化學(xué)工程基礎(chǔ)第四章作業(yè)答案

1、 第四章 化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理4-2 在一定條件下，SO2催化制取SO3的反應(yīng)式為： 已知反應(yīng)器入口處SO2的濃度是7.15%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），出口物料中含SO2 0.48%, 求SO2的轉(zhuǎn)化率。 解： 4-3 已知700、3105Pa（絕壓）下的反應(yīng)：C4H10 2C2H4 + H2 （A） （B）反應(yīng)開始時C4H10為116kg。求當(dāng)反應(yīng)完成50%時，cA、pA、yA、cB各為多少？ 解：依題意 yA,0 = 1，xA = 50% cA,0 = eq f(pA.0,RT) = eq f(3 105,8.314 (700 +273) ) = 37.09kmolm-3 cA = eq f(

2、cA.0(1 - xA),1 + AyA.oxA) = eq f(37.09 (1 - 50%),1 + 2 1 50%) = 9.27 kmolm-3 pA = eq f(pA.0(1 - xA),1 + AyA.oxA) = eq f(3105 (1 - 50%),1 + 2 1 50%) = 7.5 104PayA = eq f(yA.0(1 - xA),1 + AyA.oxA) = eq f(1 (1 - 50%),1 + 2 1 50%) = 0.25kmolm-3 4-4 乙醇在裝有氧化鋁催化劑的固定床反應(yīng)器中脫水，生成乙烯： C2H5OH C2H4 + H2O測得每次投料0.50

3、kg乙醇，可得0.26kg乙烯，剩余0.03kg乙醇未反應(yīng)。求乙醇轉(zhuǎn)化率、乙烯的產(chǎn)率和選擇性。 解：乙醇總消耗量 = 0.50 - 0.03 = 0.47kg 其轉(zhuǎn)化率xA = eq f(0.47,0.50) 100% = 94% 設(shè)生成0.26kg乙烯需乙醇a kg a = eq f(0.26 46,28 ) = 0.427kg 乙烯的選擇性 Sp = eq f(0.427,0.47) = 0.909 乙烯的收率 Yp = Sp xA = 0.909 0.94 = 0.854 4-5 在間歇操作攪拌釜中用醋酸和丁醇反應(yīng)生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為： CH3COOH + C4H9OH CH3COOC

4、4H9 + H2O （A） (B) （R） （S）已知反應(yīng)在100下進行，動力學(xué)方程為 (-rA)= 2.9 10-7cA2molm-3s1。反應(yīng)物配比為丁醇: 醋酸 4.972 : 1（摩爾比），每天生產(chǎn)醋酸丁酯2400kg（忽略分離損失），輔助生產(chǎn)時間為30min，混合物的密度視為常數(shù)。等于750kgm-3，試求當(dāng)醋酸的轉(zhuǎn)化率為50時所需反應(yīng)器的體積大小（裝料系數(shù)取0.7）。 解：MA = 60 MB = 74 MR = 116 cA,0 = eq f(1,4.972 74 + 1 60) 750 = 1.753kmolm-3 = 1753 molm-3 qn,A,0 = eq f(240

5、0,24 116 0.5) = 1.724 kmolh-1 = 1.724 103 molm-3 qV,0 = eq f(q,cA.0) = eq f(1.724, 1.753) = 0.9835m3h-1 V = qV,0(tr + t/) = 0.9835 (32.78 + 30) eq f(1,60) = 1.03m3 VR = eq f(1.03,0.7) =1.47m3 4-6 某氣相一級反應(yīng)A 3R，反應(yīng)速度常數(shù)k = 8.3310-3s-1，在間歇反應(yīng)器中進行，初始條件為純A，總壓為101325Pa。問1min后反應(yīng)器總壓為多少？ 解： 依題意 A = eq f(3 -1,1)

6、= 2 yA,0 = 1 （1）求在間歇反應(yīng)器中反應(yīng) 1min后的xA，f 1 60 = eq f(1,8.33 11110-3) ln eq f(1,1-xA.f) xA,f = 0.393 （2） 在保持反應(yīng)器體積不變、等溫下的變?nèi)莘磻?yīng)： eq f(n,n0) = eq f(P,P0) P = P0 eq f(n,n0) = P0 eq f(n0(1 + AyA.0 xA),n0) = 101325 (1 + 2 1 0.393) = 1.81 105Pa4-9 在全混流反應(yīng)器中進行等溫反應(yīng)AB，測得反應(yīng)速率(-rA)與cA的關(guān)系如下：cA,f(kmolm-3)123456810(-rA)

7、 (kmolm-3min-1)12344.74.955（1）若要達(dá)到xA,f = 80，反應(yīng)器體積為0.25m3，cA,0=10kmolm-3，求進料體積流量。（2）若要達(dá)到xA,f = 80，cA,0 = 15kmolm-3， qV,0 = 1m3min1，求反應(yīng)器體積。 （3）若反應(yīng)器體積為3m3，qV,0 = 1m3min1，cA,0 = 8kmolm-3，求反應(yīng)器出口反應(yīng)物A的濃度。 解：（1）當(dāng)cA,f = cA,0（1 - xA,f）= 10 (1 - 0.8) = 2 kmolm-3 (-rA) = 2 kmolm-3min-1 eq f(V,qV.0) = cA.0 eq f(

8、xA.f, (-rA)f) qV,0 = V eq f(-rA),cA.0 xA.f) = 0.25 eq f(2,10 0.8) = 0.0625m3 （2）cA,f = cA,0（1 - xA,f）= 15 (1 - 0.8) = 3 kmolm-3） (-rA) = 3 kmolm-3min-1 V= qV,0 cA.0 eq f(xA.f, (-rA)f) = 1 15 eq f(0.8,3) = 4m3 （3） = eq f(V,qV.0) = eq f(cA.0 - cA.f, (-rA)f) 即 eq f(3,1) = eq f(8 - cA.f, (-rA)f) 依據(jù)表中數(shù)據(jù)，

9、可知當(dāng) cA,f = 2 kmolm-3時，(-rA) = 2 kmolm-3min-1，與等式吻合。4-11 高溫下二氧化氮的分解為二級不可逆反應(yīng)，2NO2 = 2NO + O2 現(xiàn)將純NO2在101325Pa和627.2K下于活塞流反應(yīng)器中等溫分解。已知k = 1.7m3(kmols)-1，氣體處理量為120m3h-1（標(biāo)態(tài)），若NO2分解率為70。求下列兩種情況下所需反應(yīng)體積：（1）不考慮體積變化；（2）考慮體積變化。解：cA,0 = eq f(pA.0,RT) = eq f(101.325,8.314 627.2) = 0.0194 kmolm-3 （1）不考慮體積變化，按等容過程處理

10、 = eq f(1,kcA.0) eq f(xA.f,1-xA.f) = eq f(1,1.7 0.0194) eq f(0.7,1 - 0.7) = 70.75s = 0.0197h qV,0 = eq f(120 627.2,273) = 275.7 m3h-1 V = qV,0 = 275.7 0.0197 = 5.42m3 （2）考慮體積變化，為非等容過程 2NO2 = 2NO + O2 A = eq f(2 +1 - 2,2) = 0.5 yA,0 = 1 A yA,0 = 0.5 = eq f(1,1.7 0.0194) 1.5ln(1-xA,f) + eq f(2,1 - xA.

11、f) - 2 + 0.25 eq f(xA.f2,1- xA.f) + 0.5xA.f = 109.73s = 0.0305h V = 275.6 0.0305 = 8.4m3 4-12 某氣相一級分解反應(yīng)A 3P，在等溫活塞流反應(yīng)器中進行，加入原料含A50%，含惰性物料50%，物料流過反應(yīng)器的時間為10min，系統(tǒng)出口體積流量變?yōu)樵瓉淼?.5倍。求此時A的轉(zhuǎn)化率及該反應(yīng)在實驗條件下的反應(yīng)速率常數(shù)。 解：該反應(yīng)為等溫變?nèi)葸^程 A = eq f(3 - 1,1) = 2 yA,0 = 0.5 A yA,0 = 1 （1） qV = qV,0 (1 + A yA,0 xA) 或 eq f(qV,

12、qV.0) = (1 + A yA,0 xA) = 1 + xA = 1.5 xA = 0.5 （2） 物料流過反應(yīng)器的平均停留時間為 qn,A,0 dxA = (-rA) dV qV = qV,0 (1 + A yA,0 xA) 10 = k = 0.0693min-1 4-13 根據(jù)題4-5給出的反應(yīng)條件和產(chǎn)量，用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)醋酸丁酯，試求所需反應(yīng)器的有效體積。并根據(jù)題4-5、4-8和本題計算結(jié)果，試比較在相同操作條件下，所需三種反應(yīng)器體積大小順序。 解：（1） V = 0.9835 eq f(32.78,60) = 0.54m3 （2）根據(jù)計算結(jié)果可知，同一反應(yīng)在相同條件下，達(dá)到同一

13、轉(zhuǎn)化率，所需反應(yīng)器體積大小順序為： CSTR IBR PFR4-15 已知某均相反應(yīng)，反應(yīng)速率為(-rA)= 0.0174CA2（kmolm-3min1），cA0=7.14kmolm-3，物料密度恒定為750kgm-3, 加料速率為7.1410-3m3min1，反應(yīng)在等溫下進行，試計算下列方案的轉(zhuǎn)化率各為多少？（1）串聯(lián)兩個0.25m3的全混流反應(yīng)器；（2）一個0.25m3的全混流反應(yīng)器，后串聯(lián)一個0.25m3的活塞流反應(yīng)器；（3）一個0.25m3的活塞流反應(yīng)器，后串聯(lián)一個0.25m3的全混流反應(yīng)器；（4）串聯(lián)兩個0.25m3的活塞流反應(yīng)器。解：（1）1 = 2 = eq f(0.25, 7.

14、14 10-3) = 35.01min 1 = cA,0 eq f(xA.1,kcA.02(1 - xA.1)2) = eq f(1,kcA.0) eq f(xA.1,(1 - xA.1)2) 35.01 = eq f(1, 0.0174 7.14) eq f(xA.1,(1 - xA.1)2) xA,1 = 62.19% 2 = cA,0 eq f(xA.2 - xA.1,kcA.02(1 - xA.2)2) = eq f(1,kcA.0) eq f(xA.2 - xA.1,(1 - xA.2)2) 35.01 = eq f(1, 0.0174 7.14) eq f(xA.2 - 0.621

15、9,(1 - xA.2)2) xA,2 = 79.85% （2）由（1）知，1 = 35.01min，xA,1 = 62191% 35.01 = eq f(1, 0.0174 7.14) （ eq f(1,1 - xA.2) - eq f(1,1 - 0.6219) ） xA,2 = 85.7% （3）1 = 2 = 35.01min xA,1 = 81.31% 2 = cA,0 eq f(xA.2 - xA.1,kcA.02(1 - xA.2)2) = eq f(1,kcA.0) eq f(xA.2 - xA.1,(1 - xA.2)2) xA,2 = 87.79% （4） 由（3）知，xA

16、,1 = 81.31% = eq f(1,kcA.0) （ eq f(1,1 - xA.2) - eq f(1,1 - xA.1) ） 35.01 = eq f(1, 0.0174 7.14) （ eq f(1,1 - xA.2) - eq f(1,1 - 0.8131) ） xA,2 = 89.69% 4-17 一級反應(yīng) A B，設(shè)計一個等溫等壓的活塞流反應(yīng)器，要求達(dá)到63.2%轉(zhuǎn)化率，已知原料是純A，流量為1.510-4m3h-1，在選用的反應(yīng)溫度下, k = 5.01h-1。但是反應(yīng)器安裝后，在操作過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率僅達(dá)到設(shè)計值的92.7%，認(rèn)為這是由于反應(yīng)器內(nèi)的擾動，產(chǎn)生某個區(qū)域的返混。

17、若該區(qū)域的返混像一個CSTR，則整個反應(yīng)器可視作PFRCSTRPFR。試估計發(fā)生擾動該部分區(qū)域占反應(yīng)器總體積的分率。 解：原設(shè)計下： = 0.1995h 實際操作條件下， 由于該反應(yīng)是一級恒容反應(yīng)，早、晚混合不影響反應(yīng)結(jié)果，所以可看成是： 或 若按（1）解： PFR中： p = eq f(1,5.01) ln eq f(1,1 - xA.2) （1） CSTR中：m = cA,0 eq f(xA.f - xA.2,kcA.0(1 - xA.f) = eq f(1,k) eq f(xA.f - xA.2,1 - xA.f) 則 0.1995 - p = eq f(1,5.01) eq f(0.5

18、859 - xA.2,1 - 0.5859) 整理得： xA,2 = 0.172 + 2.075p （2） 聯(lián)立（1）、（2）式得：xA,2 = 0.35 m = eq f(1,5.01) eq f(0.5859 - 0.35,1 - 0.5859) = 0.1137h eq f(Vm,V總) = eq f(m, 總) = eq f(0.1137,0.1195) = 57%4-20 設(shè)F(t)、E(t)分別為閉式流動反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)及停留時間分布密度函數(shù)，已知反應(yīng)器體積為4m3，物料體積流量為2m3min-1。注：為對比時間，括號中數(shù)據(jù)為 t。（1）如果該反應(yīng)器為全混流反應(yīng)器，試求：(

19、a) F(2) (b) E(2) (c) F(1.8) (d) E(1.8) (e) E(2.2)（2）如果該反應(yīng)器為活塞流反應(yīng)器，試求：(a) F(2) (b) E(2) (c) E(1.8) (d) F(1.8) (e) E(2.2)（3）如果該反應(yīng)器為一非理想流動反應(yīng)器，試求： (a) F(0) (b) F() (c) E() (d) (e) (e) 解：物料流經(jīng)反應(yīng)器的平均停留時間為 且恒容過程 （1）全混流反應(yīng)器中： (a) F(2)= 0.632 (b) E(2)= 0.184min-1 (c) F(1.8)= 0.593 (d) E(1.8)= 0.203 min-1 (e) E

20、(2.2)= 0.166min-1 （2）活塞流反應(yīng)器中，所有質(zhì)點的停留時間相同，且等于平均停留時間，則 (a) F(2)=1 (b) E(2)= (c) E(1.8)= 0 (d) F(1.8)= 0 (e) E(2.2)= 0 （3）非理想流動反應(yīng)器中： (a) F(0)= 0 (b) F()= 1 (c) E()= 0 (d) = 1 (e)= 2min (e) = 1 4-21 某反應(yīng)器用脈沖法測得如下表中的數(shù)據(jù)，試求E(t)、F(t)、及。時間t/min05101520253035404550示蹤劑濃度c(t)/gm-30.02.06.012.012.010.05.02.01.00.50.0解：設(shè)反應(yīng)器內(nèi)流體流量恒定，且等于qV,0，加入示蹤劑量為： t同 = qV,0 5 （2.0 + 6.0 +1