2023年化学反应工程超详细解析答案 ..pdf

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1、学习必备 欢迎下载 3.9 在间歇反应器中等温进行下列液相反应：3231.6/.28.2/.RADAABRrC kmolm hADrC kmolm h rD及 rR分别为产物 D及 R的生成速率。反应用的原料为 A及 B的混合液，其中 A的浓度等于 2kmol/m3。（1）（1）计算 A的转化率达 95%时所需的反应时间；（2）（2）A的转化率为 95%时，R的收率是多少？（3）（3）若反应温度不变，要求 D的收率达 70%，能否办到？（4）（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）的反应时间相同，A的转化率是否可达到 95%？（5）（5）在全混反应器中操作时，A

2、的转化率如仍要求达到 95%，其它条件不变，R的收率是多少？（6）（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）计算的时间均速加入反应器内。假如 B的量为 1m3，A为 0.4m3，试计算 A加完时，组分 A所能达到的转化率及 R的收率。解：（1）第二章 2.9 题已求出 t=0.396h=24.23min(2)02300.120.12301.61()/()1.616.4110.25(1)2(10.95)0.1/11ln(110.25)110.2510.250.2305/0.23050.11532AARARARAAAAAAACRRAACARRAdCdCdCCSdtdtdCC

3、CCCCXkmol mCS dCCCkmol mCYC(3)若转化率仍为 0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：28.232.8(1)1.616.434.432.8AADAACXSCX D的收率：0.950032.8(1)0.83480.734.432.8AfXADDAAAXYS dXdXX 这说明能使 D的收率达到 70%（4）对全混流反应器，若使=t=0.3958h,则有 020.39581.616.4AAAACCCC 解之得：CA=0.4433 所以：000.77840.95AAAACCXC 这说明在这种情况下转化率达不到 95%。（1）（5）对全混流反应器，若 X=0.95,则

4、R的收率为：学习必备 欢迎下载 00.950.4691110.25(1)110.252(10.95)AfRAfAAfXYSXCX（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组 A的转化率及R的收率，需要求出 A及 R 的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组：对 A:200()(1.616.4)AAAAd VCCCVQ Cdt （1）对 R:()1.60RAd VCC Vdt （2）00VVQ t （3）301Vm 在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取 t 0.4h）内将 0.4 m3的 A均速加入反应器内，故300.41/0.4Qmh 采用间歇釜操作时，原

5、料为 A与 B的混合物，A的浓度为 2kmol/m3.现采用半间歇釜操作，且331,0.4BAVm Vm，故可算出原料A的浓度为：30(10.4)2/0.4ACkmolm 由于：0()()AAARRRd VCdVdCCVdtdtdtd VCdVdCCVdtdtdtdVQdt 代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：271.616.41AAAAdCCCCdtt （4）1.61RRAdCCCdtt （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时的 CA和 CR可以进行 A的转化率和 R的收率计

6、算：0000AAAAAAAAANNC VC VXNC V 式中 VA为所加入的 A的体积，且 VA=0.4m3;CA0为所加入的 A的浓度，且 CA0=7kmol/m3；V为反应结束时物系的体积，V=1.4m3。同理可以计算出 R的收率：0RRAAC VYC V 3.10 在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：到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的反应时间均速加入反应器内假如的量为为试计算加完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知学习必备 欢迎下载 233268/.14/.AARBABrC kmol m hBRrC km

7、ol m h 加料中组分 A的浓度为 0.2kmol/m3,流量为 4m3/h,要求 A的最终转化率为 90%，试问：（1）（1）总反应体积的最小值是多少？（2）（2）此时目的产物 B的收率是多少？（3）（3）如优化目标函数改为 B 的收率最大，最终转化率为多少？此时总反应体积最小值是多少？解：（1）0010021122222101202()(1)(1)AAAAArrrAAAAQ CXQ CXXVVVk CXk CX 对上式求 dVr/dXA1=0 可得：12121101(1)AAAXXX 将 XA2=0.9 代入上式，则311100(1)1 AAXX 解之得 XA1=0.741 所以总反应体

8、积的最小值为 3122240.7410.90.7413.2494.6767.925680.2(10.741)(10.9)rrrVVVm(2)210211111011013414(1)0.051834140.0912314BABAAAfBABBBBrBRCCCCXRCCCCCVQR 即113.24940.0912314BBCC 解得 CB1=0.005992 kmol/m3 同理212222220224.6760.0059924341434(1)14BBBABAABCCCCCCXC 解得 CB2=0.00126 kmol/m3 B的收率：2020.0012621.26%0.2BBACYC(3)目

9、标函数改为 B的收率，这时的计算步骤如下：对于第 i 个釜，组分 A,B 的衡算方程分别为：对 A:1268AiAiiAiCCC 对 B:123414BiBiiAiBiCCCC 到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的反应时间均速加入反应器内假如的量为为试计算加完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知学习必备 欢迎下载 当 i=1 时，0112168AAACCC （1）112113414BABCCC （2）当 i=2 时，1222268AAACCC （3）222223414BABCCC （4）由（1）式解出 CA1代入（2）式可解出

10、 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的 函 数，即2012(,)BACf C （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:22120,0BBCC 联立上述两个方程可以求出1及2。题中已给出 Q0,故由012()rVQ 可求出 CB2最大时反应器系统的总体积。将1,2代入（5）式即可求出 B的最高浓度，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。3.15 原料以 0.5m3/min 的流量连续通入反应体积

11、为 20m3的全混流反应器，进行液相反应：1222AADRARrk CRDrk C CA,CR为组分 A及 R的浓度。rA为组分 A的转化速率，rD为 D的生成速率。原料中 A的浓度等于 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的转化率及 R的收率。解：00102.040min0.5(1)0.1(1)rAAAAAAVQCXXk CXX 所以：302120.80,(1)0.02/402AAAARARXCCXkmol mCk Ck C 即为：到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的反应时间均速加入反应器

12、内假如的量为为试计算加完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知学习必备 欢迎下载 2301000.0800.02372/0.023720.23720.1ARRRRACCCkmol mCYC 4.18 氨水（A）与环氧乙烷（B）反应以生产一乙醇胺(M)，二乙醇胺(D)及三乙醇胺，反应如下：1233242222222422222224223()()()kkkNHC H OH NCH CH OHH NCH CH OHC H OHN CH CH OHHN CH CH OHC H ON CCH CH OH 反应速率方程为：112233,ABMBDBrk C C

13、rk C Crk C C 该反应系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺。（1）（1）请你提出原料配比的原则，并说明理由。（2）（2）选定一种合适的反应器型式和操作方式。（3）（3）根据（2）的结果，说明原料加入方式。（4）（4）反应时间是否有所限制？为什么？解：（1）若提出原料配比原则，应分析其动力学特征。这里以 B 为关键组分，目的产物 M的瞬间选择性：21321111MADMAAk Ck CSk Ck Ck Ck C 由此看出 CA增大时，则 S 也增大，无疑，相对来说 CB减少。也就是说配比原则是：允许的条件下，尽量使 A过量。（2）根据（1）的结果，可选活塞流反应器，并使 B 从侧线分段进

14、料，而 A从进口进料，采用连续操作，如图所示：（3）加料方式如（2）中的图示。（4）反应时间即停留时间有限制，因为目的产物 M为中间产物，存在最佳收率，为达到最大收率，须控制最佳反应时间。6.11 在球形催化剂上进行气体 A 的分解反应,该反应为一级不可逆放热反应.已知颗粒直径为 0.3cm,气体在颗粒 中有效扩散系数为 4.510-5m2/h,颗粒外表面气膜传热系数为44.72w/m2K,气膜传质系数为 310m/h,反应热效应为-162kJ/mol,气相主体 A 的浓度为0.20mol/l,实验测得 A 的表观反应速率为 1.67mol/minl,试估算：（）（）外扩散阻力对反应速率的影响

15、；（）（）内扩散阻力对反应速率的影响；（）（）外表面与气相主体间的温度差 解：到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的反应时间均速加入反应器内假如的量为为试计算加完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知学习必备 欢迎下载 *53331.67/min1.00210/(1)31.671060.8081 100.150.2(310/60),.AAGGRmollmol mhLCk*A判别外扩散阻力的影响用(6.79)式:R故仅从传质考虑 外扩散影响可不计 *2(2)(6.82),:2.783sAsAGR LDeC判别内扩散阻力的影响用式 先

16、求出 2,2.783,(6.60)3.1,0.288,ss 因有从可借助式估算出由此可知内扩散阻力影响严重.(3)计算外表面与气相主体间温度差m：*)/mGsAsTTTRhr颗粒体积(H颗粒外表面积=50.4K 6.13 在 150,用半径 100m 的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数kp=5min-1,苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为 0.2cm2/s,试问:(1)(1)在 0.1Mpa 下,要使=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少?(2)(2)改在 2.02Mpa 下操作,并假定苯的有效扩散系

17、数与压力成反比,重复上问的计算.(3)(3)改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数 10-5 cm2/s.而反应速率常数保持不变,要使=0.8,求催化剂颗粒的最大直径.解:(1)0.1076611tanh 33pppdkdDe1由(6.60)式=用试差法从上二式可解得当=0.8 时,需 dp6.36cm(2)2.02Mpa 时,De0.20.101/2.02=0.01 cm2/s,与此相对应:0.4186pppdkdDe 同上法可求得当=0.8 时,需 dp1.42cm (3)液相反应时,De=110-6cm2/s,与此相应的为 21.51dp,同上法可求得当=0.8时,需 d

18、p0.0142cm.6.15 在 0.10Mpa,530 进行丁烷脱氢反应,采用直径 5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m2/g,孔容0.35cm3/g,颗粒密度1.2g/cm3,曲节因子3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为 0.94cm3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.解:丁烷分子量为 58,=10-5cm,=2Vg/Sg=58.3 10-8cm,/2=8.576,此值与 10 接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主:到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的反应时间均速加入反应器内假如的量为为试计算加

19、完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知学习必备 欢迎下载 822970058.310530273/582.10410/kDcms 323/2.6 10/0.50.94 1.21.73662.6 10kpmDeDcms 由(6.60)式算得=0.465.6.20 原题见教材,今补充如下:实验测得 A 的气相浓度为 1.6810-5mol/cm3时的反应速率为 1.0410-5(mol/cm3床层s).解:已知 *5531.0410/(10.4)1.73310/ARmol cms颗粒 若不计外扩散阻力,则 CAS=CAG=1.6810-5mol/cm3 由教材 312 页:*2/sAAGRLDeC L=dp/6=0.04cm,可算得s=0.1375,由(6.82)式2s,将此式与(6.60)式用试差法联立求解可得:=0.387=0.92 到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的反应时间均速加入反应器内假如的量为为试计算加完时组分所能达到的转化下转化率达不到对全混反应器若则的收率为学习必备欢迎下载依题意知