【正文】 據(jù) XA=FA0FA/FA0，可求出 FA,in=,FAf=, 所 以 ，XAf=()/= 。 在內徑為 的活塞流反應器中將乙烷熱裂解以生產乙烯： 反應壓力及溫度分別為 105Pa 及 815℃ 。聯(lián)立求解可得：XA=， T= 可見，絕熱操作時轉化率可以達到 80%。這是由于在連續(xù)釜中反應速率變低的緣故。已知操作溫度下， k1=105l/。 解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng) ??A,B,C,D 分別代表乙酸，乙酸乙酯和水。（ 5） （ 5） 對全混流反應器，若 X=, 則 R 的 收 率 為 ：C?C???SXAf?XAf1?(1?XAf)?（ 6）依題意知半間歇式反應器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。 （ 2） （ 2） 反應時間無限延長時，反應物系的組成。解：用 A,B,R,S 分別表示反應方程式中的四種物質，利用當量關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：CA?CB? 于 是 可 求 出 A 的 平 衡 轉 化 率 ：?VNaOHmol/l10XAeCA0?????.515??(1?)??%??CA0(1?XA)?現(xiàn)以丙酸濃度對時間作圖：由上圖，當 CA=，所對應的反應時間為 48min。解：由題意可寫出速率方 程式：但由于氫的分壓保持為 的恒定值，反應速率式可簡化為：arCH4?kpCOa?rCH4?k pCOpH2式中 k?k pH2?。 若采用恒壓反應，乙醇的生成速率又是多少？解：（ 1）恒容過程，其反應式可表示為：反應速率式表示為： A?B?C?D22設為理想氣體，反應物 A 的初始濃度為：rA?kCA?kCA0(1?XA)CA0?PyA0?2???10mol/l??10?483rA?kCA0(1?XA)??1014exp(?18973/T)?CA0(1?XA)??1014exp(?18973/483)??10?2?()??10?6mol/ 亞硝酸乙脂的分解速率為： 乙醇的生成速率為：RA?rA??10?6mol/（ 2）恒壓過程，由于反應前后摩爾數(shù)有變化，是個變容過程，由（ ）式可求得總摩爾數(shù)的變化。在 Fe 催化劑上氨合成反應速率式為： X1?XAr??化學反應工程第五版答案 53_化學反應工程答案逆反應的活化能 ??E??104J/mol 。 解：（ 1）設新鮮原料氣進料流量為 100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計算進料原料其中 xi=yiiiimiiM ’m=∑yiMi= Akmol/h，粗甲醇的流量為 Bkg/h 。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(shù) kV。 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(xiàn)在反應速率常數(shù) k上，故可用反應速率常數(shù)之比來描述反應速率之比。解：根據(jù)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(jù)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 。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(shù)等于 。該反應的熱效應等于4000kJ/kmol。 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(lián)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(xiàn)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(lián)，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。 NA0?NACA0VA?CAV?NA0CA0VAYR?同理可以計算出 R的收率： 在兩個全混流反應器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進行液相反應： CRVCA0VA2A?BB?R2rA?68CAkmol/加料中組分 A的濃度為 ,流量為 4m/h,要求 A的最終轉化率為 90%，試問：（ 1） （ 1） 總反應體積的最小值是多少？ （ 2） （ 2） 此時目的產物 B的收率 是多少？（ 3） （ 3） 如優(yōu)化目標函數(shù)改為 B的收率最大，最終轉化率為多少？此時總反應體積最小值是多少？ 解：（ 1 ）rR?14CBkmol/(XA2?XA1)Vr?Vr1?Vr2??2222k1CA0(1?XA1)k2CA(1?X)0A21?X1??02 對上式求dVr/dXA1=0 可得： 1?XA1(1?XA2)3100(1?X)?1?XA1 A1 將XA2= 代入上式，則解之得 XA1=最小值為Vr?Vr1?Vr2?(2)4???3?????68??(1?)(1?)??2RB?34CA?14CBCA1?CA0(1?XAf)??34CA1?14CB1??14CB1Vr1CB1?CB0?Q0??14CB1 即 4?1? 解得 CB1= kmol/m3?2? 同 理 解 得 CB2= kmol/?CC???2434CA34CA0(1?XA2)2?14CB2 2?14CB2YB?2C2???% 的收率： (3)目標函數(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： 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。如果進行的反應是一級反應，這兩臺反應器的串聯(lián)方式又 應如何？解：因為反應級數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應當是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯 產 量 最 大 。 各 個 反 應 對 各 反 應 物 均 為 一 級 。3． 20 根據(jù)習題 所規(guī)定的反應和數(shù)據(jù)，在單個全混流反應器中轉化率為 %，如果再有一個相同大小的反應釜進行串聯(lián)或并聯(lián)，要求達到同樣的轉化率時，生產能力各增加多少？解：（ 1）二個 300 l 全混串聯(lián)釜， XA2=，Vr1?Q0XA1?300k(1?XA1) （ 1 ）Q0(XA2?XA1)Vr2??300k(1?XA2) （ 2）解得： XA1=代入（ 1）式求出此系統(tǒng)的體積流量： Q0,2? 題中已算出。但轉化率仍不能提高，試分析其原因。解：（ 1）設下標 A— 乙烷， B— 乙烯， H— 氫。（ 3）如用半間歇反應器，應采取 B一次全部加入，然后慢慢加入 A組分，直到達到要求的轉化率為止。在預熱器中 CHClF2已部分轉化，轉化率為 20%。 105Pa 及 20℃ 下在反應體積為 的活塞流反應器進行一氧化氮氧化反應：式中的濃度單位為 kmol/m。解： 300?(1?)?Q0,1?,T?309K,Q0?03kJ/kmolk??107exp(?5526/309)?（ 1） （ 1） 求轉化率： Vr?Q0XAfk(1?XAf)?(1?XAf)? 解得 :XAf= 反應器出口物料中醋酐濃度：（ 2）單位時間內 反 應 器 向 大 氣 散 出 的 熱 量 ：CA?CA0(1?XA)?(1?)?。試問：（ 1） （ 1） 在操作條件均不變時，丙酸的產量是增加還是減少？為什么？ （ 2）若丙酸鈉的轉換率和丙酸產量不變，所需空時為多少？能否直接應用 ?（ 3）若把單釜操作改變三釜串聯(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，試預測所能達到的轉化率。 解：（ 1 ）全混流反應器?2????(1?XA)5?2?(1?)（ 2） （ 2） 兩個等體積全混流反應器串聯(lián)m3Vr1?Vr2?(1?X)A0A1Q0CA0(XA2?XA1)(1?XA2)由于 Vr1?Vr2，所以由上二式得：將 XA2=代 入 上 式 ， 化 簡 后 得 到 XA1= ， 所 以 ：X(X?X)?(1?XA1)(1?XA2) QCXVr1??(1?XA1)m3 串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：Vr?2Vr1?（ 3） （ 3） 此時的情況同（ 1），即Vr? 原料以 20m3 的 全 混 流 反 應 器 ， 進 行 液 相 反 應 ：A?R2R?DrA?k1CA2rD?k2CRCA,CR 為組分 A及 R的濃度。 在反應體積為 490cm3 的 CSTR 中進行氨與甲醛生成烏 洛托品的反應：式中（ A） NH3,(B)— HCHO,反應速率方程為：2rA?kCACB?C?C?0,?0??1??24NH3?6HCHO?(CH2)6N4?6H2Omol/ 化學反應工程第五版答案 53_化學反應工程答案3k??10exp(?3090/T)。 在間歇反應器中等溫進行下列液相反應：A?B?R2A?DrR?rR分別為產物 D及 R的生成速率。（ 2） （ 2） 產物 C的最大濃度；（ 3） （ 3） 對應 C 的最大濃度時 A 的轉化率。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 乙 二 醇 ： 20/62= kmol/hCH2ClCH2OH?NaHCO3?CH2OHCH2OH?NaCl?CO20.3266??：?30%?84?：?15%???： ?1000CA0??：反應時間：?CA0??????00kCACBkCA0(1?XA)5.2?? 反 應 體 積 ：Vr?Q0(t?t )??(?)??（ 2） （ 2） 反應器的實際體積： 丙酸鈉與鹽酸的反應：???HCl?C2H5COOH?NaCl 為二級可逆反應（對丙酸鈉和鹽酸均為一級），在實驗室中用間歇反應器于 50℃ 等溫下進行該反應的實驗。 r? 利用習題 的數(shù)據(jù)，試用積分法和微分法求其動力學方程。解：反應物 A的消耗速率應為兩 反 應 速 率 之 和 ， 即 利用（ ）式2RA?rR?2rD???(1?)? 積分之dC?(1?)dt?(1?X)??AA0????CA0?(?)dCA??ln(1?XA)?ln???11???A0??t?.10 在催化劑上進行三甲基苯的氫解反應：反應器進口原料氣組成為 %H2,%三甲基苯。(1)kv??bkw??103??(2)kg??bvkw??b?b?30?10?6kmol/??10w3(3)kp?()nkw?()??.(MPa)?(4)kc?()kw?(） ??()() 在等溫下進行液相反應 A+B→C+D，在該條件下 的反應速率方程為： 若將 A和 B的初始濃度均為 3mol/l的原料混合進行反應，求反應 4min 時 A的轉化率。 化學反應工程第五版答案 53 化學反應工程答案 話題：化學反應工程答案 計算方法 反應器 1 緒 論 ：