin), k2 = 1.7 L/(molmin)若反应在

12、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25 液相一级等温反应在间歇釜中达到70% 转化率需要12 min,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26 条件同例21,若采用全混流反应器生产，

13、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21、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。81。452.177。24转化率 xA=0.93。254。5632.6例27 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28 条件同例13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 i = 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=0.824 kmolm3结果稍大，重新假设 i = 3.14h,求得：cA1=2。202kmolm3cA2=1。437kmolm3cA3=1。037kmolm3cA4=0。798kmolm-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