【正文】 A均速加入反 V0???1m3/ 應(yīng)器內(nèi)，故采用間歇釜操作時(shí)，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(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解。題中已給出 Q0,故由 Vr?Q0(?1??2)可求出CB2最大時(shí)反應(yīng)器系統(tǒng)的總體積。由計(jì)量關(guān)系得：CAi?1?CAik1CACB?k2CCCD(A)CB?CB0?(CA0?CA)CC?CD?CA0?CA從已知條件計(jì)算出：將上述數(shù)據(jù)代入（ A）式，化簡(jiǎn) 后 得 到 ：2CAi?1????864??864CB0??CA0?(B)???CA0? 若 i=1,則（ B ） 式 變?yōu)?： 解之 得 ： CA1? 解 之得 ：CA2?,XA1? mol/l,XA1????CA1? 若 i=2, 則（ B ） 式 變 為 ：???CA2? 若 i=3,則（ B）式變?yōu)椋?mol/l,XA1? 解之得： CA3? 即：三釜串聯(lián)能滿足要求。反應(yīng)速率常數(shù)等于， A的濃度為 2kmol/m3 的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為 ，試分別計(jì)算下列情況下 A的轉(zhuǎn)化率 達(dá) 95%時(shí)所需的反應(yīng)體積：（ 1）全混流反應(yīng)器 。k2=109s1。從例 可知，該反應(yīng)溫度不得超過(guò) 373K，因此從圖上知，不可能出現(xiàn)三個(gè)定態(tài)點(diǎn)的情況。 （ 2）若維持 XA=，則可由 題中的數(shù)據(jù)得出 XA=時(shí)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率，進(jìn)而求出這時(shí)對(duì)應(yīng)的空時(shí) τ=。該反應(yīng)器沒(méi)有安裝換熱器，僅通過(guò)反應(yīng)器壁向大氣散熱。（ 2） T0=298K,在 T=373K下等溫操作，由物料衡算式可求出轉(zhuǎn)化率：430XA???323???10exp(?3090/373)(1?X)(?)AA??所以有： XA= 化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53_化學(xué)反應(yīng)工程答案由（ ）式可得物系與環(huán)境交換的熱量：q?UAh(T0?T)?Q0?Cpt(T?T0)?Q0CA0XAf(?Hr)?3?10?3??(373?298)?3?10?3????知 TCT,說(shuō)明應(yīng)向反應(yīng)器供熱。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過(guò)程，原料 甲 苯 與 氫 的 摩 爾 比 等 于 1 ， 即 ：?,mol/?H2?C6H6?CH4CT0?CH0，則有： CT?CH?CT0(1?XT)示中下標(biāo) T和 H分別代表甲苯與氫，其中：??105?33CT0????10kmol/?103?1073FT0?Q0CT0?2/2?1kmol/h??10?3kmol/s所以，所需反應(yīng)器 體 積 為 ：Vr?Q0CT0?XTXTdXdXTT?Q0CT0?5?(1?)?1T??10?3?????.5(?10)(1?XT)?? 所以，反應(yīng)器的長(zhǎng)度為： ?，改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇，試計(jì)算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。進(jìn)料含 50%(mol)C2H6,其余為水蒸汽。解：由反應(yīng)計(jì)量方程式知反應(yīng)過(guò)程為恒容過(guò)程，將速率方程變?yōu)?B 組分轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，其中：pB?pB0(1?XB),pA?pA0?pB0XB 為求各組分初始分壓，須將加料組成的質(zhì)量百分比化為摩爾百分比，即%B,%A,%Q 。 因 而有： ??1L????(?)??(1?)lnk?1??0 這是 由于反應(yīng)器的截面積沒(méi)有固定，固定的是反應(yīng)氣體的線速度等條件，因此，當(dāng)流量提高一倍時(shí)，而其余條件不變，則反應(yīng)器的長(zhǎng)度并不變，只是其截面積相應(yīng)增加?，F(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下（采用等溫操作），增產(chǎn) 35%，請(qǐng)你擬定一具體措施（定量說(shuō)明）。0??FA0(1?XAf)?2(1?)????B1FA0XAf?*2*??A2FCf?2*??Ft? 0?FtFt 0???*20?（ ）式知：由已知條件，且考慮溫度的影響可算出轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的線 速 度 ： Q?Q0(1?yA0?AXA) u?u0(1?yA0?AXA)u0?uin(1?yA0?AXA,in)TinT0?T020?m/s1?? 其 出 口 處 氣 體 線 速 度 為 ：uj?u0(1?yA0?AXA)TjT0?(1??)?方 程 計(jì) 算 出 反 應(yīng) 器 長(zhǎng) 度 ：XAfLdXA?Vr/Qin?CA,in?0uinkCA,in1? 那么需求出以反應(yīng)器入口為基準(zhǔn)的出口轉(zhuǎn)化率 XAf。已知：kpA,kmol/???XAf?? 代入物料衡算式有Vr?FA0?XAfdXAk()2?XART 其 反 應(yīng) 管 長(zhǎng) ：??103??X3?dX??01?XAA1?6?105L? 于 277℃ ， 105Pa壓力下在活塞流反應(yīng)器進(jìn)行氣固相催化反應(yīng) :?()?OC2H5?H2O(A)rB?(B)3(P)催 化劑的堆密度為 700kg/m,在277 ℃ 時(shí)， B 的 轉(zhuǎn) 化 速 率 為 ：(Q),kmol/?10?7(??10?6pQ)(pB?pPpQ/)3600(1??10pP)?4式中的分壓以 Pa表示，假定氣固兩相間的傳質(zhì)阻力可忽略不計(jì)。已知： ?iyi0?yA0XA?Ayi?1??AyA0XA?A??Ai1??,yA0?,yB0??(273?20)/273???10?2kmol/?10?2????10?3kmol/?10?2????10?3kmol/ 所以，反應(yīng)速率為：122CA(1?X)(C?CA0XA)0AB0rA??104(1?)2(1?XA)(1?XA)2(?)?10?3??10(1?)34再將有 關(guān) 數(shù) 據(jù) 代 入 （ A ） 式 ：?14??10?3(1?)3??dXA??10(1?XA)(?) （ B）用數(shù)值積分試差求得： XA?%因此，yA?yA0?(1?)??%1???另：本題由于惰性氣體 N2 占 80%，故此反應(yīng)過(guò)程可近似按恒容過(guò)程處理，也不會(huì)有太大的誤差。 4 管式反應(yīng)器 在常壓及 800℃ 等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列氣相均相反應(yīng)： 在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：式中 CT及 CH分別為甲苯及氫的濃度， mol/l，原料處理量為 2kmol/h，其中甲苯與氫的摩爾比等于 1。問(wèn)： （ 1） （ 1） 絕熱溫升是多少？若采用絕熱操作能否使轉(zhuǎn)化率達(dá)到 80%？操作溫度為多少？（ 2） （ 2） 在 100 ℃ 下等溫操作， 換熱速率為多少？ 解：CA0?,??(??Hr)?2231kJ/kg( 烏洛托品） ?(烏洛托品） ???????????????(氨）Cpt?(??Hr)???A0????Cpt （ 1 ）絕熱升溫：由物料衡算式（見 解答）： ??X32???10exp(?3090/T)(1?X)(?)AA??由熱量衡算式得： T=298+。（ 2）二個(gè) 300l釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時(shí)， Q0 增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。因 Q0 維持不變，故最后必然導(dǎo)致丙酸的產(chǎn)量下降。由圖可知， q’ r與 qg線無(wú)交點(diǎn) ，即沒(méi)有定態(tài)點(diǎn)。若出料中 A的轉(zhuǎn)化率為 92%，試計(jì)算： （ 1） （ 1） 所需的反應(yīng)體積；（ 2） （ 2） B 及 D 的收率。說(shuō)明對(duì)此一 級(jí) 反 應(yīng) ， 連 接 方 式 沒(méi) 有 影 響 。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。將 CB1及 CA2 代入（ 4）式可解出 CB2,其為 τ1,τ2的函數(shù)，即 CB2?f(CA0,?1,?2) （ 5）式中 CA0 為常數(shù)。 解：（ 1）第二章 題已求出 t== (2)SR?(dCRdC?)/(?A)????1??CA0(1?XA)?2(1?)?CA0?SRdCA??2112??ln(1?)??5kmol/???(3)若轉(zhuǎn)化率仍為 ，且溫度為常數(shù)，則 D 的瞬時(shí)選擇性為： SD?D 的收率：2?(1?XA)?????SDdXA?? 這說(shuō)明能使 D的收率達(dá)到 70%（ 4）對(duì) 全混流反應(yīng)器，若使 τ=t=, 則有(1?XA)A???? 解 之 得 ：CA=???所以：這說(shuō)明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到 95%。該反應(yīng)為一級(jí)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(jì)算苯酚的產(chǎn)量。試求 :（ 1） （ 1） 反應(yīng)時(shí)間為 時(shí)，反應(yīng)物系的組成。反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度為 50℃ 。假定（ 1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（ 50℃ ）所需的時(shí)間為 20min，且在加熱過(guò)程中不進(jìn)行反應(yīng)；（ 2）卸料及清洗時(shí)間為 10min；（ 3）反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物密度恒定。試問(wèn)：（ 1） （ 1） 當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為 1m3 時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53_化學(xué)反應(yīng)工程答案（ 2） （ 2） 若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為 2m3 ， 所 需 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 又是 多 少 ？t?CA0?XAfXAfdXdX1X?CA0???2220(?RA)kAC(1?X)kCA01????()解：（ 1） ??(2) 因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)間仍為 。 在 Ni 催化劑上進(jìn)行甲烷化反應(yīng)：dC)?lnk?nlnCAdtCO?3H2?CH4?H2O 數(shù)及正反應(yīng)速率常數(shù)。kaApA?kdAr1?1?kaApAkS?kdAkaApA?KBpBkS?kdA?kSkaApAkS?kdA?kaApA?(kS?kdA) 一氧化碳變換反應(yīng)：在較低溫度下，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：CO(A)?H2O(B)?CO2(C)?H2(D)r?試擬定該反應(yīng)的合適的反應(yīng)步驟。（ 2） （ 2） 由題給條件可知，三甲基苯的出口濃度為：pA0?33???10kmol/?10?3?523CA?CA0(1?)??10?3(1?)??10?3kmol/m3 CA0?化學(xué)反應(yīng)工程第五 版 答 案 53_ 化 學(xué) 反 應(yīng) 工 程 答 案?rA?rE?6300CACB?3400CCCB??10?3??10?3kmol/m3CC???10?3??10?3kmol/??1.534?10?3??10?3kmol/???10?3??10?3kmol/ CB??6300??10?3?(?10?3)?3400??10?3?(?10?3)???℃ 等溫下進(jìn)行亞硝酸乙脂的氣相分解反應(yīng)：該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng) ， 反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) 與 溫 度 的 關(guān) 系 為C2H5NO2?NO?CH3CHO?C2H5OH22k??1014exp(??104/T)(s?1)，若反應(yīng)是在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的起始總壓為，采用的是純亞硝酸乙脂，試計(jì)算亞硝酸乙脂分解率為 80%時(shí)，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。試計(jì)算轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)的最佳溫度。已知催化劑床層中某處的溫度為 490℃ ，反應(yīng)氣體中氨含量為 10%（ mol），試計(jì)算該處的反應(yīng)速率。（ 3） （ 3） 以分壓表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù) kg。若循環(huán)氣與原料氣之比為 （ 摩爾比），試計(jì)算：（ 1） （ 1） 一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率； （ 2） （ 2） 甲醇的單程收率和全程收率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過(guò)程中可部分溶解于粗甲醇中，對(duì) 1kg 粗甲醇而言，其溶解量為 CO2 ,CO ,H2 ,CH4 ,。（ 2） （ 2） 以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù) kg。該塔是在 30MPa壓力下操作。 4r550k550?，在釩催化劑上進(jìn)行 SO2 氧化反應(yīng)，原料氣組成為 7%O2及 82%N2。（ 1 ） （ 1 ） =20 解得Y==（甲苯量） 生成的二甲基苯量： = 生 成的甲烷量 ：+= 剩余的三甲基苯量： （ ） = 氫氣含量為： 20kmol 故出口尾氣組成為：三甲基苯 %，氫氣 20%，二甲基苯 %，甲烷%，甲基苯 %。 解 ： 先 寫 出 各 步 的 速 率 式 ：(1)A???A?(2)A??B??D(3)B??B??r1?kaApA?V?kdA?Ar2?kS?Ar3?kdB?B?kaBpA?V 由于（ 1）是速率控制步驟，第（ 2）步是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率應(yīng)等于（ 1）的吸附速率，故有： 整理得： kaApA?V?kdA?A?kS?A?A?根據(jù) 定態(tài)近似原則kp?kS?kdAd?B?kS?A?kdB?B?kaApA?V?0dtkkpkdB?B?kS?A?kaApA?V?(?kaBpB)?VkS?kaAkSkaApA?kaBpB)?V/kdBkS?kaA 因?yàn)??A??B??V?1?B?( 將 ?A,?B 代入上式，化簡(jiǎn)后得： ?V?1?1?KBpBkS?kdA最后將 ?A,?V代入吸附速率式，即為 該 反 應(yīng) 的 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 式 。還可用一數(shù)學(xué)公式來(lái)擬合 CA～ t曲線，然后再將該數(shù)學(xué)公式對(duì) t 求導(dǎo)，求得 dCA/dt 之值，此法會(huì)比作圖法來(lái)的準(zhǔn)確。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%。試計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。反應(yīng)開始時(shí)溶液不含 R，組分 A和 B的濃度均等于 ，反應(yīng)混合物的平均熱容按 計(jì)算。???k1（ C） 將 t1,CA,CC及 t2,CA,CC 數(shù)據(jù)代入（ C）式 化 簡(jiǎn) 得 ： 解 之 得 ：???????(2)先求出最大轉(zhuǎn)化率 :1 k2kx? ??2k1k1XA,maxk1k1?1?1?()?25k2k