化学反应工程作业...pdf

《化学反应工程作业...pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应工程作业...pdf（16页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、49.49. 现有一有效容积为现有一有效容积为 0.75m0.75m 的搅拌釜反应器，其内设置有换的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为热面积为 5.0m5.0m 的冷却盘管。欲利用改反应器来进行的冷却盘管。欲利用改反应器来进行 A AR R 的一的一.915525k 1.0788109exp(h )T级不可逆的液相反应，其速率常数级不可逆的液相反应，其速率常数，2 23 3J /molA，原料液中，原料液中 A A 的浓度的浓度CA0 0.2mol /l，但，但反应热反应热(Hr) 20921不含反应产物不含反应产物 R R。 此原料液的密度此原料液的密度=1050g/l=1050g/l； 定

2、压比热定压比热CP 2.9293v 3m /h，反应器，反应器（J/gJ/g） 。要求原料液的进料流率为。要求原料液的进料流率为0出出 口口 的的 反反 应应 液液 中中CA 0.04mol/l。 总总 传传 热热 系系 数数 U=209.2U=209.2（KJ/mKJ/m h h） 。所用的冷却介质的温度为。所用的冷却介质的温度为 2525。试求满足上。试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度 T T0 0。解：解：50.50.2 2(CH3CO)2 (A) + H2O(B)2CH3COOH(C)乙酸酐发生水解，乙酸酐发生水解，反应温度反

3、应温度 2525， k=0.1556k=0.1556-1-1minmin ，采用三个等体积的串联全混流釜进行采用三个等体积的串联全混流釜进行3 3反应，每个釜体积为反应，每个釜体积为 18001800 cmcm ，求使乙酸酐，求使乙酸酐v的总转化率为的总转化率为 60%60%时，进料速度时，进料速度0。解：解：串联全混流反应器进行一级不可逆串联全混流反应器进行一级不可逆反反应应，假假定定各各釜釜容容积积、温温度度相相同同，51.51.k 0.92(h1),010m3h,xA 0.9,试计算试计算 N N为为1 1，2 2，3 3 的反应有效容积，如不考虑非生产的反应有效容积，如不考虑非生产性操

4、作时间的条件下分批式反应器的有性操作时间的条件下分批式反应器的有效容积。效容积。解：解：52.52.应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，相反应，假定各釜的容积和操作温度都相同，假定各釜的容积和操作温度都相同，已知此时的速率常已知此时的速率常数数 k=0.92hk=0.92h ，原料液的进料速度，原料液的进料速度v0=10m=10m /h/h，要求最终转化率，要求最终转化率xA0.90.9，试求，试求-1-13 3V V1 1、V V2 2和总容积和总容积 V V。解：对于一级不可逆反应应有解：对于一级不可逆反应应有(1

5、) rA1xA1xA11)rA,i112kCA0(1 xA1)kCA0(1 xA1)(代入代入xA,ixA,i1 xA,i111rA,i1rA,i112得得kCA0(1 xA1)xA1 xA0211kCA0(1 xA2)kCA0(1 xA1)整理得整理得xA12xA1 xA2 0 xA20.9，xA10.68381xA10.6838 2.35(h)k(1 xA1)0.92(10.6838)V1 v01 23.5(m3)2xA2 xA10.90.6838 2.35(h)k(1 xA2)0.92(10.9)V2 v02 23.5(m3)总容积总容积V V1V2 47(m )53.53. 用两串联全

6、混流反应器进行一个二级不可逆等温反应，用两串联全混流反应器进行一个二级不可逆等温反应， 已知已知331133k 0.92(m kmol h ),C 2.30kmol m ,v 10mh,要求要求A00在操作温度下在操作温度下出口出口 x xA A=0.9=0.9，计算该操作最优容积比，计算该操作最优容积比(V1V2)和总容积和总容积 V V。(1)rA112 2xA1xA1kCA02(1 xA1)2kCA0(1 xA1)3解：解：(1)rA,1代入代入xA,122111xA,1 xA,0rA,2rA,1111xA,1kCA02(1 xA,1)2kCA02(1 xA,1)22kCA0(1 xA,

7、1)33xA13xA13.01xA10.99 0 xA1 0.7411xA1 xA00.741 5.22hkCA0(1 xA1)21.922.3(10.741)22xA2 xA10.90.741 7.51hkCA0(1 xA2)20.922.3(10.9)2V1V215.22 0.69527.51总容积总容积V V1V2v0V 10(7.515.22) 127.3m54.54. 应用管径为应用管径为 D=12.6cmD=12.6cm 的管式反应器来进行一级不可逆的气的管式反应器来进行一级不可逆的气体体 A A 的热分解反应，其计量方程为的热分解反应，其计量方程为 A=R+SA=R+S；速率方程

8、为；速率方程为rA kCA；而而 k=7.8k=7.81010 exp-19220/T(sexp-19220/T(s ),),原料为纯气体原料为纯气体A,A,反应压力反应压力P=5atmP=5atm 下恒压反应下恒压反应,T=500,T=500 C C。xA0.9,0.9,FA0=1.55kmol/h,=1.55kmol/h,求所需反求所需反应器的管长应器的管长 L,L,停留时间停留时间 t t，空时，空时（理想气体）（理想气体） 。解：反应气体的进料体积流速为：解：反应气体的进料体积流速为：0 09 9-1-13v0FA0RT1.550.08277319.66(m3/h)P5反应流体在管内的

9、体积流速为：反应流体在管内的体积流速为：v FRT F0(1AyA0 xA)RT / PP此处：此处：F0 FA0（纯气体）（纯气体） ；yA01.0，v F而而CAA0A1RT2 111，CA0P(1 xA)/CA0FAFA0(1 xA)CA0(1 xA)CA0vFA0(1 xA)(1 xA)V1xA(1 xA)dxAv0k0(1 xA)2ln1k1 xA 29.88(s) 0.0083(h)1 xA4v045.4610329.884VL 13.0(m)222DD3.14(0.126)t 1xAdxA11ln18.57(s)k01 xAk1 xA55.55.液相原料中反应物液相原料中反应物

10、A A 进入平推流反进入平推流反2A R应应 器器 中中 进进 行行的的 反反 应应 ， 已已 知知2CA01mol l,V 2l,rA 0.05CAmol ls。求：求：1 1）当出口浓度）当出口浓度CA 0.5mol l时的进料时的进料v流流0。2)2)当进料流量当进料流量v0 0.5l min时出口浓时出口浓C度度Af。解：解：56.56. 自催化反应自催化反应 A + RA + R 2R 2R，其速率方程为：，其速率方程为： rA kCACR，在，在7070下等温地进行此反应，在此温度下下等温地进行此反应，在此温度下 k=1.512k=1.512 m m /kmol/kmolh h；其

11、；其3 3它数据如下：它数据如下：CA00.990.99 kmol/mkmol/m3 3；CR00.010.01 kmol/mkmol/m3 3；要求反应的转化率要求反应的转化率xA0.990.99。试求：试求：1 1）在全混流反应器中反应所需的容积；）在全混流反应器中反应所需的容积；2 2）在平推流反应器中反应所需的容积。）在平推流反应器中反应所需的容积。CR00解：解： 令令a C.010.99 0.0101A0CA CA0(1 xA)CR CR0CA0 xA CA0(a xA) r2A kCA0(1 xA)(a xA)1 1）全混流反应器所需的容积）全混流反应器所需的容积V v0 xA)

12、(a x100.99.0101 0.99) 661(m3kC(1 x)A0AA)1.5120.99(10.99)(02 2）平推流反应器所需的容积）平推流反应器所需的容积V v0A1 1kCA0 xAdxA1 xv00(A)(a xA)kCA0 x0a11 x1dxAAa xAV v01a xA10kC (a1)lnln1 x1.0101ln100ln1.0001A0Aa1.5120.99V 60.8(m3)57. (A) (P) (S)57. (A) (P) (S)C6H6 k1C6H5Cl k3C6H4Cl2v01010 m m3 3/h/h；反应速度反应速度流流dCAdCP k1CA k

13、1CAk2CPdt；dt，在恒温恒容下求，在恒温恒容下求(a)(a)平推平推(b)(b)全全混混流流, ,求求SP，其其中中1k11.0(h1), ,k2 0.5(h ),V v01(h),CP0 CS0 0, ,CA01mol/l。解解:(a):(a)CA CA0expk1 0.368mol/lCPk1CA0k1k2( (ek2 ek110.51.0ee)=0.477mol/=0.477mol/1 0.5)=)=( (CS CA0(CACP) 1(0.3680.477)=0.155mol/l=0.155mol/lSPCPCS0.477= =0.155=3.08=3.08(b)(b)v0(CA

14、0CA)= =K1CAVCACA01 k1CA0= =1 K1 ( (K1 k1) )v0CPV(k1CAk2CP)CACPk1CA1 k2k1CA0= =1 k11 k2=0.5mol/l=0.5mol/lCP=0.333mol/l=0.333mol/lCS=0.167mol/l=0.167mol/lSPCPCS=2.0=2.058. (A) (P) (S)58. (A) (P) (S)k3C6H4Cl2k1C6H5ClC6H6 反应速度反应速度dCAdCP k1CA k1CAk2CPdtdt；，在恒温恒容下求等容积，在恒温恒容下求等容积的两釜串联全混流反应器内进行这一反应时的两釜串联全混流

15、反应器内进行这一反应时, ,求目的产物求目的产物 P P 的选的选择择性性SP，其其中中1k11.0(h1), ,k2 0.5(h ),V v01(h),CP0 CS0 0, ,CA01mol/l。解：等容积釜串联应有解：等容积釜串联应有12121/2 0.5h对第二个全混流反应器作物料衡算对第二个全混流反应器作物料衡算V0(CA1CA2) k1CA2V2CA2CA11 k12CA02(1 K )1= =K1 k11 k12 0.5对于对于 P:P:V0(CA1CA2) V2(k1CA2 k2CP2)CP2K1CA0K1CA0(1 K1)2(1 K2)+ +(1 K1)(1 K2)2K2 k2

16、2 0.25CA21(1 0.5)2=0.444mol/l=0.444mol/lCP20.50.5(1 0.5)2(1 0.25)+ +(1 0.5)(1 0.25)2CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/l=1-(0.444+0.391)=0.165mol/lCP2CS20.391= =0.165=2.37=2.3759.59.醋酸甲酯的水解反应如下：醋酸甲酯的水解反应如下： CHCH3 3COOCHCOOCH3 3+ + H H2 2O O CHCH3 3COOHCOOH +CH+CH3 3OHOH，产物产物 CHCH3 3COOHCOOH 在反应中起催化剂的作用，在反

17、应中起催化剂的作用，已知反应速度与醋酸甲已知反应速度与醋酸甲酯和醋酸的浓度积成正比。酯和醋酸的浓度积成正比。（1 1）在间歇反应器中进行在间歇反应器中进行上述反应。醋酸甲酯和醋酸的初始浓度分别为上述反应。醋酸甲酯和醋酸的初始浓度分别为500500 和和50mol/m50mol/m 。实验测得当反应时间为。实验测得当反应时间为 5400s5400s 时，醋酸甲酯的时，醋酸甲酯的转化率为转化率为 70%70%，求反应速率数和最大反应速度。，求反应速率数和最大反应速度。（2 2）如果反应改在连续搅如果反应改在连续搅3 3拌釜中进行，拌釜中进行，A=0.8=0.8 时停留时间应为多少。时停留时间应为多

18、少。（3 3）应器，应器，A=0.8=0.8 时停留时间。时停留时间。解：解： A + B A + B C + D C + DrA kCACC（1 1）如果采用管式流动反如果采用管式流动反CC02dCAdA kC(1)() CA0 kCA0(1A)(CC0CA0A)A0AACA0A= =dtdtCC0ACA0lnCC0CC0ACCA0A0kCA0dt dA(1A)(ACC0)CA0kCA0t 1C1C0CA010.7 0.1k ln1.106106m3/mol s5005400(1 0.1)0.10.10.7rA1.1061065002(1A)(ACC02) 0.2765(A0.9A1)CA0

19、d(rA) 0.2765(2A0.9) 0对对A求导求导dAA 0.45(rA)max 8.364102mol/m3s（2 2）CA0CACA0ACA0A3 8.03710 s2rArAkCA0(1A)(ACC0/CA0)（3 3）对于）对于 PFRPFR CA0A0AdAdA CA00kC2(1)(CrAA0AAC0/CA0)A111dA 6.258103s0kCA0(1CC0/CA0)1AACC0/CA060.60.在一定的反应温度下在一定的反应温度下 A A 发生下述平行反应：发生下述平行反应：3K1A R1 2.0CA(kmol/m h)2ASK222 0.2CA(kmol/m3h)其

20、中其中 R R 是主产物，是主产物，S S 是副产物。反应原料为纯的反应物是副产物。反应原料为纯的反应物 A A，其初始浓度为其初始浓度为 10kmol/m10kmol/m 。在反应器出口。在反应器出口 A A 的转化率为的转化率为 80%80%。反。反应在连续搅拌釜中进行时，应在连续搅拌釜中进行时，A A 转化为转化为 R R 的选择性、的选择性、R R 的收率以及的收率以及反应物的停留时间。反应物的停留时间。解：解：1 1）使用连续搅拌釜）使用连续搅拌釜3 3rA r1 2r2CA0CA(rA) (r1 2r2)CRCR0r1CR2CA12CA0CA2CA0.4CA10.2CACRCA0C

21、ACA0A10.2CA10.2(CA0CA0A)3 0.8C 5.71kmol/mAR当当时，有时，有2(CA0CA)0.2CA3CS1.15kmol/m22CA0.4CASRCR5.71 4.965CS1.15CRCR5.71 0.714CA0CACA0A100.8R V V 恒定，停留时间与空时相等恒定，停留时间与空时相等K1K2CRCR05.711.43hr122P(主)61.61. 已已A知知的的 反反 应应 速速 率率 式式 分分 别别 为为 ：2rA (k1 k2CA)CA；rP k1CA；rs k2CA，且在反应的操作温度下且在反应的操作温度下k1=1.0=1.0，S(副)k2/

22、 k11.51.5；CA05mol/l5mol/l，CP0 CS0 0，要求反应流体的进料速率，要求反应流体的进料速率3 3为为v05 m5 m /h/h，出口转化率，出口转化率xA0.90.9。试求用单一的全混流反应器。试求用单一的全混流反应器在等温下进行此反应时所能获得的产物在等温下进行此反应时所能获得的产物 P P 的浓度的浓度CP以及所需的以及所需的反应容积反应容积 V V。解：解：(P)mrPk1CA2rAk1CA k2CA(P)mCPCPCA0CA(CA0CA)k11(50.5) 2.57(mol /l)(k1k2CA)11.50.52v0(CA0CA) V(rA) V(k1CA

23、k2CA)V v0(CA0CA)54.5 25.7(m3)22k1CA k2CA0.51.50.562.62.环氧乙烷在环氧乙烷在 450450的气相分解反应如下：的气相分解反应如下：C C2 2H H4 4O O （g g） CH CH4 4（g g）+ CO+ CO（g g）已知在此反应）已知在此反应温度下反应的速率常数为温度下反应的速率常数为 0.0212min0.0212min ，反应在恒温恒容反应器，反应在恒温恒容反应器中完成，初始时原料为纯的中完成，初始时原料为纯的环氧乙烷，初始压力为环氧乙烷，初始压力为 2.0262.0261010 PaPa，试求在反应时间为，试求在反应时间为

24、50min50min时反应器的总压力。时反应器的总压力。-1-15 5-1-1解：由解：由 k=0.0212mink=0.0212min 可知该反应为一级反应可知该反应为一级反应PA expktPA0t t 时反应物分压为时反应物分压为 P PA A C C2 2H H4 4O O（g g） CH CH4 4（g g） + CO + CO（g g） P PA0A0 0 0 0 0 P PA A P PA0A0-P-PA A P PA0A0-P-PA A总压总压Pt PA 2(PA0 PA)2PA0 PtPt exp(kt) 2exp(kt)PPA0即即A0当当 t=50mint=50min 时

25、时Pt PA02exp(kt) 3.35105Pa63.63.醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二氧化碳：氧化碳：k1k2CH3COOH CH2 CO H2OCH3COOH CH4CO2已知在已知在1 1）11k 4.65s ,k 3.74s2916916时时1，试计算：，试计算：99%99%的醋酸反应掉的时的醋酸反应掉的时间；间；2 2）转化成乙烯酮的选择性。转化成乙烯酮的选择性。解：解： 设在时间设在时间 t t 时乙烯酮和甲烷的浓度分别为时乙烯酮和甲烷的浓度分别为 x x 和和 y y， 初始为初始为CA0，则则dx k

26、1(CA0 x y)dtdy k2(CA0 x y)dt在此反应条件下醋酸在此反应条件下醋酸d(x y) (k1 k2)(CA0 x y)相加得相加得dtd(x y) (k1 k2)dt将其积分将其积分CA0(x y)ln1 1）CA0 (k1k2)tCA0(x y)当转化率为当转化率为 99%99%时时x y 0.99CA0t 11ln 0.549s4.653.7410.992 2）xk14.65yk23.74x 0.549CA0y 0.441CA0S 0.549CA0 55.4%0.441CA064.64.在在 1000K1000K 于恒温恒压反应器中进行下述分解反应：于恒温恒压反应器中进

27、行下述分解反应：RCH2OH (g) RCHO(g) H2(g)反应速率常数反应速率常数 0.082 l/mol0.082 l/molminmin，初始时含纯的，初始时含纯的 RCHRCH2 2OHOH，其初，其初始压力为始压力为 2.0262.0261010 PaPa，求，求1 1）所需时间；所需时间；2 2）20%20%所需的时间。所需的时间。解：解：RCH2OH(g) RCHO(g) H2(g) A B C A B C t=0 n t=0 nA0A0 0 0 0 0 t=t n t=t nA0A0-x x x-x x xRCHRCH2 2OHOH 的浓度降低的浓度降低将将20%20%的的

28、RCHRCH2 2OHOH分解分解5 5n总 nA0 x由由 k k 可知该反应为二级反应可知该反应为二级反应2nAdx2 kCA k2VdtV理想气体理想气体V n总RTPk(nA0 x)2dxdt(nA0 x)RT /P(nA0 x)dxkPdt2RT(nA0 x)将其积分将其积分x0tkPdtnA0 xdx 220RT(n x)(n x)A0A0RT 2xxt ln(1)kPnA0 xnA0 x 20%n当当A0，带入得，带入得 t=138mint=138minnA0 x0.8nA0nA0 0.8CA0V对于对于，应有，应有(nA0 x)RT /PnA0RT /Px nA09当当分分，带

29、带入入得得t=66.1mint=66.1min65.65. 等温间歇反应器反应时间与反应物浓度的关系在间歇反应等温间歇反应器反应时间与反应物浓度的关系在间歇反应器中进行等温二级反应器中进行等温二级反应A B,rA 0.01CAmol/(l s)当当CA0为为 1 1mol /l时，求反应至时，求反应至CA 0.01mol/l所需时间。所需时间。解解: :rA 2dCA2 0.01CAdt11110.01t CACA00.011t=9900st=9900skC,kP,则则66.66. 对于对于 aAaA + + bBbB cC cC 反应，反应， 以浓度以浓度Ci,Pi表示速率式中常数其二者关系

30、如何？其二者关系如何？解：解：理想气体理想气体V n总RTPrA kCCACBabab kC(PAaPBb) ()(ab)abPAPBRTRT kC(RT)rA kPPAPBP(主)(ab)k (RT) kPC2r Cr 2CSAA，67.67.平行反应平行反应，其中，其中P，已知，已知AS(副)CA0 2.0mol /l，CP0 CA0 0，求在平推流反应器中的，求在平推流反应器中的CP,max？解：解：PrPdCP2rA2CAdCA对上式进行积分得对上式进行积分得CP 2dCACA02CACA当当CA 0时，产物时，产物 P P 的浓度最大的浓度最大CP,max202dCA 2ln2 1.

31、386mol /l2CAK168.68. 一级连串反应一级连串反应APK2S，rA k1CA，rP k1CAk2CP，进料流率为进料流率为v0，CP0 CA0 0，反应在恒温恒容的条件下进行，求，反应在恒温恒容的条件下进行，求在全混流釜式反应器中目的产物在全混流釜式反应器中目的产物 P P 的最大浓度的最大浓度CP,max？解：全混釜解：全混釜CA0CACA0 CAk1CA1 k1对物料对物料 P P 作物料衡算作物料衡算v0CP0 v0CPVrPCPk1则有则有CA0(1 k1)(1 k2)dCP 0dt当当时，产物时，产物CP,maxCA0(K2/ K1)1/ 212P P 有极大值有极大

32、值69.69.液相反应液相反应 A AR R 在一全混釜中进行，在一全混釜中进行，CA01mol/l，反应速率常，反应速率常数数k 1l /mol s求：求：1 1）2 2）平均停留时间为平均停留时间为 1S1S 时该反应器的时该反应器的xA；若若 A A 的的v01l /s，xA 56%，求反应器的体积。，求反应器的体积。CA0 xACA0 xA2rAkCA(1 xA)22解：解：1 1）kCACACA0 0CAxA1 1 4kCA02k 0.618mol/lCA0CA 38%CA0VCA0CA1/22v0kCAkCA0(1 xA)2 2s 2 2）带入得带入得V 2v0 2l70.70.液

33、相反应液相反应A + BA + B P + SP + S 在一全混釜中进行，速率常数在一全混釜中进行，速率常数k 0.05l /m o ls，CA0 CB01.0m o/l;求：求：1 1）xA 50%时，反应器的容积；时，反应器的容积；2 2）若进料流量为）若进料流量为1l /m i n，CA 0.5m o/l;求进口料液中求进口料液中 A A 的浓度。的浓度。解：解：1 1）由）由k 0.05l /m o ls可知该反应为二级反应可知该反应为二级反应且二者的反应按且二者的反应按 1 1：1 1 的比例进行反应的比例进行反应CA0CACA0 xAxA2rAkCACBkCAV v0v0 xA1

34、 2l20.5k(1 xA) 2 2）xVCA0CACA0 xAA2v0rAkCACBkCA120带入得带入得V 2v0 2lCA01200.050.250.5 2mol/l71.71.磷化氢的均相气相分解磷化氢的均相气相分解 4PH4PH3 3 P P4 4 + 6H + 6H2 2，在，在 310310时时 2atm2atm时速率方程时速率方程rA 0.1CAmol/sl， 磷化氢以磷化氢以 200kg/h200kg/h 的速率在平推流的速率在平推流反应器内反应，求转化率为反应器内反应，求转化率为 80%80%时所需反应器体积？时所需反应器体积？xAdxVA解：解：FA00rAA7 4 0.754yA01CA0FA0PA02 0.042mol /lRT0.082(310 273)20010001.634mol /s343600CA CA01 xA1AyA0 xAxAV FA00FA0dxA1 xA0.1CA00.1CA01 0.75xA0.801.75()0.75dxA 862l1 xA