化工反应工程答案第四章.docx

1、化工反应工程答案第四章4管式反应器4.1在常压及800r等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：C6H5CH3 H2 c6h6 CH4在反应条件下该反应的速率方程为：r 1.5CTcH.5,mol /l .s式中G及G分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯 与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径为 50mm试计算甲苯最终转化率为 95% 时的反应器长度。解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程， 原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：CT0 CH 0，则有： CT CH CT0(1 示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：PT0 0.5 1.013 105RT 8.314

2、QCt0 2/ 2所以，所需反应器体积为：XtVr Q0CT0 0Xt)CT0103 1073 5.681kmol /h 0.27810 3kmol / m310 3kmol /s30.278 10dXT1.5CtCH.50.95Q0CT0dXTxt dXT0 1.5CT.5c 3 15 15 0.43290 1.5(5.68 10 3) (1 XT)3.006 d2 1531.1m所以，反应器的长度为：0.05 3.14/4(1 T 1 3.006m31.5 14.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇， 试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。解：题给

3、条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题 3.2中已算出：Q0 275.8l /h所以，所需反应器体积：XaCA0 1.231mol / IV r Q0C A0 0dXAkC A0(1 XA)(CB0 Ca0Xa)2758 O.95 818.6lXkCA0 1 Xa 5.2 1.231 1 0.95由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大, 这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。Q0 XA4.3 1.013 x 105Pa及20C下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧 化氮氧化反应：再将有关数据代入(A)式：0.5 14 4.159 10 3 Xa1

4、.789 10 4(1 0.05Xa)3(1 Xa)2(3.743 2.078XA)dXA(B)4 2 32NO O2 2NO2 rNO 1.4 10 CNOCO2,kmol /m .s 式中的浓度单位为kmol/m3。进气组成为10%NO,1%N9%Q,80%2,若进气流量为 0.6m3/h （标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。解：由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：Vr C Xa dXAC A0 42Q0 0 1.4 104cacb （ A）2.54 )式示中A,B分别代表NO和Q。由题意可知，若能求得出口转化率，由（ 得：yi0 yA0XAA1 A yA0

5、XA便可求出反应器出口气体组成。已知:AQ1I 乍.10,yB0 O.9丨A 20.6(273 20)/273 0.644m3/h 1.7888 10 4m3/sFi00.6 2.677 10 2kmol /h22.4CA022.677 10 0.1 / “c 3 / 3 4.159 10 kmol / m 0.644CB02.677 10 2 0.09 3 3 3.743 10 3kmol /m30.644所以，反应速率为:2 2 14Ca(1 Xa)(Cb -ca0Xa) rA 1.4 10(1 0.05Xa) (1 0.05Xa)3(1 0.05Xa)314 104(1 X a) (3.

6、743 2.078Xa) 10用数值积分试差求得：Xa 99.7%因此，yAyA0 yA0X A0.1(1 0.997)yByNO21 0.05Xa0.09 - 0.120.10.032%1 0.05 0.9970.997 4.227%0.05 0.997-0.1 0.9972 11.546%1 0.05 0.9970.884.197%1 0.05 0.997另：本题由于惰性气体M占80%故此反应过程可近似按恒容过程处理, 有太大的误差。y“2也不会4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:C2H6 c2h4 h2反应压力及温度分别为 2.026 x 105Pa及815

7、C。进料含50%(mol)C2H,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s。反应速率方程如下：dpAdtkPA1式中pa为乙烷分压。在815 C时，速率常数k 1.0s ,平衡常数4K 7.49 10 Pa，假定其它副反应可忽略，试求：(1) (1)(2) (2) 解：(1) 衡式求取：此条件下的平衡转化率；乙烷的转化率为平衡转化率的 50%寸，所需的反应管长。设下标A乙烷，B乙烯，H氢。此条件下的平衡转化率可按平KpPb PhPaPiPiOP AOX aA1 yAO AX Ay iO y AOX AA1 yAO aX APi yi p1 1-1yAO O.5, A= =11yAy AO y

8、 AOX A 0.5(1 X Ae )1 yAO A X A 1 O.5X AeyHy bo y ao X aA1 yAO A X A0.5* XAe1 0.5XAe0.5* XAe1 0.5XAePb PhPa2yB yH PYaP0.5X2Ae(1 0.5XAe )(147.49* 14XAe 0.61若以1摩尔Qf为基准，反应前后各组分的含量如下:日2屮2。，C2H 6 C2H 4反应前 1 0 0 12平衡时 1-X e X e X因此，平衡时各组分分压为：RXePB k，PH将其代入平衡式有：X 2( )2 2.0262 XeSpa2 XeR(1 Xe)2 XeXeXe105/ 2解

9、此一元二次方程得：Xe 061（2） （ 2）所需的反应管长：首先把反应速率方程变为d Pa/RT kpA 3A ,kmol /m .sdt RT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知：0.178 0.50.0037kmol /s30 0.5 18 0.50.5XAe 0.3057.49 104F AOXAf代入物料衡算式有VrFao 0X AfdXAX)Rt0.0037 8.314 103 1088 0.3052 X*5 AdXA1 2.026 105 0 1 XA其反应管长：0.13m3(0.0762)2 3.14/4 28.8m4.5于277C, 1.013 X 105Pa压力下在

10、活塞流反应器进行气固相催化反应C2H5OH CH3COOHCH 3COOC2H5 H2O(A) (B) (P) (Q)3催化剂的堆密度为700kg/m,在277 C时，B的转化速率为：4.096 10 7(0.3 8.885 10 6 pQ)( pB pPpQ/9.8pA)rB 4 ,kmol/kg.sB 3600(1 1.515 10 4pP)式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。加料组成为 23%B,46%A,31%Q均为重量%,加料中不含酯，当 Xb=35%寸，所需的催化剂量 是多少？反应体积时多少？乙酸乙酯的产量为 2083kg/h。解：由反应计量方程式知反应过程为

11、恒容过程，将速率方程变为 B组分转化率的函数，其中：pB pB0(1 X B), pA pA0 IB0XBpP Pb0Xb,Pq pQ0 pB0X B为求各组分初始分 压，须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q 于是有：pB00.1234 1.013105pA00.3220 1.013105PQ00.5545 1.013105F B02083U.0 188 kmol / s3600 88 0.35将上述有关数据代入设计方程:F B0XBdXBW 1.01 104kgrB采用数值积分便可得到所需的催化剂量: 其反应体积为：Vr41.01 1014.

12、5m34.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应2CHCIF2(g) C2F4(g) 2HCI (g)流量为2kmol/h的纯CHCIF2气体先在预热器预热至700C,然后在一活塞流反应 器中700E等温下反应。在预热器中 CHCIF2已部分转化，转化率为20%若反应 器入口处反应气体的线速度为 20m/s，当出口处CHCIF的转化率为40.8%时，出 口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为 1.013 X105Pa, 700E时的反应速率常数等于0.97s-1。若流量提高一倍，其余条件不变， 则反应器长度是多少？解：反应历程如下图所示:in温度线速度U0转化率Xa0=0A,i

13、nf =TiNfA,f该反应为变容过程,2A1/2F A0Fa(1 Xa0)2(10.20)1.61F B0B Fa0Xa0A1 * 2*20.20.21Fc00.4B 2C其中 yA0h AFt02.2FAfFa0(1XAf )2(10.408)1.184F BfB FA0X Af1 * 2*0.4080.408A2Fcf 2* 0.408 0.816Ft 2.408UfU0巳Ft02.4082.21.0945u f 1.0945* 20 21.89m / s由( 2.50 )式知：Q Q0(1 yA0 AX A)u U(1 Ya0 aXa)由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线

14、速度:U。UinTVA0 aXa”)T020 T。1 0.5 0.20 Tin18.18m/ s其出口处气体线速度为:Tj5 u0(1 yA0 AXA) - 18.18(1 0.5 0.408) 21.89m/sT0由设计方程计算出反应器长度：L xAf dXAVr / Qin CA,in。 Uin 0 kC 1 XaA inA, 1 0.5XA那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率 Xv。据 X=Fao-Fa/Fao，可求出FA,in=1.6kmol/h,F Af=1.184kmol/h,所以，冷=(1.6-1.184)/1.6=0.26 。因而有：0.26 20（0.452 0.13）

15、6.63m 0 0.97这是由于反应器的截面积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此， 当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积 相应增加。ui 1L 亠(1 0.5)ln 0.5Xak 1 XA4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应:A B R, rR k1CACB2AS,rsk2C目的产物为R,且R与B极难分离。试问：（1） （ 1）在原料配比上有何要求？（2） （ 2）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？（3） （ 3）如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式？解：对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物 R的最终收率或选择性最大，根据动力学

16、特征，其瞬时选择性为：2k2CA/ k1C由此式可知要使S最大，Q越小越好，而Cb越大越好，而题意又给出R与B极 难分离，故又要求CB不能太大，兼顾二者要求：（1） 原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使 B组分尽量转化。（2） 若采用PFR应采用如图所示的加料方式，即 A组分沿轴向侧线分段进料， 而B则在入口处进料。（3） 如用半间歇反应器，应采取 B 一次全部加入，然后慢慢加入 A组分，直到 达到要求的转化率为止。4.8在管式反应器中400C等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的 活化能等于39.77kJ/mol。

17、现拟在反应器大小，原料组成及出口转化率均保持不 变的前提下（采用等温操作），增产35%请你拟定一具体措施（定量说明）。设 气体在反应器内呈活塞流。解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：Vr/Q。C XA dXAC A00 kf (Xa)可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与 k有关，所以，提高反 应温度可使其增产。具体值为：39770Q2 / Q01Ae 8.314T2 1 0.35 . “k2 / k1 39770 1 1.35Ae 8.314 673 1解此式可得：T2=702.7K。即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%改用活塞流反应

18、器，试计算苯酚的4.9根据习题3.8所给定的条件和数据, 产量，并比较不同类型反应器的计算结果。 解：用活塞流反应器：Vr /Qo CA0将已知数据代入得:Xa dXA0 kCA0(1 Xa)k 1 Xa0.3 1 I 1InQ0 0.08 1 0.9893 .解得：Q0 .319m /min，所以苯酚产量为：FA0XA Q0CA0Xa 0.319 3.2 0.989 1.01 kmol /min1.09 94kg / min 94.99 kg/ min由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量，也大于间歇 式反应器的产量。但间歇式反应器若不计辅助时间，其产量与 PFR的产量相

19、同（当然要在相同条件下比较）。4.10根据习题3.9所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，反应温度和原料组成均保持不变，而空时与习题 3.9（ 1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%？ R的收率是多少？解：对于恒容过程，活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同， 所以A的转化率是可以达到95%勺。R的收率与间歇反应器时的收率也相同，前 已算出收率为11.52%=4.11根据习题3.14所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：（1） 所需的反应体积；（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？解：（1）用PFR时所需的反应体积：VrQ0CA0Xa dXA0 kcA5(1

20、 Xa)1.5QCa0.50.5k(1Xa)0.5 11.5 2000 (10.5 0.15810.5 /0.95) 11.47m3（2）若用两个PFR串联，其总反应体积与（1）相同4.12在管式反应器中进行气相基元反应：A B C，加入物料A为气相,B为液体，产物C为气体。B在管的下部，气相为B所饱和，反应在气相中进行。 已知操作压力为 1.013 xiO5Pa, B的饱和蒸汽压为 2.532 xiO4Pa,反应温度 340C，反应速率常数为102mVmol.min，计算A的转化率达50%寸，A的转化速 率。如A的流量为0.1m3/min，反应体积是多少？解：此反应为气相反应，从化学计量方程

21、式看，是变容反应过程，但气相中Pb为常数，故可看成恒容过程。假定为理想气体，其中：pB 2.532 104Pa,k 100m3/mol .min 105m3/ kmol .minPa0 (1.013 0.2532) 105Pa, Pa Pa0(1 Xa)CB 晋 2.532 104/(8.314 103 613) pA 0.7598 105(1 Xa) cccCA A 3 A 0.0149RT 8.314 103 613当Xa=50%寸，A的转化速率为：4.97 10 3kmol /m3(1 Xa)Ra kCACB 105 4.97 当 Qa 0.1m3/min 时，Qb10 3 0.0149

22、 (1 0.5) 3.7kmol /m3.min所以，Q0 Q0A Q0B此时所需反应体积为：0.133m3/minVrQ0CA0Xa dXA0 kCACBQ。 Xa dXAkCB 0 1 Xa0.1334.97 1010.51.85 10 4m3 0.185l0.1 0.2532/0.7598 0.033m3/min4.13在一活塞流反应器中进行下列反应：A k1 P k2 Q两反应均为一级，反应温度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。A的进料流量为3mVh, 其中不含P和Q试计算P的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应 体积。解：对一级连串反应可得如下关系是：Y

23、p1(1 Xa严1(1 Xa)(A)若求最高收率，即令:Yp / X a 0，可得到：1(XA)m 1 (k昇 k1)1 k2/k1将(Xa) m代入(A)式得最高收率：(0.1 )1 0.1/0.3(0.3)(Y P)max (1 0.8076)01/0.3 (10.80760.8076)57.84%P的总选择性:S0 (Yp)max 0.5784 71.62(Xa% 0.8076达到最大收率时的反应体积为：(XA)m dXA0Vr QocAOklCA0(1 Xa)3 In 1 0.275m360 0.30 1 0.80764.14液相平行反应：A B P,rP CAcB.3kmol /m3

24、.min a(A B) Q,rQ cA.5cB.3kmol/m3.min式中a为化学计量系数。目的产物为 Po(1)(2)(a)(b)(c)(1) 写出瞬时选择性计算式。(2) 若a 1，试求下列情况下的总选择性。)(a) 活塞流反应器 CAo=CBo=1Okmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；)(b)连续釜式反应器，浓度条件同(a )；)(c)活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。反应物 A从反应器的一端连续地加入，而 B则从不同位置处分别连续加入， 使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出口处A的浓度分 别为 19 和 1kmol/m3。解：(1)设Sp

25、亠p P CaC(Ra) CacB.3 cA.5cB.31，求下列情况下的总选择性。11 Ca0.5Cb若a(a)活塞流反应器，因为CAo=CBo,其化学计量系数相同，所以 G=G,贝U有1Ca ，因此1CA0 CAfSpsopCaoC ( Sp)dCACAf1。dCA 0.32610 1 1 1 cA(b)连续釜式反应器SOP Spj 1 一c0.52 5Sp(c)PFR,且B侧线分段进料，器内B的浓度均等于1kmol/m3,则11 Ca05Sop禽冷0.7324.15在活塞流反应器中等温等压（5.923P,rp2Q,q1.7775.065 x 104Pa)下进行气相反应：10 6 pAkm

26、ol /m3.min10 5 pAkmol /m3.min10 6 pAkmol /m3.minA式中Pa为A的分压Pa,理量为1800标准m/h，要求A的转化率达到90%计算所需的反应体积及反应 产物Q的收率。解：此反应为复合反应系统，一般需要多个物料衡算式联立求解，方能解 决问题。但这里三个平行反应均为一级，可简化处理。为：2.9613r,r原料气含量A10%（mol）,其余为惰性气体。若原料气处其组分 A的总转化速率1 1Ra 2rQ 3rR (0.5922又为变容过程：0.592211.57940, 2 1,1.777 130.2961) 10 5PA 1.5794 10 5PA其中1

27、PapA0(1 X A )11.7772 1.57942,所以有5.0650.29613 1.57940.6875A104 0.1(1 XA)5.065 103(1 XA)F A0A yA0X A1800 0.11 0.6875 0.1XA1 0.06875XA22.4所需反应体积为：XVr FA0 00.1339kmol / min60dXA- - 51.5794 10 pAF A0Xa0.06875XAdXA1.5794 10 5 5.065 103(1 XA)0.13398 10 2(10.06875)ln 60.06875 0.9 04.22m3YqSqqRa1251.5794 10

28、Pa1.777 10 5 Pa0.5626二酸酐（MA :B k1 MA k2 COgHOB k3 COgHO产物Q的收率:4.16在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯 （B）氧化反应以生产顺丁烯这三个反应均为一级反应，反应活化能（kJ/mol ）如下:Ei=70800,E2=193000,E3=124800指前因子（kmol/kg.h.Pa ）分别为Ai=0.2171,A 2=1.372 X 108,A 3=470.8反应系在1.013 X 105Pa和704K等温进行。原料气为苯蒸汽与空气的混合气， 其 中含苯1.8% （mol）。现拟生产顺丁烯二酸酐1OOOkg/h,要求其最终收率为42% 假设（1）可按恒容过程处理；（2）可采用拟均相模型。试计算（1） 苯的最终转化率；（2） 原料气需用量；（3） 所需的催化剂量。解：（1）由题意知：k3)dCB / d ( k1 k3)CB，解之得: c c e (k1B BOe或.1 XbCbCBO(k1 k3)且：dCMAd解此一阶线性微分方程有:k1C Bk C k c e (k1 k3)2 MA BODk2CMAY C MAyma CCMO