化學(xué)反應(yīng)工程第三章答案

1、3釜式反應(yīng)器在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為l,反應(yīng)速率常數(shù)等于。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。試問：(1)當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為1m3時，需要多長的反應(yīng)時間？(2)若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m3,，所需的反應(yīng)時間又是多少？解：(1)因為間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以反應(yīng)時間仍為。擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20噸/h,使用15%(重量)的NaHCO水溶液及30%(重量)的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉3的摩爾比為1：1，混合液的比重為。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫

2、鈉均為一級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。(1)若輔助時間為，試計算反應(yīng)器的有效體積；(2)若裝填系數(shù)取，試計算反應(yīng)器的實際體積。解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為,84和62kg/kmol,每小時產(chǎn)乙二醇：20/62=kmol/h每小時需氯乙醇：每小時需碳酸氫鈉：原料體積流量：氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時間：反應(yīng)體積：(2)(2)反應(yīng)器的實際體積：丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：為二級可逆反應(yīng)(對丙酸鈉和鹽酸均為一級)，在實驗室中用間歇反應(yīng)器于50C等溫下進(jìn)行該反應(yīng)的實驗。反應(yīng)開始時兩反應(yīng)物的摩爾比為1，為了確定反應(yīng)進(jìn)行的程度，在不同的反應(yīng)時間下取出10ml反應(yīng)液用的NaOH溶

3、液滴定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)時間下，NaOH溶液用量如下表所示：時間，min010203050ocNaOH用量，ml現(xiàn)擬用與實驗室反應(yīng)條件相同的間歇反應(yīng)器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的90%。試計算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定(1)原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度(50C)所需的時間為20min，且在加熱過程中不進(jìn)行反應(yīng)；(2)卸料及清洗時間為10min；(3)反應(yīng)過程中反應(yīng)物密度恒定。解：用A,B,R,S分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時刻鹽酸的濃度(也就是丙酸鈉的濃度，因為其計量比和投量比均為1：1)為：于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)化率:現(xiàn)以

4、丙酸濃度對時間作圖：由上圖，當(dāng)C=Xl時，所對應(yīng)的反應(yīng)時間為48min。由于在同樣條件下，間歇A反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器的反應(yīng)時間也是48min。丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=min。所需丙酸鈉的量為:=min。原料處理量為：反應(yīng)器體積：實際反應(yīng)體積：在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：其反應(yīng)速率方程為：式中組分A及B的濃度C及C以kmol/m為單位，溫度T的單位為K。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反應(yīng)開始時溶液不含R,組分A和B的濃度均等于m3,反應(yīng)混合物的平均熱容按計算。反應(yīng)開始時反應(yīng)混合物的溫度為50C。(1)試計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時

5、所需的反應(yīng)時間及此時的反應(yīng)溫度。(2)如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R,是否可能？為什么？解：(1)(由數(shù)值積分得出)若A全部轉(zhuǎn)化為R,即X=,則由上面的積分式知，t這顯然是不可能的。A在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)：A的初始濃度為m3,C,D的初始濃度為零，B過量,kmol/m3，而反應(yīng)時間為t時，C=kmol/m3,C=m3,C1)k/k;(2)產(chǎn)物C的最大濃度；3)k/k;2A反應(yīng)時間為t時，C=m3,C=試求：對應(yīng)C的最大濃度時A的轉(zhuǎn)化率。解：因為B過量，所以：恒容時：(A)(B)(B)式除以(A)式得：解此微分方程得：(9)（C）將t,C,C及t,C,C數(shù)據(jù)代入（C）式化簡得:1AC2A

6、C解之得：（2）先求出最大轉(zhuǎn)化率:產(chǎn)物C的最大收率：產(chǎn)物C的最大濃度：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)初始的反應(yīng)物料中不含A和A,A的濃度為2mol/l,在反應(yīng)溫度下k=,k=,k=。試求:231123(1)(2)(3)（1）反應(yīng)時間為時,反應(yīng)物系的組成。（2）反應(yīng)時間無限延長時,反應(yīng)物系的組成。（3）將上述反應(yīng)改為反應(yīng)時間無限延長時,反應(yīng)物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反應(yīng)情況，可分別列出微分方程，然后進(jìn)行求解。但仔細(xì)分析這兩種情況,其實質(zhì)是下述反應(yīng)的特例：TOC o 1-5 h z當(dāng)時，（A）式變?yōu)椋˙）當(dāng)時，（A）式變?yōu)椋–）當(dāng)時，（A）式變?yōu)椋―）其中式（D）即為書講的一級不可逆連串反應(yīng)

7、?？梢娭灰玫剑ˋ）式的解，則可容易化簡得到（B）,（C）及（仍式的解。對于（A）式，可列出如下微分方程組：(1)(2)(3)由題意知初始條件為：(4)聯(lián)立求解此微分方程組可得：(5)(6)(7)式中,由如下式確定：(8)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對本題進(jìn)行計算（1）由（5）（9）式得當(dāng)t-8時，由(5)(9)式得此時為的情況，當(dāng)t8時，由得：擬設(shè)計一反應(yīng)裝置等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：目的產(chǎn)物為R,B的價格遠(yuǎn)較A貴且不易回收，試問：(1)(1)如何選擇原料配比？(2)若采用多段全混流反應(yīng)器串聯(lián)，何種加料方式最好？(3)若用半間歇反應(yīng)器，加料方式又如何？解：(1)由上式知，欲使S增加，需使C低,C高，但由于B

8、的價格高且不易回收，故AB應(yīng)按主反應(yīng)的計量比投料為好。保證C低，C高，故可用下圖所示的多釜串聯(lián)方式：AB用半間歇反應(yīng)器，若欲使C低，C高，可以將B次先加入反應(yīng)器，然后滴加A.AB在一個體積為3001的反應(yīng)器中86C等溫下將濃度為m3的過氧化氫異丙苯溶液分解：生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于,最終轉(zhuǎn)化率達(dá)%，試計算苯酚的產(chǎn)量。(1)(1)如果這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15min;(2)(2)如果是全混流反應(yīng)器；(3)(3)試比較上二問的計算結(jié)果；(4)(4)若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？解：(1)苯酚濃度苯酚產(chǎn)量全混流反應(yīng)器

9、苯酚產(chǎn)量說明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低，反應(yīng)速度慢的原因。由于該反應(yīng)為一級反應(yīng)，由上述計算可知，無論是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器，其原料處理量不變，但由于C增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩個反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。AB在間歇反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：r及rR分別為產(chǎn)物D及R的生成速率。反應(yīng)用的原料為A及B的混合液，其中A的濃度等于2kmol/m3。計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的反應(yīng)時間；A的轉(zhuǎn)化率為95%時，R的收率是多少？若反應(yīng)溫度不變，要求D的收率達(dá)70%，能否辦到？改用全混反應(yīng)器操作，反應(yīng)溫度與原料組成均不改變，保持空時與(1)的反應(yīng)時間相同

10、，A的轉(zhuǎn)化率是否可達(dá)到95%？在全混反應(yīng)器中操作時,A的轉(zhuǎn)化率如仍要求達(dá)到95%，其它條件不變,R的收率是多少？若采用半間歇操作，B先放入反應(yīng)器內(nèi)，開始反應(yīng)時A按(1)計算的時間均速加入反應(yīng)器內(nèi)。假如B的量為1m3,A為，試計算A加完時，組分A所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解:(1)第二章題已求出t=(2)若轉(zhuǎn)化率仍為，且溫度為常數(shù)，則D的瞬時選擇性為：D的收率：這說明能使D的收率達(dá)到70%對全混流反應(yīng)器，若使t=t=,則有解之得：CA=所以：這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到95%。(5)對全混流反應(yīng)器，若X=，則R的收率為：依題意知半間歇式反應(yīng)器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組A的轉(zhuǎn)化率

11、及R的收率，需要求出A及R的濃度隨時間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：對A:(1)對R:(2)(3)在反應(yīng)時間(t=，為方便起見取t)內(nèi)將m3的A均速加入反應(yīng)器內(nèi)，故采用間歇釜操作時，原料為A與B的混合物，A的濃度為2kmol/m3現(xiàn)采用半間歇釜操作，且，故可算出原料A的濃度為：由于：代入(1)，(2)式則得如下一階非線性微分方程組：(4)(5)初始條件：t=0,CA=0,CR=0可用龍格-一庫塔法進(jìn)行數(shù)值求解。取步長At=，直至求至t=即可。用t=時的C和Cr可以進(jìn)行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計算：式中V為所加入的A的體積，且V=;C為所加入的A的濃度，且C=7kmol/m3；v為反應(yīng)結(jié)束時物

12、系的體積，v=。AA0A0同理可以計算出R的收率：在兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進(jìn)行液相反應(yīng)：加料中組分A的濃度為m3,流量為4m3/h,要求A的最終轉(zhuǎn)化率為90%,試問：1)(1)總反應(yīng)體積的最小值是多少？2)(2)此時目的產(chǎn)物B的收率是多少？3)(3)如優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改為B的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少？此時總反應(yīng)體積最小值是多少？解：（1）對上式求dV/dX=0可得：將X=代入上式,，則A2解之彳X=所以總反應(yīng)體積的最小值為（2）即解得Ci=kmol/m3同理解得C=kmol/m3B的收率：目標(biāo)函數(shù)改為B的收率，這時的計算步驟如下：對于第i個釜，組分A,B的衡算方程分別為：對A:對B:當(dāng)

13、i=1時，（1）（2）當(dāng)i=2時，（3）（4）由（1）式解出C代入（2）式可解出C;由（1）式解出C代入（3）式可解出C;將C及A1C代入（4）式可解出C,其為t,A1t的函數(shù)，即A2B1A2B212（5）式中C為常數(shù)。由題意，欲使C最大，則需對上述二元函數(shù)求極值：A0B2聯(lián)立上述兩個方程可以求出t及t。題中已給出Q,故由可求出C最大時反應(yīng)器系統(tǒng)的總體積。將t,t代入（5）式即可求出B0的最高濃度，從而可進(jìn)一步12求出Y將t,t代入C，則由X=（C-C）/C可求出最終轉(zhuǎn)化率。BmaX12A2A2A0A2A0在反應(yīng)體積為490cm3的CSTR中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)：式中（A）-NH,（

14、B）HCHO,反應(yīng)速率方程為：3式中。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為l和l,各自以s的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取為36C，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率X及反應(yīng)器出口物A料中氨和甲醛的濃度C及C。AB即得：整理得：解得：X=反應(yīng)器出口A,B得濃度分別為:在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h的乙醇和1.8kg.h的醋酸進(jìn)行可逆反應(yīng)。各個反應(yīng)器的體積均為00血，反應(yīng)溫度為100C，酯化反應(yīng)的速率常數(shù)為X10-41/,逆反應(yīng)（酯的水解）的速率常數(shù)為X10-41/。反應(yīng)混合物的密度為864kg/m3，欲使醋酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)60%，求此串聯(lián)系統(tǒng)釜的數(shù)目。解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B,C,D分別代表乙酸，乙

15、酸乙酯和水。由計量關(guān)系得：從已知條件計算出：將上述數(shù)據(jù)代入（A）式，化簡后得到：若i=1,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=2,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=3,則（B）式變?yōu)椋航庵茫杭矗喝?lián)能滿足要求。以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反應(yīng)可制得醋酸丁酯。倉庫里閑置著兩臺反應(yīng)釜，一臺的反應(yīng)體積為3m3,另一臺則為血?，F(xiàn)擬將它們用來生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的0濃度為m3,丁酯則大量過剩，該反應(yīng)對醋酸為2級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于1.2m3/，要求醋酸的最終轉(zhuǎn)化率不小于50%，這兩臺反應(yīng)釜可視為全混反應(yīng)器，你認(rèn)為采用怎樣的串聯(lián)方式醋酸丁酯的產(chǎn)量最大？為什么？試計算你所

16、選用的方案得到的醋酸丁酯產(chǎn)量。如果進(jìn)行的反應(yīng)是一級反應(yīng)，這兩臺反應(yīng)器的串聯(lián)方式又應(yīng)如何？解：因為反應(yīng)級數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應(yīng)當(dāng)是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進(jìn)行計算：二式聯(lián)立化簡后得到：（將X=代入）A2解之得：X=A1醋酸丁酯產(chǎn)量=如果進(jìn)行的是一級反應(yīng)，可進(jìn)行如下計算：（1）（1）小反應(yīng)器在前，大反應(yīng)器在后:聯(lián)立二式，且將X=代入，化簡后得到：A2解得：X=所以有：醋酸丁酯產(chǎn)量=（2）大反應(yīng)器在前，小反應(yīng)器在后:解得X=所以有產(chǎn)量同前。說明對此一級反應(yīng)，連接方式?jīng)]有影響。等溫下進(jìn)行級液相不可逆反應(yīng):。反應(yīng)速率常數(shù)等于5m,A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為

17、1.5m3/h，試分別計算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的反應(yīng)體積：（1）全混流反應(yīng)器;（2）兩個等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)；（3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解：（1）全混流反應(yīng)器（2）（2）兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)由于，所以由上二式得：將X=代入上式，化簡后得到X=，所以：A2A1串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：（3）（3）此時的情況同（1），即原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為20m3的全混流反應(yīng)器,進(jìn)行液相反應(yīng)：CA,C為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，rD為D的生成速率。原料中A*的濃度等于m3，反應(yīng)溫度下，k=，k=125m3/,試計算反應(yīng)器出口

18、處A的轉(zhuǎn)化12率及R的收率。解：所以即為在全混流反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：進(jìn)料速率為360l/h,其中含25%A,5%C(均按質(zhì)量百分率計算),料液密度等于cm3。若出料中A的轉(zhuǎn)化率為92%,試計算：(1)所需的反應(yīng)體積；(2)B及D的收率。已知操作溫度下，k=X10-5l/；k=X10-9s-i；;k=X10-5l/的分子量為140；D的分子量為140。解：因M=M=140,所以M=M=70BDAC(1)(2)(3)由(2)，(3)式分別得：(4)(5)將(4),(5)式及上述數(shù)據(jù)代入(1)式，可整理為T的代數(shù)方程式，解之得T=X105s=(1)(1)反應(yīng)體積(2)(2)將t代入(4)式

19、得，所以B的收率為：對A作物料衡算：所以有：所以D的收率為：3.17在CSTR中進(jìn)行下述反應(yīng)：(1)(2)(3)如果k/k=8,k/k=30,C=l,氯對苯的加料比=，kt=1l/mol,(t為空時),試計算反應(yīng)器出口B,M,D,T,C的濃度。各個反應(yīng)對各反應(yīng)物均為一級。解：分別列出組分B,M,D,T,C的物料衡算式：(1)(2)(3)(4)(5)由(5)式得：（6）聯(lián)立（1）,（2）,（3）,（4）,（6）式（五個方程，五個未知數(shù)）由（2）式得：（7）由（3）式得：（8）將（1）,（7）,（8）式代入（6）得：整理得：解得：C=kmol/m3C代入（1）式得：代入（7）式得：代入（8）式得：

20、代入（4）式得：驗證：即：318根據(jù)例題中規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，使用圖解法分析此反應(yīng)條件下是否存在多定態(tài)點？如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使原料以0.001m3/s的流速連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，其它條件不變，試討論定態(tài)問題，在什么情況下出現(xiàn)三個定態(tài)點？是否可能實現(xiàn)？解：由例,知：移熱速率方程：（1）放熱速率方程：（2）絕熱操作方程：（3）由（3）式得：（4）（4）（4）代入（2）式得：（5）由（1）式及（5）式作圖得：由上圖可知，T326330340350360365370q轉(zhuǎn)化率，使Q=s,而保持其它條件不變，則這時的移熱速率線如q所示。由圖0r可知，q，與q線無交點，即沒有定態(tài)點。這說明采用上

21、述條件是行不通的。從例可知，該反應(yīng)溫度不得超過373K，因此從圖上知，不可能出現(xiàn)三個定態(tài)點的情況。319根據(jù)習(xí)題所規(guī)定的反應(yīng)及給定數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問：（1）（1）在操作條件均不變時，丙酸的產(chǎn)量是增加還是減少？為什么？（2）若丙酸鈉的轉(zhuǎn)換率和丙酸產(chǎn)量不變，所需空時為多少？能否直接應(yīng)用中的動力學(xué)數(shù)據(jù)估算所需空時?若把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時間為(2)中單釜操作時平均停留時間的三分之一，試預(yù)測所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。解：(1)在操作條件均不變時，用習(xí)題中已算出的V=4512l,Q=min,則可求出空時為T=4512/=78min。此即間歇操作時的(t+t)。當(dāng)改為連續(xù)操作時

22、，轉(zhuǎn)化率下降了，所以反應(yīng)器出口丙酸的濃度也低于間歇反應(yīng)器的結(jié)果。因Q維持不變，故最后必然導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降。這是由于在連續(xù)釜中反應(yīng)速率變低的緣故。(2)若維持XA=，則可由題中的數(shù)據(jù)得出X=時所對應(yīng)的反應(yīng)速率，進(jìn)而求出這時對應(yīng)的空時T=。因題意要求丙酸產(chǎn)量不變，故qo不能變，必須將反應(yīng)器體積增大至14240l才行。0(3)這時T=T1/3=。利用題中的數(shù)據(jù)，可求出RX之關(guān)系，列表如下:XA0A-R0A第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為：X=oA3320根據(jù)習(xí)題所規(guī)定的反應(yīng)和數(shù)據(jù)，在單個全混流反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率為%，如果再有一個相同大小的反應(yīng)釜進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，要求達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率時，生產(chǎn)能力各增加多少？解：

23、(1)二個300l全混串聯(lián)釜，X=，A2(1)(2)解得：X=A1代入(1)式求出此系統(tǒng)的體積流量：題中已算出。因為最終轉(zhuǎn)化率相同，故生產(chǎn)能力增加=倍。(2)二個3001釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時，Q增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一3.21在反應(yīng)體積為075m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行醋酐水解反應(yīng)，進(jìn)料體積流量為0.05m3/min,醋酐濃度為m3,溫度為25C,出料溫度為36C，該反應(yīng)為一級不可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)等于-209kJ/mo1,反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系如下：k=X10-7exp(-5526/T),min-1反應(yīng)物料的密度為常數(shù)，等于1050kg/m3,熱容可按kg.C計算。該反應(yīng)器沒有安裝換熱器，僅通過反應(yīng)器壁向大氣散熱。試計算：(1)反應(yīng)器出口物料中醋酐的濃度；(2)單位時間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量。解：1)(1)求轉(zhuǎn)化率：解得:X=反應(yīng)器出口物料中醋酐濃度:（2）單位時間內(nèi)反應(yīng)器向大氣散出的熱量：322在反應(yīng)體積為1m3的釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應(yīng)生