化学反应工程第三章答案.doc

3 釜式反应器3、1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应:该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠得浓度均为0、02mol/l,反应速率常数等于5、6l/mol、min。要求最终转化率达到95%。试问:（1） (1) 当反应器得反应体积为1m3时,需要多长得反应时间？（2） (2) 若反应器得反应体积为2m3,所需得反应时间又就是多少？解:(1)(2) 因为间歇反应器得反应时间与反应器得大小无关,所以反应时间仍为2、83h。3、2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇得皂化反应:以生产乙二醇,产量为20/h,使用15%(重量)得NaHCO3水溶液及30%(重量)得氯乙醇水溶液作原料,反应器装料中氯乙醇与碳酸氢钠得摩尔比为1:1,混合液得比重为1、02。该反应对氯乙醇与碳酸氢钠均为一级,在反应温度下反应速率常数等于5、2l/mol、h,要求转化率达到95%。（1） (1) 若辅助时间为0、5h,试计算反应器得有效体积;（2） (2) 若装填系数取0、75,试计算反应器得实际体积。解:氯乙醇,碳酸氢钠,与乙二醇得分子量分别为80、5,84 与 62kg/kmol,每小时产乙二醇:20/62=0、3226 kmol/h每小时需氯乙醇:每小时需碳酸氢钠:原料体积流量:氯乙醇初始浓度:反应时间:反应体积:（2） (2) 反应器得实际体积:3、3丙酸钠与盐酸得反应:为二级可逆反应(对丙酸钠与盐酸均为一级),在实验室中用间歇反应器于50等温下进行该反应得实验。反应开始时两反应物得摩尔比为1,为了确定反应进行得程度,在不同得反应时间下取出10ml反应液用0、515N得NaOH溶液滴定,以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下,NaOH溶液用量如下表所示:时间,min010203050NaOH用量,ml52、232、123、518、914、410、5现拟用与实验室反应条件相同得间歇反应器生产丙酸,产量为500kg/h,且丙酸钠得转化率要达到平衡转化率得90%。试计算反应器得反应体积。假定(1)原料装入以及加热至反应温度(50)所需得时间为20min,且在加热过程中不进行反应;(2)卸料及清洗时间为10min;(3)反应过程中反应物密度恒定。解:用A,B,R,S分别表示反应方程式中得四种物质,利用当量关系可求出任一时刻盐酸得浓度(也就就是丙酸钠得浓度,因为其计量比与投量比均为1:1)为:于就是可求出A得平衡转化率:现以丙酸浓度对时间作图:由上图,当CA=0、051514、7mol/l时,所对应得反应时间为48min。由于在同样条件下,间歇反应器得反应时间与反应器得大小无关,所以该生产规模反应器得反应时间也就是48min。丙酸得产量为:500kg/h=112、6mol/min。所需丙酸钠得量为:112、6/0、72=156、4mol/min。原料处理量为:反应器体积:实际反应体积:3、4在间歇反应器中,在绝热条件下进行液相反应:其反应速率方程为:式中组分A及B得浓度CA及CB以kmol/m3为单位,温度T得单位为K。该反应得热效应等于-4000kJ/kmol。反应开始时溶液不含R,组分A与B得浓度均等于0、04kmol/m3,反应混合物得平均热容按4、102kJ/m3、K计算。反应开始时反应混合物得温度为50。（1） (1) 试计算A得转化率达85%时所需得反应时间及此时得反应温度。（2） (2) 如果要求全部反应物都转化为产物R,就是否可能？为什么？解:(1) (由数值积分得出)(2)若A全部转化为R,即XA=1、0,则由上面得积分式知,t,这显然就是不可能得。3、5在间歇反应器中进行液相反应:A得初始浓度为0、1kmol/m3,C,D得初始浓度为零,B过量,反应时间为t1时,CA=0、055kmol/m3,CC=0、038 kmol/m3,而反应时间为t2时,CA=0、01 kmol/m3,CC=0、042kmol/m3,试求:（1） k2/k1;（2） 产物C得最大浓度;（3） 对应C得最大浓度时A得转化率。解:(1)因为B过量,所以:恒容时: (A) (B)(B)式除以(A)式得:解此微分方程得: (C)将t1,CA,CC及t2,CA,CC数据代入(C)式化简得:解之得: (2)先求出最大转化率:(3)产物C得最大收率:产物C得最大浓度:3、6 在等温间歇反应器中进行液相反应初始得反应物料中不含A2与A3,A1得浓度为2mol/l,在反应温度下k1=4、0min-1,k2=3、6min-1,k3=1、5min-1。试求:（1） (1) 反应时间为1、0min时,反应物系得组成。（2） (2) 反应时间无限延长时,反应物系得组成。（3） (3) 将上述反应改为反应时间无限延长时,反应物系得组成。解:根据题中给得两种反应情况,可分别列出微分方程,然后进行求解。但仔细分析这两种情况,其实质就是下述反应得特例: (A)当时,(A)式变为 (B)当时,(A)式变为 (C)当时,(A)式变为 (D)其中式(D)即为书讲得一级不可逆连串反应。可见只要得到(A)式得解,则可容易化简得到(B),(C)及(D)式得解。对于(A)式,可列出如下微分方程组: (1) (2) (3)由题意知初始条件为: (4)联立求解此微分方程组可得: (5) (6) (7)式中,由如下式确定: (8) (9)现在可用上述结果对本题进行计算:(1)由(5)(9)式得(2)当t时,由(5)(9)式得(3)此时为得情况,当t时,由得:3、7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应:目得产物为R,B得价格远较A贵且不易回收,试问:（1） (1) 如何选择原料配比？（2） (2) 若采用多段全混流反应器串联,何种加料方式最好？（3） (3) 若用半间歇反应器,加料方式又如何？解:(1)由上式知,欲使S增加,需使CA低,CB高,但由于B得价格高且不易回收,故应按主反应得计量比投料为好。(2)保证CA低,CB高,故可用下图所示得多釜串联方式:(3)用半间歇反应器,若欲使CA低,CB高,可以将B一次先加入反应器,然后滴加A、3、8在一个体积为300l得反应器中86等温下将浓度为3、2kmol/m3得过氧化氢异丙苯溶液分解:生产苯酚与丙酮。该反应为一级反应,反应温度下反应速率常数等于0、08s-1,最终转化率达98、9%,试计算苯酚得产量。（1） (1) 如果这个反应器就是间歇操作反应器,并设辅助操作时间为15min;（2） (2) 如果就是全混流反应器;（3） (3) 试比较上二问得计算结果;（4） (4) 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍,其她条件不变,结果怎样？解:(1)苯酚浓度苯酚产量(2)全混流反应器苯酚产量(3)说明全混釜得产量小于间歇釜得产量,这就是由于全混釜中反应物浓度低,反应速度慢得原因。(4)由于该反应为一级反应,由上述计算可知,无论就是间歇反应器或全混流反应器,其原料处理量不变,但由于CAB增加一倍,故C苯酚也增加一倍,故上述两个反应器中苯酚得产量均增加一倍。3、9在间歇反应器中等温进行下列液相反应:rD及rR分别为产物D及R得生成速率。反应用得原料为A及B得混合液,其中A得浓度等于2kmol/m3。（1） 计算A得转化率达95%时所需得反应时间;（2） A得转化率为95%时,R得收率就是多少？（3） 若反应温度不变,要求D得收率达70%,能否办到？（4） 改用全混反应器操作,反应温度与原料组成均不改变,保持空时与(1)得反应时间相同,A得转化率就是否可达到95%？（5） 在全混反应器中操作时,A得转化率如仍要求达到95%,其它条件不变,R得收率就是多少？（6） 若采用半间歇操作,B先放入反应器内,开始反应时A按(1)计算得时间均速加入反应器内。假如B得量为1m3,A为0、4m3,试计算A加完时,组分A所能达到得转化率及R得收率。解:(1)第二章2、9题已求出t=0、396h=24、23min(2) (3)若转化率仍为0、95,且温度为常数,则D得瞬时选择性为:D得收率:这说明能使D得收率达到70%(4)对全混流反应器,若使=t=0、3958h,则有解之得:CA=0、4433所以:这说明在这种情况下转化率达不到95%。（5） (5) 对全混流反应器,若X=0、95,则R得收率为:(6)依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料得情况。为了求分组A得转化率及R得收率,需要求出A及R 得浓度随时间得变化关系,现列出如下得微分方程组:对A: (1)对R: (2) (3)在反应时间(t=0、4038h,为方便起见取t 0、4h)内将0、4 m3得A均速加入反应器内,故采用间歇釜操作时,原料为A与B得混合物,A得浓度为2kmol/ m3、现采用半间歇釜操作,且,故可算出原料A得浓度为:由于:代入(1),(2)式则得如下一阶非线性微分方程组: (4) (5)初始条件:t=0,CA=0,CR=0可用龙格-库塔法进行数值求解。取步长t=0、02h,直至求至t=0、4h即可。用t=0、4h时得CA与CR可以进行A得转化率与R得收率计算:式中VA为所加入得A得体积,且VA=0、4m3;CA0为所加入得A得浓度,且CA0=7kmol/m3;V为反应结束时物系得体积,V=1、4m3。同理可以计算出R得收率:3、10在两个全混流反应器串联得系统中等温进行液相反应:加料中组分A得浓度为0、2kmol/m3,流量为4m3/h,要求A得最终转化率为90%,试问:（1） (1) 总反应体积得最小值就是多少？（2） (2) 此时目得产物B得收率就是多少？（3） (3) 如优化目标函数改为B得收率最大,最终转化率为多少？此时总反应体积最小值就是多少？解:(1)对上式求dVr/dXA1=0可得:将XA2=0、9代入上式,则解之得XA1=0、741所以总反应体积得最小值为(2)即解得CB1=0、005992 kmol/m3同理解得CB2=0、00126 kmol/m3B得收率:(3)目标函数改为B得收率,这时得计算步骤如下:对于第i个釜,组分A,B得衡算方程分别为:对A: 对B: 当i=1时, (1) (2)当i=2时, (3) (4)由(1)式解出CA1代入(2)式可解出CB1; 由(1)式解出CA1代入(3)式可解出CA2;将CB1及CA2代入(4)式可解出CB2,其为1,2得函数,即 (5)式中CA0为常数。由题意,欲使CB2最大,则需对上述二元函数求极值:联立上述两个方程可以求出1及2。题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应器系统得总体积。将1,2代入(5)式即可求出B得最高浓度,从而可进一步求出YBmaX、将1,2代入CA2,则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率。3、11在反应体积为490cm3得CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品得反应:式中(A)-NH3,(B)HCHO,反应速率方程为:式中。氨水与甲醛水溶液得浓度分别为1、06mol/l与6、23mol/l,各自以1、50cm3/s得流量进入反应器,反应温度可取为36,假设该系统密度恒定,试求氨得转化率XA及反应器出口物料中氨与甲醛得浓度CA及CB。解:即得:整理得:解得:XAf=0、821反应器出口A,B得浓度分别为:3、12在一多釜串联系统,2、2kg/h得乙醇 与1、8kg、h得醋酸进行可逆反应。各个反应器得体积均为0、01m3,反应温度为100,酯化反应得速率常数为4、7610-4l/mol、min,逆反应(酯得水解)得速率常数为1、6310-4 l/mol、min。反应混合物得密度为864kg/m3,欲使醋酸得转化率达60%,求此串联系统釜得数目。解:等体积得多釜串联系统A,B,C,D分别代表乙酸,乙酸乙酯与水。由计量关系得:从已知条件计算出:将上述数据代入(A)式,化简后得到:若i=1,则(B)式变为:解之得:若i=2,则(B)式变为:解之得:若i=3,则(B)式变为:解之得:即:三釜串联能满足要求。3、13以硫酸为催化剂,由醋酸与丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜,一台得反应体积为3m3,另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯,初步决定采用等温连续操作,原料中醋酸得0、浓度为0、15kmol/m3,丁酯则大量过剩,该反应对醋酸为2级,在反应温度下反应速率常数等于1、2m3/h、kmol,要求醋酸得最终转化率不小于50%,这两台反应釜可视为全混反应器,您认为采用怎样得串联方式醋酸丁酯得产量最大？为什么？试计算您所选用得方案得到得醋酸丁酯产量。如果进行得反应就是一级反应,这两台反应器得串联方式又应如何？解:因为反应级数大于1,所以联立方式应当就是小釜在前,大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算:二式联立化简后得到:(将XA2=0、5代入)解之得:XA1=0、223醋酸丁酯产量=如果进行得就是一级反应,可进行如下计算:（1） (1) 小反应器在前,大反应器在后:联立二式,且将XA2=0、5代入,化简后得到:解得:XA1=0、1771所以有:醋酸丁酯产量=(2)大反应器在前,小反应器在后:解得XA1=0、3924所以有:产量同前。说明对此一级反应,连接方式没有影响。3、14等温下进行1、5级液相不可逆反应:。反应速率常数等于5m1、5/kmol1、5、h,A得浓度为2kmol/m3得溶液进入反应装置得流量为1、5m3/h,试分别计算下列情况下A得转化率达95%时所需得反应体积:(1)全混流反应器;(2)两个等体积得全混流反应器串联;(3)保证总反应体积最小得前提下,两个全混流反应器串联。解:(1)全混流反应器（2） (2) 两个等体积全混流反应器串联由于,所以由上二式得:将XA2=0、95代入上式,化简后得到XA1=0、8245,所以:串联系统总体积为:（3） (3) 此时得情况同(1),即3、15原料以0、5m3/min得流量连续通入反应体积为20m3得全混流反应器,进行液相反应:CA,CR为组分A及R得浓度。rA为组分A得转化速率,rD为D得生成速率。原料中A得浓度等于0、1kmol/m3,反应温度下,k1=0、1min-1,k2=1、25m3/kmol、min,试计算反应器出口处A得转化率及R得收率。解:所以:即为:3、16在全混流反应器中等温进行下列液相反应:进料速率为360l/h,其中含25%A,5%C(均按质量百分率计算),料液密度等于0、69g/c m3。若出料中A得转化率为92%,试计算:（1） (1) 所需得反应体积;（2） (2) B及D得收率。已知操作温度下,k1=6、8510-5l/mol、s;k2=1、29610-9s-1; k3=1、17310-5l/mol、s ;B得分子量为140;D得分子量为140。解:因MB=MD=140,所以MA=MC=70 (1) (2) (3)由(2),(3)式分别得: (4) (5)将(4),(5)式及上述数据代入(1)式,可整理为得代数方程式,解之得=3、831105s=106、4h（1） (1) 反应体积（2） (2) 将代入(4)式得,所以B得收率为:对A作物料衡算:所以有:所以D得收率为:3.17 在CSTR中进行下述反应: (1) (2) (3)如果k1/k2=8, k2/k3=30,CB6=10、0mol/l,氯对苯得加料比=1、4,k1=1 l/mol,( 为空时),试计算反应器出口B,M,D,T,C得浓度。各个反应对各反应物均为一级。解:分别列出组分B,M,D,T,C得物料衡算式: (1) (2) (3) (4) (5)由(5)式得: (6)联立(1),(2),(3),(4),(6)式(五个方程,五个未知数):由(2)式得: (7)由(3)式得: (8)将(1),(7),(8)式代入(6)得:整理得:解得:CC=0、908 kmol/m3代入(1)式得:代入(7)式得:代入(8)式得:代入(4)式得:验证:即:3.18 根据例题3、12中规定得条件与给定数据,使用图解法分析此反应条件下就是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酐得转化率,使原料以0、001 m3/s得流速连续进入反应器,其它条件不变,试讨论定态问题,在什么情况下出现三个定态点？就是否可能实现？解:由例3、11,3、12知:移热速率方程: (1)放热速率方程: (2)绝热操作方程: (3)由(3)式得: (4)（4） (4) 代入(2)式得: (5)由(1)式及(5)式作图得:T326330340350360362、5365367、5370qg44、163、87149、7314、8586、7670、8756、8851、8942、1由上图可知,此反应条件下存在着两个定态点。如果为了提高顺丁烯二酸酐得转化率,使Q0=0、001m3/s,而保持其它条件不变,则这时得移热速率线如qr所示。由图可知,qr与qg线无交点,即没有定态点。这说明采用上述条件就是行不通得。从例3、11可知,该反应温度不得超过373K,因此从图上知,不可能出现三个定态点得情况。3.19 根据习题3、3所规定得反应及给定数据,现拟把间歇操作改为连续操作。试问:（1） (1) 在操作条件均不变时,丙酸得产量就是增加还就是减少？为什么？(2)若丙酸钠得转换率与丙酸产量不变,所需空时为多少？能否直接应用3、3中得动力学数据估算所需空时?(3)若把单釜操作改变三釜串联,每釜平均停留时间为(2)中单釜操作时平均停留时间得三分之一,试预测所能达到得转化率。解:(1)在操作条件均不变时,用习题3、3中已算出得Vr=4512l,Q0=57、84l/min,则可求出空时为=4512/57、84=78min。此即间歇操作时得(t+t0)。当改为连续操作时,转化率下降了,所以反应器出口丙酸得浓度也低于间歇反应器得结果。因Q0维持不变,故最后必然导致丙酸得产量下降。这就是由于在连续釜中反应速率变低得缘故。(2)若维持XA=0、72,则可由3、3题中得数据得出XA=0、72时所对应得反应速率,进而求出这时对应得空时=246、2min。因题意要求丙酸产量不变,故Q0不能变,必须将反应器体积增大至14240 l才行。(3)这时1=/3=82、1min。利用3、3题中得数据,可求出RAXA之关系,列表如下:XA00、10、20、40、60、8-RA0、17190、13910、10960、060160、023630故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第三釜出口丙酸钠得转化率为:XA3=0、787。3.20 根据习题3、8所规定得反应与数据,在单个全混流反应器中转化率为98、9%,如果再有一个相同大小得反应釜进行串联或并联,要求达到同样得转化率时,生产能力各增加多少？解:(1)二个300 l全混串联釜,XA2=0、989, (1) (2)解得:XA1=0、8951代入(1)式求出此系统得体积流量:3、8题中已算出。因为最终转化率相同,故生产能力增加168、7/16、02=10、53倍。(2)二个300l釜并联,在最终转化率相同时,Q0增加一倍,生产能力也增加一倍。3.21 在反应体积为0、75 m3得全混流反应器中进行醋酐水解反应,进料体积流量为0、05 m3/min,醋酐浓度为0、22kmol/ m3,温度为25,出料温度为36,该反应为一级不可逆放热反应,反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度得关系如下:k=1、810-7 exp(-5526/T),min-1反应物料得密度为常数,等于1050kg/ m3,热容可按2、94kJ/kg、计算。该反应器没有安装换热器,仅通过反应器壁向大气散热。试计算:(1) (1) 反应器出口物料中醋酐得浓度;(2) (2) 单位时间内反应器向大气散出得热量。解:（1） (1) 求转化率:解得:XAf=0、8221反应器出口物料中醋酐浓度:(2)单位时间内反应器向大气散出得热量: 3.22 在反应体积为1 m3得釜式反应器中,环氧丙烷得甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1,2:该反应对环氧丙烷为一级,反应温度下反应速率常数等于0、98h-1,原料液中环氧丙烷得浓度为2、1kmol/m3,环氧丙烷得最终转化率为90%。(1)若采用间歇操作,辅助时间为0、65h,则丙二醇-1,2得日产量就是多少？(2)有人建议改在定态下连续操作,其余条件不变,则丙二醇-1,2得日产量又就是多少？(3)为什么这两种操作方式得产量会有不同？解:（1） (1) 一级不可逆反应:所以Q0=0、109m3/h丙二醇得浓度=丙二醇得产量=(2) 采用定态下连续操作所以Q0=0、109m3/h丙二醇得产量=(3)因连续釜在低得反应物浓度下操作,反映速率慢,故产量低。3.23 根据习题3、11所规定得反应与数据,并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1、02g/cm3,平均热容为4、186kJ/kg、K,忽略反应热随温度得变化,且为-2231kJ/kg乌洛托品,反应物料入口温度为25。问:（1） (1) 绝热温升就是多少？若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温度为多少？（2） (2) 在100下等温操作,换热速率为多少？解:(1)绝热升温:由物料衡算式(见3、11解答):由热量衡算式得:T=298+37、13XA。联立求解可得:XA=0、85780、8,T=329、9K可见,绝热操作时转化率可以达到80%。(2)T0=298K,在T=373K下等温操作,由物料衡算式可求出转化率:所以有:XA=0、9052由(3、87)式可得物系与环境交换得热量:由上式知TCT,说明应向反应器供热。3.24 某车间采用连续釜式反应器进行已二酸与已二醇得缩聚反应,以生产醇酸树酯。在正常操作条件下(反应速度,进出口流量等),已二酸得转化率可达80%。某班从分析知,转化率下降到70%,检查发现釜底料液出口法兰处漏料,经抢修后,温度流量均保持正常操作条件。但转化率仍不能提高,试分析其原因。如何使转化率提高到80%？解:根据上述情况,可能就是反应器得搅拌系统有些问题,导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路,这些均可导致反应器得效率降低,从而使转化率下降。