化学反应工程第五版答案53化学反应工程答案

化学反应工程第五版答案53化学反应工程答案内容摘要：

CB? 于 是 可 求 出 A 的 平 衡 转 化 率 ：?VNaOHmol/l10XAeCA0?????.515??(1?)??%??CA0(1?XA)?现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当 CA=，所对应的反应时间为 48min。 由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是 48min。 丙酸的产量为： 500kg/h=。 所需丙酸钠的量为 :。 原料处理量为：Q0?FA0/CA0?(?)?：Vr?Q0(t?t0)??(18?20?10)?4512l 实 际 反 应 体 积 ：4512/? 在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应： A?B?R1100014rA??10exp(?)CACBkmol/应速率方程为：式中组分 A及 B的浓度 CA及 CB以 kmol/m3为单位，温度 T 的单位为 K。 该反应的热效应等于4000kJ/kmol。 反应开始时溶液不含 R，组分 A和 B的浓度均等于 ，反应混合物的平均热容按 计算。 反应开始时反应混合物的温度为 50℃。 （ 1） （ 1） 试计算 A 的转化率达 85%时所需的反应时间及此时的反应温度。 （ 2） （ 2） 如果要求全部反应物都转化为产物 R，是否可能。 为什么。 解：(1)???(?4000)?C(??H)T?T0?(XA?XA0)?323?XA?323??CA0??CA0?00(?RA)kCACB?CA0?dX??1014exp(?)CA0(1?XA)323?A（由数值积分得出） (2)若 A全部转化为 R,即 XA=,则由上面的积分式知， t→∝ ,这显然是不可能的。 器中进行液相反应：T?323????B?CC?B?DrA?k1CACBrD?k2CCCBA的初始浓度为 ,C， D的初始浓度为零， B过量，反应时间为 t1时， CA=， CC= kmol/m3，而反应时间 为 t2 时， CA= kmol/m3， CC=，试求： （ 1） （ 1） k2/k1。 （ 2） （ 2） 产物 C的最大浓度；（ 3） （ 3） 对应 C 的最大浓度时 A 的转化率。 解： (1)因为 B 过量，所以： 恒容时： rA?k1CA,rD?k2CC,rC?rA?rD?k1CA?k2CC?dCA ?k1CAdt （ A ） dC ?C?k1CA?k2CCdt (B)（ B）式除以（ A）式得： dCkC??1? dCAk1CA 解 此 微 分 方 程 得 ：k?? kCA0??CA?1CA?CC??? ??k2?CA0?CA0??1?amp。 39。 ???k1（ 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 :1 k2kx? ??2k1k1XA,maxk1k1?1?1?()?25k2k2(3) 产物 C 的 最 大 收 率 ：YC,maxk2?1????1?XA?k1??1?XA????1?2?k1 产物 C的最大浓度：CC,max?CA0YC,max???间歇反应器中进行液相反应初始的反应物料中不含 A2 和A3 ， A1 的 浓 度 为 2mol/l ， 在 反 应 温 度 下k1=,k2=,k3=。 试求 :（ 1） （ 1） 反应时间为 时，反应物系的组成。 （ 2） （ 2） 反应时间无限延长时，反应物系的组成。 k3k1A???A????A3反应时间无限延长时， 12（ 3） （ 3） 将上述反应改为k3k1A1????A2???A3反应物系的组成。 解：根据题中给的两种反应情况，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，其实质是下述反应的特例：k1k2A1???A2???A3 (A) k 当 2?0 时，（ A）式变为A1?A2?A3 (B) k1当 ?0 时，（ A）式变为 A1?A2?A3 (C) k?0,k?0时， 12 当（ A）式变为 A1?A2?A3 (D)其中式（ D）即为书讲的一级不可逆连串反应。 可见只要得到（ A）式的解，则可容易化简得到（ B） ,(C)及 (D)式 的解。 对于 (A)式，可列出如下微分方程组： ?dC1 ?k1C1?k1C1dt (1)dC2 ?k1C1?k2C3?k1C2?k2C2dt (2) dC3 ?k2C2?k2C3dt (3) 由题意知初始条件为：C1(0)?C10,C2(0)?C3(0)?0 (4)联立求解此微分方程组可得： ?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， ?,?由如下式确定： ???k ?k 1k21k2?k2k1 (8) ?????(k 1?k1?k2?k2) (9)现在可用上述结果对本 题 进 行 计 算 ： （ 1 ）k1??1,k ?1?1?,k1 2?,k2?0,t?1min 由（ 5 ）～（ 9 ） 式 得CA1?（ 2）当 t→∝ 时，由（ 5）～（ 9）式得 CA1?CA2?0CA3?（ 3）此时为 k 的情况，当 t→∝ 时，由 ?1?0k1?, k??1,k 122?? 得：CA1?0CA2?等 温 进 行 下 列 液 相 反 应 ：A?2B?Rrk2R?1CACB2A?B?Srk2S?2CACB 目的产物为 R， B的价格远较 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。 化学反应工程第五版答案 53_化学反应工程答案 k1CB 解：（ 1）由上式知，欲使 S增加，需使 CA低， CB高，但由于 B的价格高且不易回收，故应按主反应的计量比投料为好。 （ 2）保证 CA 低， CB 高，故可用下图所示的多釜串联方式：（ 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 在一个体积为300l 的反应器中 86℃ 等温下将浓度为 氢异丙苯溶液分解：生产苯酚和丙酮。 该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于 ,最终转化率达 %，试计算苯酚的产量。 （ 1） （ 1） 如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为 15min。 （ 2） （ 2） 如果是全混流反应器；（ 3） （ 3） 试比较上二问的计算结果；（ 4） （ 4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果 怎 样。 解 ： （ 1 ）2?rkCC1S???22?BRAk1CACB?2k2CACB1?2kCC6H5C(CH3)2COH?CH3COCH3?C6H5OHt?CA0??XAfXAfdXAdXA11?CA0??ln0(?RA)kA0CA0(1?XA)k1?XA11ln????Q0(t?t0)?Q0(?15)?300lQ0?300/?C?CA0XA???酚（ 2 ） 全 混 流 反 应 器QC???(1?XAf)Vr?Q0?Q0CA0XAfkCA0(1?XAf)Vrk(1?XAf)300?(1?)?min?（ 3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因。 （ 4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论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的产量均增加一倍。 在间歇反应器中等温进行下列液相反应：A?B?R2A?DrR?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，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 题已求出 t== (2)SR?(dCRdC?)/(?A)????1??CA0(1?XA)?2(1?)?CA0?SRdCA??2112??ln(1?)??5kmol/???(3)若转化率仍为 ，且温度为常数，则 D 的瞬时选择性为： SD?D 的收率：2?(1?XA)?????SDdXA?? 这说明能使 D的收率达到 70%（ 4）对 全混流反应器，若使 τ=t=, 则有(1?XA)A???? 解 之 得 ：CA=???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=, 则 R 的 收 率 为 ：C?C???SXAf?XAf1?(1?XAf)?（ 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：???2(1?)d(VCA)2?(?)V?Q0CA0dt对 A: （ 1）对 R:d(VCR)??0dt （ 2） V?V0?Q0t （ 3）在反应时间（ t=,为方便起见取 t ≈）内将 m3 的 A均速加入反 V0???1m3/ 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/ 33V?1m,V? 歇釜操作，且 B，故 可算出原料 A 的浓度为： (1?)?2CA0?kmol/ 由于：代入（ 1），（ 2）式则得如下一阶非线性微分方程组：d(VC)dVdC?CA?Vdtdtdtd(VCR)dVdCR?CR?VdtdtdtdV?Q0dtdC7?C2????t （ 4） dCRC??Rdt1?t （ 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=，直至求至 t= 即可。 用 t= CA和 CR可以进行 A 的转化率和 R的收率计算： XA?式中 VA为所加入的 A 的体积，且 VA=。 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=。 NA0?NACA0VA?CAV?NA0CA0VAYR?同理可以计算出 R的收率： 在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应： CRVCA0VA2A?BB?R2rA?68CAkmol/加料中组分 A的浓度为 ,流量为 4m/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 ）rR?14CBkmol/(XA2?XA1)Vr?Vr1?Vr2??2222k1CA0(1?XA1)k2CA(1?X)0A21?X1??02 对上式求dVr/dXA1=0 可得： 1?XA1(1?XA2)3100(1?X)?1?XA1 A1 将XA2= 代入上式，则解之得 XA1=最小值为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： CAi?1?CAi??i2 对 A: 68CAi C?C??i2 对 B: 34CAi?14CBi当 i=1时， C?C??1268CA1（ 1） C??1234CA1?14CB1（ 2）当 i=2 时， C?C??2268CA2（ 3） CB2??2234CA2?14CB2（ 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 CB2?f(CA0,?1,?2) （ 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 Vr?Q0(?1??2)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。