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1、化学反应工程第三章答案3 釜式反应器3。1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0。02mol/l，反应速率常数等于5。6l/mol。min。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2.83h。3.2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)

2、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1。02。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5.2l/mol。h，要求转化率达到95。（1）（1） 若辅助时间为0。5h，试计算反应器的有效体积;（2）（2） 若装填系数取0。75,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80.5，84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0。3226 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:3。3丙酸钠与盐酸的反应：为二

3、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0。515N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,min010203050NaOH用量,ml52。232.123。518。914。410。5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

4、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。051514.7mol/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

5、：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。（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=1。0，则由上面的积分式知，t,这显然是不可能的

6、.3。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=0.038 kmol/m3，而反应时间为t2时，CA=0。01 kmol/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。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:3。6

7、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=4.0min1,k2=3。6min1，k3=1。5min1.试求:（1）（1） 反应时间为1。0min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

8、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:3。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：（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，

9、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0.08s1，最终转化率达98。9%,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）（

10、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.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.（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

11、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.解：(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

12、使D的收率达到70（4）对全混流反应器，若使=t=0。3958h,则有解之得：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: （1)对R： （2） （3)在反应时间（t=0。4038h,为方便起见取t 0。4h）内将0.4 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

13、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：3。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：（1）(1） 总反应体积的最小值是

14、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=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（2）即解得CB1=0.005992 kmol/m3同理解得CB2=0。00126 kmol/m3B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

15、入（3）式可解出CA2;将CB1及CA2代入（4)式可解出CB2，其为1，2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1及2。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1,2代入(5）式即可求出B的最高浓度,从而可进一步求出YBmaX。将1,2代入CA2，则由XA2=（CA0CA2)/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

16、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.解: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4.7610-4l/mol。min，逆反应（酯的水解）的速率常数为1。6310-4 l/mol。min。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

17、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.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

18、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=0.5代入)解之得：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:（1）（1) 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:解得:XA1=0。1771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=0。3924所以有：产量同前.说明对此一级反应，连接方式没

19、有影响。3。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。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=0。95代入上式，化简后得到XA1=0。8245,所以:串联系统总体积为:（3）（3) 此时的情况同（1），即3。15原料以0。5m3/min的流量连续通入反应体积为20m

20、3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=0.1min1,k2=1.25m3/kmol。min，试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。解：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，5C(均按质量百分率计算）,料液密度等于0.69g/c m3。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=6。85105l/mol。s；k2=1。296109s1; k

21、3=1。173105l/mol。s ;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,可整理为的代数方程式,解之得=3.831105s=106.4h（1）(1） 反应体积（2）(2) 将代入(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：317 在CSTR中进行下述反应： （1)（2)（3）如果k1/k2=8， k2/k3=30，CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1。4，k1=1 l/mol，（ 为空时)，试计算反应器出

22、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=0。908 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：318 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。001 m3/s的流速连续进

23、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3。11，3。12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：T326330340350360362。5365367.5370qg44.163.87149。7314。8586。7670。8756.8851。8942。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qr所示.由图可知，qr与qg线无

24、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.319 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。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。解：（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，

25、则可求出空时为=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=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14240 l才行。（3）这时1=/3=82.1min。利用3。3题中的数据，可求出RAXA之关系，列表如下：XA00.10.20.40.60。8-RA0.17190

26、。13910。10960.060160。023630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。787.320 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？解：（1）二个300 l全混串联釜，XA2=0.989， (1）（2）解得:XA1=0。8951代入（1)式求出此系统的体积流量：3。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

27、倍.321 在反应体积为0。75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应,进料体积流量为0。05 m3/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。810-7 exp（5526/T)，min1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:(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=0。822

28、1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: 322 在反应体积为1 m3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。98h1，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？解：（1）（1） 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

29、态下连续操作所以Q0=0。109m3/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.323 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：（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3。11解答）：由热量衡算式得：T=298+37.13XA。联立求解可得:XA=0。85780。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:XA=0。9052由（3。87）式可得物系与环境交换的热量:由上式知TCT，说明应向反应器供热。324 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