化学反应工程 第三章习题答案 - 下载本文

? A2k?2cA024?2??1 , xA2?80%

2以lnPA0/PAi 对反应时间ti作图可得一条直线,其斜率为:k=0.0278s-1 ,该一级反应的动力学方程为:rA=0.0278CA

将该反应用于平推流反应器中,用类似的公式

2?1??A2?xA2???21?xA2A2A2x?2?A2?1??A2?ln?1?xA2?

CA0PA0k??ln?lnCAfPAf,可求出反应空时。

平推流反应条件为:初始分压PA0=0.1*0.8Mpa,转化率为0.95,PAf=PA0(1-xA) ?10.362。。。。。。。 (2)

cA01pA012c?? A02pA021(1)?1cA01 (2) , ??0.473。

。。。。。。。 (3)

2cA02VR1 ?1?v??VR2nvR1

201v?

02v02v01?4m3h,v02?3m32/h

0?(3)式得v02nv?2?0.437 ?n?338根,并联阻力小较好。01

3-12该体系为间歇等温恒容过程,反应前后分子数没有变化,因此可用浓度来表达,根据Pi V=niRT关系,变为

Pi =CiRT。假设该反应为一级,将其积分关系式变为:

kt?lnCA0PAC?ln0AP

A=0.004 Mpa,

所以空时为1/0.0278*ln0.08/0.004=107.76s=1.8min, 反应器体积为: VR=τFA0/CA0,

FA0=100mol/h,

CA0=PA0/RT=0.08/(8.314 *373)=25.8mol/m3 所以,反应器体积为1.8*100*25.8=0.116 m3

3-13

一个平推流管式反应器,A?R的一级可逆反应 其反应速率

方程为:

rA?0.04cA?0.01c1R,mol(L?min?)

进料中含有cA0?0.1molL的A水溶液。求:

(1) 平衡转化率;

(2) 在反应器中的实际转化率。 解:该反应为一级可逆反应,恒容过程

(1) 平衡转化率

k?k?cA? 当反应达平衡时

k??c

Ae 又?k?0.04,k??0.01?cAe?0.2cA??0.02mol/L

cA??cAe?xAe??80%

cA?(2)

在反应器中转化率:

?1r?0.04c?0.01cmol(L?min)变为A浓度关系将AAR,

解:对于一级连串反应的中间产物

dYR?0,则其收率计

R,令

d?k1YR?(e?k1??e?k2?)k2?k1算公式为:

式,即:

dCArA???0.04cA?0.01(CA0?CA)?0.05CA?0.001dt积分上式得:

?optk1ln()ln(0.3)

k20.1?5.493(min)??k1?k20.3?0.10.05CA0?0.001VR2Ln()????

0.05CA?0.001v0v0代入收率计算公式中

0.3YR?(e?0.3?5.493?e?0.1?5.493)?0.5775

0.1?0.3最佳转化率:

1VR2Ln()????整理上式有:

1?1.25XAfv0v0XAf1?(1?e1.25?2v01?xoptcA?k1?opt??e?e?1.65cA?此

),即出口转化率与进料速率有关,进料速

xA,opt?1?0.192?80.8%,

择性为

率增大转化率下降。当v0=2L/min时,转化率为0.506

3-14在一平推流反应器中进行下列反应: 反

SR?YRxR?0.5775?0.808?71.47:???R???S

?1k1k2VR??optv??0.2747(m)反

二级液相反应,反应物浓度为1mol

一级反应,

?1k1?0.3min,k2?0.10min,进料A的浓度为cA0,进料

流量为150Lmin。试求目的产物R的最高收率和最大选择性,以

3-14

L,进入两个相串联全混流反

及在最大收率时的反应体积。

VR1应器中,V?0.5,在第一反应器出口A的浓度为0.5molL,R2求第二个反应器出口A的浓度。

VR1 VR2?2VR1 根据已知条件列方程式为:

VR1v??cA??cA1cA??cA11??2?rAfkcA1VR22VR1cA1?cv???A2cA1?cA22??2

?v?rAfkcA2?c

A??1molL,cA1?0.5molL,?cA2?0.25molL3-15

有一个二级液相反应

A?R, 在一个全混流反应器后串联一个

平推流管式反应器中进行。进料中A的浓度为4molL,在全混釜

出口处A的浓度经测定为1molL,平推流管式 反应器的体积是

全混流反应器体积的3倍。试求,平推流管式反应器出口A的转化率。

全混釜 平推流反应器 VR1 VR2?3VR1 VR1cA??cA1cA??cAv??11??2?rAfkcA1VR2cA2v?3VR1??dcA1112??

?v??c?(?)A1rAfkcA2cA1?c

A??4molL,cA1?1molL,?cA2?0.182molL,xA2?81.8%3-17下列反应

A?B?R,r21?k1cAcB

A?B?D,r22?k1cBcA

(1) 若R是目的产物,选哪种反应器和加料方式好,为什么? (2) 若D是目的产物,选哪种反应器和加料方式好,为什么?

r1解(1)目的产物R的瞬时选择率定义为:

S??r?cB 随c2cAA的

浓度降低R的选择性提高,

若R是目的产物,cA低cB高选择性高, 半连续式操作或平推流反应器,将B一次加入或从入口加入,二A物料连续慢慢分散加入。

cA cB

3目的产物D的瞬时选择率定义为:

S???r2cA)

r?

1cB随cB的浓度降低和A的浓度提高,D的选择性提高,

即,cA高 cB低的平推流管式反应器或半连续式操作,与上述加料相

cB cA 反。

3-18有一个自催化反应

A?A?p?p,其速率方程为

rA?kcAcP ,

反应温度下

k?1m3(kmol?min),

cA??2kmolm3,处理量为

1kmolh(99%A,1%P),要求最总转

化率为90%。

(1)根据反应特征怎样确定反应器型式及组合?计算反应体积? (2)如果采用循环反应器,确定最佳循环比和它的体积。 解 :(1)本反应为自催化反应,因此选择全混釜串联管式反应器。(详见P56-57)

总浓度为C0=CA0+Cp0= C3A+Cp=2+0.2=2.02kmol/m

反应过程保持不变。当CA1=(C3A0+CP0)/2=1.01kmol/m时 反应器总体积最小。

分别列出全混流和平推流反应器设计公式:

VR1???cA??cA1cA??cA1v1??rA1kcA1(c0?CA1)VR2v??cA2dcA1CC?CA12????c?Ln[A1(0C)]A1rAfkC0cA20?CA2

代入上述数值后得:

VR1v??2?1.011?.01(2.02?1.01)?0.97min?1VR2v??11.012.02?1.012?.02Ln[0.2(2.02?0.2)]?1.093min?2vFA00??0.99/2?0.495m3/

Ch?8.25L/minA0VR1?0.97?8.25?8L,VR2?1.093?8.25?9L(总反应器体积为17L (2)循环反应器

对上式积分并整理得:

k?CA00.01?0.9(1?0.9)R?1xVR?(R?1)LndxA?A2[]?(R?1)R(0.01?0.9)R?0.010.99(1?0.9)xA2kCFA0R?1A0(1?XA)[C0?CA0(1?XA)]9.1(0.1R?1)?(R?1)Ln0.91R?1?对右式求kC0.01?X(1?X)R?1A0A2A2导?(R?1)Ln[?]并0.99(0.01?XA2)R?0.01(1?XA2)令其为

0,利用试差解得最佳循环比R为15,将R=15代入上式中可求的最佳空时为:

?k?CA09.1(0.1?15?1)?(15?1)Ln?7.040.990.91?15?1??3.556min,VR?3.556?0.99?1000/(2?60)?29.33L