【正文】 kmol/?CC???2434CA34CA0(1?XA2)2?14CB2 2?14CB2YB?2C2???% 的收率： (3)目標函數改為 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： CAi?1?CAi??i2 對 A: 68CAi C?C??i2 對 B: 34CAi?14CBi當 i=1時， C?C??1268CA1（ 1） C??1234CA1?14CB1（ 2）當 i=2 時， C?C??2268CA2（ 3） CB2??2234CA2?14CB2（ 4）由（ 1）式解出 CA1 代入（ 2）式可解出 CB1。為了求分組 A的轉化率及 R的收率，需要求出 A及 R 的濃度隨時 間的變化關系，現列出如下的微分方程組：???2(1?)d(VCA)2?(?)V?Q0CA0dt對 A: （ 1）對 R:d(VCR)??0dt （ 2） V?V0?Q0t （ 3）在反應時間（ t=,為方便起見取 t ≈）內將 m3 的 A均速加入反 V0???1m3/ 應器內，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/ 33V?1m,V? 歇釜操作，且 B，故 可算出原料 A 的濃度為： (1?)?2CA0?kmol/ 由于：代入（ 1），（ 2）式則得如下一階非線性微分方程組：d(VC)dVdC?CA?Vdtdtdtd(VCR)dVdCR?CR?VdtdtdtdV?Q0dtdC7?C2????t （ 4） dCRC??Rdt1?t （ 5）初始條件： t=0,CA=0,CR=0 可用龍格 庫塔法進行數值求解。（ 1） （ 1） 計算A 的轉化率達 95%時所需的反應時間； （ 2） （ 2） A 的轉化率為 95%時， R的收率是多少？（ 3） （ 3） 若反應溫度不變，要求 D的收率達 70%，能否辦到？（ 4） （ 4） 改用全混反應器操作，反應溫度與原料 組成均不改變，保持空時與（ 1）的反應時間相同， A 的轉化率是否可達到 95%？（ 5） （ 5） 在全混反應器中操作時， A的轉化率如仍要求達到 95%，其它條件不變， R的收率是多少？（ 6） （ 6） 若采用半間歇操作， B先放入反應器內，開始反應時 A按（ 1）計算的時間均速加入反應器內。 （ 2） （ 2） 如果是全混流反應器；（ 3） （ 3） 試比較上二問的計算結果；（ 4） （ 4） 若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結果 怎 樣 ？ 解 ： （ 1 ）2?rkCC1S???22?BRAk1CACB?2k2CACB1?2kCC6H5C(CH3)2COH?CH3COCH3?C6H5OHt?CA0??XAfXAfdXAdXA11?CA0??ln0(?RA)kA0CA0(1?XA)k1?XA11ln????Q0(t?t0)?Q0(?15)?300lQ0?300/?C?CA0XA???酚（ 2 ） 全 混 流 反 應 器QC???(1?XAf)Vr?Q0?Q0CA0XAfkCA0(1?XAf)Vrk(1?XAf)300?(1?)?min?（ 3）說明全混釜的產量小于間歇釜的產量，這是由于全混釜中反應物濃度低，反應速度慢的原因。 對于 (A)式，可列出如下微分方程組： ?dC1 ?k1C1?k1C1dt (1)dC2 ?k1C1?k2C3?k1C2?k2C2dt (2) dC3 ?k2C2?k2C3dt (3) 由題意知初始條件為：C1(0)?C10,C2(0)?C3(0)?0 (4)聯立求解此微分方程組可得： ?kkk?kC1?C10????????? ?(??k)e?t(??k)e?t????????(??k)?(??k)?11??? (5) ?k?(??k)e?t(??k)e?t???kk?C2?C10??????????????????? (6)C??k1k2k1k2?e?te?t???3?C10??????????????????? (7) 式中， ?,?由如下式確定： ???k ?k 1k21k2?k2k1 (8) ?????(k 1?k1?k2?k2) (9)現在可用上述結果對本 題 進 行 計 算 ： （ 1 ）k1??1,k ?1?1?,k1 2?,k2?0,t?1min 由（ 5 ）～（ 9 ） 式 得CA1?（ 2）當 t→∝ 時，由（ 5）～（ 9）式得 CA1?CA2?0CA3?（ 3）此時為 k 的情況，當 t→∝ 時，由 ?1?0k1?, k??1,k 122?? 得：CA1?0CA2?等 溫 進 行 下 列 液 相 反 應 ：A?2B?Rrk2R?1CACB2A?B?Srk2S?2CACB 目的產物為 R， B的價格遠較 A 貴且不易回收，試問：（ 1） （ 1） 如何選擇原料配比？（ 2） （ 2） 若采用多段全混流反應器串聯，何種加料方式最好？ （ 3） （ 3） 若用半間歇反應器，加料方式又如何？化學反應工程第五版答案 53_化學反應工程答案 k1CB 解：（ 1）由上式知，欲使 S增加，需使 CA低， CB高，但由于 B的價格高且不易回收，故應按主反應的計量比投料為好。 k3k1A???A????A3反應時間無限延長時， 12（ 3） （ 3） 將上述反應改為k3k1A1????A2???A3反應物系的組成。39。 （ 2） （ 2） 如果要求全部反應物都轉化為產物 R，是否可能？為什么？ 解：(1)???(?4000)?C(??H)T?T0?(XA?XA0)?323?XA?323??CA0??CA0?00(?RA)kCACB?CA0?dX??1014exp(?)CA0(1?XA)323?A（由數值積分得出） (2)若 A全部轉化為 R,即 XA=,則由上面的積分式知， t→∝ ,這顯然是不可能的。該反應的熱效應等于4000kJ/kmol。由于在同樣條件下，間歇反應器的反應時間與反應器的大小無關，所以該生產規(guī)模反應器的反應時間也是 48min。不同反應時間下， NaOH 溶液用量如下表所示：，且丙酸鈉的轉化率要達到平衡轉化率的 90%。該反應對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在反應溫度下反應速率常數等于 ，要求轉化率達到 95%。反應開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為 ，反應速率常數等于 。將速率式直線化： lnrCH4?lnk?alnpCOCH4 式中系數計算式：或y?b?ax，由殘差平方和最小而導出最小二乘法的y?lnr,b?lnk,x??lnpCOxy?mxya????x???m?x221b??y?a?x????m將累加值代入a,b(?)?(?)?5????12(?)?5??1???(?)????5k??10?2RCH4?rCH4?44?10?2pCOkmol/(1?KBpB)，乙烯深度氧化的動力學方程可表示為： r?式中 pA,pB 試求該溫度下的反應速率常數 k 和吸附平衡常數 KB。 設為一級不可逆反應，其速率表達式為： rA??積分得：dCA?kCAdtCA0kt?ln()CACln(A0)CA 表示為： rA??用微分法求解動力學方程首先用 CA～ t 曲線，在曲線上取時間為 0， 1，2， ……9h 所對應點的切線，為了準確可采用鏡面法，求得各切線的斜率即為對應的 dCA/dt 之值， 然后再以 AA方程可表示為： dCA?(?或將速率方程直線化，即兩邊取對數，得： dCA?+ax形式，利用多元回歸，可求得反應級數 n=≈1，反應速率常數值為 k=。故上述假定與題意符合。解：根據速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應步驟外，其余近似達到平衡，寫出相應的覆蓋率表達式： (1)A???A??A?KApA?V整個反應的速率方程以表面反應的速率方程來表示： 根據總覆蓋率為 1的 原 則 ， 則 有： 或整 理 得 ： (2)B2?2??2B??B?V (4)R??R???R?KRpRV ??rA?k?A?B?k?R?V?A??B??R??V?1KApA?V?V?KRpR?V??V?1?V?將 ?A,?B,RV代入反應速率方程，得：化學反應工程第五版答案 53_化學反應工程答案 ??22rA?kKApV?kpRKR?V?其中 ?K?k/ 設有反應 ?B?D，其反應步驟表示如下：（ 1） A???A? （ 2） A??B??D （ 3） B??B???k?kK若（ 1）速率控制步驟，試推導其動力學方 程 。 RD?rA??10?6mol/?A???t/?A??1 由于反應物是純 A，故有： yA0=1。（ 2） （ 2） 若這兩個反應的動力學方程分別為： ?6300CACBkmol/m3?h ?3400CCCBkmol/m3?hC6H3(CH3 ）3?H2?C6H4(CH3)2?CH4C6H4(CH3 ） 2?H2?C6H5CH3?CH4則出口處二甲基苯的生成速率是多少？解：以 100mol 為計算基準，設 X為三甲基苯 的轉化率， Y為生成的甲苯摩爾數。解：（ 1）求出轉化率為 80%時各 組分的分壓：4pSO2?PySO2??(MPa)pO2?PyO2?0.1013?(MPa)pSO3?PySO3???10?3(MPa)pN2?PyN2??82/??10?2(MPa)（ 2 ）求與上述組成對應的平衡常數 KP 值：KP??3???3??3??10??10???(3)求平衡溫度 TelogKp?(4)利用（ ）式求逆反應活化能 E值 Te??(5)利用（ ）式求最佳溫度 TOP????44E?E???10???105J/molr2TOP?一恒容反應器中進行下列液相反應： 3r?RA23r?DAe???ln1?ln4(?)?10E?EE 式中 rR,rD分別表示產物 R 及 D 的生成速率。 在進行一氧化碳變換反應動力學研究中，采用 B106 催化劑進行試驗，測得正反應活化能為?10J/mol,如果不考慮逆反應，試問反應溫度是 550℃ 時的速率比反應溫度是 400℃ 時的速率大多少倍？解：從題中可知，反應條件除了溫度不同外，其它條件都相同，而溫度的影響表現在反應速率常數 k上，故可用反應速率常數之比來描述反應速率之比。 450 ℃ 時2k2?2277m3(MPa)，且 k1/k2?KP， 490℃ 時， Kp 可按下式計算：logKp?06 注： m3 為標準立方米。 氨合成塔入口的氣體組成為 %NH3,%N2,%H2,%Ar及 。解：利用（ ）式及（ ）式可求得問題的解。如催化劑的比表面積為 30m2/g，堆密度為， 試 計 算 ：??kwyCOyCO2kmol/kg?hP??10?4mol/l??10?3?573dXArA?CA0??10?4???10?3mol/(VR/Q0)（ 1） （ 1） 以反應體積為基準的速率常數 kV。 對 整 個 系 統(tǒng) 的 N2 作 衡 算 得 ：1000+= (A) 對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得： 100=B+ (B) 聯立（ A）、（ B）兩個方程，解之得 A=摩爾流量為 FCO=+(281000) 將求得的 A、 B值代入得 FCO= kmol/h 故 CO 的全程轉化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應器出口處的 CO 摩爾流量為 F’ CO,0=100+100= kmol/h 所以 CO 的 單 程 轉 化 率 為FCO,0?FCOXCO???%CO,0X’CO 產物粗甲醇所溶解的CO2 、 CO 、 H2 、 CH4 和 N2 總量 D 為FCO,0?FCO???%FCO,?粗甲醇中甲醇的量為(BD)X 甲 /Mm=() 所以，甲醇的全程收率為 Y 總 =單程收率為 Y 單=(????)B?mol/h10002 反應動力學基礎 在一體積為 4L的恒容反應器中進行 A的水解反應，反應前 A的含量為 %（重量），混合物的密度為 1g/mL，反應物 A的分子量為 88。解：（ 1）由（ ）式得反應的選擇性為：2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O2CH3OH?3O2?2CO2?4H2OS????%（ 2）進入反應器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣 =2： 4： （摩爾比）， AP 出口甲醇、甲醛和二 氧 化 碳 的 摩 爾數 nA 、 nP 和 nc 分別為：nA=nA0(1XA)= mol nP=nA0YP= molnC=nA0(XAYP)= mol 結合上述反應的化學計量式，水（ nW）、氧氣（ nO）和氮氣（ nN）的摩爾數分別為：nW=nW0+nP+2nC= mol nO=nO01/2nP3/2nC= mol nN=nN0= mol1. 1. 2 工 業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應如下：CO?2H2?CH3OH2CO?4H2?(CH3)2O?H2O CO?3H2?CH4?H2O4CO?8H2?C4H9OH?3H2OCO?H2O?CO2?H2 由于化學平衡的限制，反應過程中一氧化碳不可能全部轉化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產上采用循環(huán)操作，即將反應后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空，大部分經循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（ mol）組分 原料氣 冷凝分離后的 氣體 CO H2 CO2 CH4 N2 粗甲醇的組成為 CH3OH %,(C