化学反应工程答案0.doc

 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/m31） （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) (3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：D的收率：这说明能使D的收率达到70%（4）对全混流反应器，若使τ=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%。

1） （5）   对全混流反应器，若X=0.95,则R的收率为：（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: （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的A均速加入反应器内，故采用间歇釜操作时，原料为A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m3.现采用半间歇釜操作，且，故可算出原料A的浓度为：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时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算：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：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：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）对上式求dVr/dXA1=0可得：将XA2=0.9代入上式，则解之得XA1=0.741所以总反应体积的最小值为(2)即解得CB1=0.005992 kmol/m3同理解得CB2=0.00126 kmol/m3B的收率：(3)目标函数改为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: 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τ1,τ2的函数，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τ1及τ2题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积将τ1,τ2代入（5）式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2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为20m3的全混流反应器，进行液相反应：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：所以：即为：  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：反应速率方程为：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：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4.5×10-5m2/h,颗粒外表面气膜传热系数为44.72w/m2﹒K,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：（１） （１） 外扩散阻力对反应速率的影响；（２） （２） 内扩散阻力对反应速率的影响；（３） （３） 外表面与气相主体间的温度差．解：　 (3)计算外表面与气相主体间温度差⊿Ｔm：6.13 在150℃,用半径100μm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η=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η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径.解:用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需dp<6.36cm(2)2.02Mpa时,De≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm2/s,与此相对应:同上法可求得当η=0.8时,需dp<1.42cm (3)液相反应时,De=1×10-6cm2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需dp<0.0142cm. 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,λ=10-5cm,=2Vg/Sg=58.3×10-8cm, λ/2=8.576,此值与10接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主:由(6.60)式算得η=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1.68×10-5mol/cm3时的反应速率为1.04×10-5(mol/cm3床层﹒s).解:已知若不计外扩散阻力,则CAS=CAG=1.68×10-5mol/cm3由教材312页:L=dp/6=0.04cm,可算得=0.1375,由(6.82)式,将此式与(6.60)式用试差法联立求解可得:φ=0.387 η=0.92 。