反应工程课后答案第二版Word文档下载推荐.docx
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100沦显
22
x3y
54.79——'
空气:
2__2100%=40.19%
100+3
水:
17.81x2y100%=34.87%
100xy
HCHQ:
100%=17.26%
100+3
CQ
y100%=0.6983%100「上
1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇,其主副反应如下:
CO2H2二CH3OH
2CO4H2u(CH3)2OH2O
CO3H2=CH4H2O
4CO8H2二C4H9OH3H2O
COH2O二CO2H2
由于化学平衡的限制,反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇,为了提高原料的利用率,生产上采用循环操作,即将反应后的气体冷却,可凝组份变为液体即为粗甲醇,不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空,大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
下图是生产流程示意图
放空气体
Akmol/h
原料气和冷凝分离后的气体组成如下:
原料气
冷凝分离后的气体
co
26.82
15.49
68.25
69.78
1.46
0.82
CH0.55
3.62
Nl2.9210.29
粗甲醇的组成为CHOH89.15%,(CH)2O3.55%,C3H9OH1.10%,HO6.20%,均为重量百分率。
在操作压力及温度下,其余组分均为不凝组分,但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中,对1kg粗甲醇而言,其溶解量为CO9.82g,CO9.38g,H2
1.76g,CH42.14g,N25.38g。
若循环气与原料气之比为7.2(摩尔比),试计算:
(1)一氧化碳的单程转换率和全程转化率;
(2)甲醇的单程收率和全程收率。
(1)设新鲜原料气进料流量为100kmol/h,则根据已知条件,计算进料原料气组成以质量分率表示如下:
摩尔质量
yi0(mol%)
Fi0(kmol/h)
质量分率Xi0%
28
72.05
2
13.1
44
6.164
CH
16
0.55
0.8443
N>
2.92
7.844
100
其中Xi=yiM/刀yiM。
进料的平均摩尔质量yiM=10.42kg/kmol。
经冷凝分离后的气体组成(亦即放空气体的组成)如下:
摩尔分率yi
H2
N2
10.29
其中冷凝分离后气体平均分子量为
Mm=£
yiMi=9.554
又设放空气体流量为Akmol/h,粗甲醇的流量为Bkg/h。
对整个系统的N作衡算
得:
5.38B/28X1000+0.1029A=2.92(A)
对整个系统就所有物料作衡算得:
(B)
100X10.42=B+9.554A
联立(A)、(B)两个方程,解之得
A=26.91kmol/hB=785.2kg/h
反应后产物中co摩尔流量为
Fco=O.1549A+9.38B/(28X1000)
将求得的A、B值代入得
Fco=4.431kmol/h
故CO的全程转化率为
XCO
Fco,o
26.82一4.435
二83.48%
由已知循环气与新鲜气之摩尔比,可得反应器出口处的
F'
CO,0=100X0.2682+7.2X100X0.1549=138.4kmol/h
所以CO的单程转化率为
Xco
Fco,o-Feo_26.82—4.435_佃佃%
Fco,o138.4
产物粗甲醇所溶解的CO、CO“、CH和2总量D为
二0.02848Bkmol/h
D(9.829.381.762.145.38)B
1000
粗甲醇中甲醇的量为
(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B)X0.8915/32=21.25kmol/h
所以,甲醇的全程收率为
Y总=21.25/26.82=79.24%
甲醇的单程收率为
Y单=21.25/138.4=15.36%
2反应动力学基础
2.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为:
r=kwyCO'
yC^kmol/kgh
式中yCO和y为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率,0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。
如催化剂的比表面积为30nVg,堆密度为1.13g/cm3,试计算:
(1)以反应体积为基准的速率常数匕。
(2)以反应相界面积为基准的速率常数kg。
(3)以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。
(4)以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kc。
利用(2.10)式及(2.27)式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成m/m3。
pb
⑵kg^kw
av
匕=1.78106kmol/m2.h
订30103
⑶k^
(1)nk^=(1严0.0535=0.1508kmo1045
p9,u'
0.1013,kg.h.(MPa)。
45
33
⑷kc=(RT)%=(8'
3110700)0.450.0535=0.333(严
P0.1kmolkg.h
2.6下面是两个反应的T-X图,图中AB是平衡曲线,NP是最佳温度曲线,AMI是
等温线,HB是等转化率线。
根据下面两图回答:
(1是可逆反应还是不可逆反应?
(2)是放热反应还是吸热反应?
(3)在等温线上,A,D,O,E,M点中哪一点速率最大,哪一点速率最小?
(4)在等转化率线上,H,C,R,O,F及B点中,哪一点速率最大,哪一点速率最小?
(5)C,R两点中,谁的速率大?
(6)根据图中所给的十点中,
判断哪一点速率最大?
图2.1
图2.2
(1)可逆反应
可逆反应
(2)放热反应
吸热反应
⑶M
点速率最大,A点速率最小
M点速率最大,A点速率最小
⑷O
点速率最大,B点速率最小
H点速率最大,B点速率最小
⑸R
点速率大于C点速率
C点速率大于R点速率
(6)M
点速率最大
根据等速线的走向来判断H,M点的速率
大小。
2.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应:
C6H5CH(CH,二C6H6C3H6
以A,B及R分别表示异丙苯,苯及丙烯,反应步骤如下:
(3)B;
「二Br
若表面反应为速率控制步骤,试推导异丙苯分解的速率方程。
根据速率控制步骤及定态近似原理,除表面反应外,其它两步达到平衡,描述如下:
A=A
A=B二R
B;
:
二B-
Ka
Kb
Pa"
PbW
kaPa^v
也A
以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程:
「A十卩壮由于二A吕「V将A^B代入上式得:
KaPaSKbPb%%=1
整理得:
1
1KaPaKbPb
将'
代入速率方程中
k^PA
★KbPbPr
k(PA-PbPr/Kp)
其中
Kp二kKA/kKB
4k二kKA
2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应:
2C2H4O2>
2C2H4O
化作2(A)(B2)>
2(R)
其反应步骤可表示如下:
B22二2B
(2)
(3)AB=R二二
(4)R;
「二R~
若是第三步是速率控制步骤,试推导其动力学方程。
根据速率控制步骤及定态近似原理,除表面反应步骤外,其余近似达到平衡,写出相应的覆盖率表达式:
⑴A二AS=KaPa"
(2)B22;
=2B;
「%=KbPb^v
⑷R=R二=KrPrS
整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示:
「A二羔A^B上R%
根据总覆盖率为1的原则,则有:
%九%%=1
或
KaPa%.'
KbPbSKrPrS"
v=1
KaPa\KbPbKrPr
将rA^B^R^v代入反应速率方程,得:
rA=kKApA\KbPb^V-kpRK^V
k(PA\PbPr/K
(1KaPaKbpbKrPr)2
k二kKA,KbK二k/kKR
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:
CH3COOC2H5NaOH>
CH3COONaC2H5OH
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的浓度
均为0.02mol/l,反应速率常数等于5.61/mol.min。
要求最终转化率达到95%试问:
3
(1)当反应器的反应体积为1m时,需要多长的反应时间?
(2)若反应器的反应体积为2m3,,所需的反应时间又是多少?
解:
(1)
XAf
0k;
oC;
o(1XA厂kC爲1_Xa
dXA
ACao
(Ra)
O・95
169.6min(2・83h)
2--
Xa
5.60.021一0.95
(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关,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的皂化反应:
CH2CICH2OHNaHCO3>
CH2OHCH2OHNaCICO2
以生产乙二醇,产量为20kg/h,使用15%(重量)的NaHCO水溶液及30%(重量)的氯乙醇水溶液作原料,反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1:
1,
混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级,在反应温度下反应速率常数等于5.21/mol.h,要求转化率达到95%
(1)若辅助时间为0.5h,试计算反应器的有效体积;
(2)若装填系数取0.75,试计算反应器的实际体积。
⑴氯乙醇,碳酸氢钠,和乙二醇的分子量分别为80.5,84和62kg/kmol,
每小时产乙二醇:
20/62=0.3226kmol/h
(
9VM佃叱诂関巾
原料体积流量:
1.02
氯乙醇初始浓度:
CA0
0.32661000
0.95275.8
=1.231mol/l
0.326680.5
91.11kg/h
每小时需氯乙醇:
0.9530%
0.326684
190.2kg/h
每小时需碳酸氢钠:
0.9515%
反应时间:
XAf
CA00
kCACB
1XAfdXA
kCA00(1Xa)2
5.21.231
0.95
1-0.95
二2.968h
反应体积:
Vr=Qo(tt'
P275.8(2.9680.5)=956.5l
(2)反应器的实际体积:
V上二9565=1275l
f0.75
3.8在一个体积为3001的反应器中86C等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解:
C6H5C(CH3)2COH>
CH3COCH3c6h5oh
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0.08s-1,最
终转化率达98.9%,试计算苯酚的产量。
(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)如果是全混流反应器;
(3)试比较上二问的计算结果;
(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)
XAfdXAXAf
t=Ca00^^Ca。
(Ra)
」ln亠
0kA°
CA0(1XA)k1-Xa
ln二56.37s二0.94min
0.81一0.989
Vr二Qo(tt0)=Q°
(0.9415)=300l
Q二300/15.94=18・82l/min
苯酚浓度C苯酚二Ca0Xa=3.20.989=3・165mol/1
苯酚产量QC苯酚=18.823.165=59.56mol/min=335.9kg/h
(2)全混流反应器
Q0cA0XAf
kCA0(1_XAf)
Q0XAfk(1-XAf)
Vr
Vrk(1_XAf)
3000.08(10.989)
0.989
二0.2669l/s=16.02l/min
苯酚产量QC苯酚二16.023.20.989二50.69mol/min二285.9kg/h
(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。
3.14等温下进行1.5级液相不可逆反应:
ABC。
反应速率常数等于
5m|.5/kmol1.5.h,A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h,试
分别计算下列情况下A的转化率达95%寸所需的反应体积:
(1)全混流反应器;
两个等体积的全混流反应器串联;
(3)保证总反应体积最小的前提下,两个全混流反应器串联。
(1)全混流反应器
m3
QoCaoXa1.520.95
Vr吋一一1515=18.02
rkcA.5(1XA)52(1—0.95)
(2)两个等体积全混流反应器串联
VM
二Q0CA0XA1
一kcA:
(1_Xai)1.5
V^QoCAoM-XA1)
kC;
5(1-Xa2)1.5
由于%二V®
所以由上二式得:
Xai_(Xa2Xai)
1515
(1Xai).(1Xa2).
Xai=0.8245,所以:
QoCA0XA1
将Xa2=0.95代入上式,化简后试差解得
Vr1_kCA0(1_Xai)1.5_2・379
(3)此时的情况同
(1),即Vr=18・03
串联系统总体积为:
Vr二2Jr1=4・758
3.15原料以
液相反应:
0.5m3/min的流量连续通入反应体积为20用的全混流反应器,进行
A—RrAk1CA
2R—DrD=k2cR
3m
CA,Cr为组分A及R的浓度。
rA为组分A的转化速率,"
为D的生成速率。
原料中
3i3
A的浓度等于0.1kmol/m,反应温度下,ki=0.1min-,k2=1.25m/kmol.min,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。
Vr=20
Qo0.5
二40min
CA0Xa_XA
k1CA0(1_XA)_0.1(1_Xa)
所以:
Xa=0・80,Ca二Cao(4一XA)=0.02kmol/m3
40
k1CA-2k2CR
CR
即为:
100CACr0.08=0
CR=0.02372kmol/m3
Yr二鱼二0023720.2372
尺0.1
4管式反应器
4.1在常压及800C等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应:
C6H5CH3H2>
C6H6CH4
在反应条件下该反应的速率方程为:
r=1.5CtCh,mol/1.s
式中Ct及G分别为甲苯及氢的浓度,mol/l,原料处理量为2kmol/h,其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm试计算甲苯最终转化率为95%寸的反应器长度。
根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程,原料甲苯与氢的摩尔比等于1,即:
CT0=CH0,则有:
CT=CH=CT0(1-XT)
示中下标T和H分别代表甲苯与氢,其中:
CT0
內00.51.013105
RT8.3141031073
=5.6810;
kmol/m3
FT0=Q0CT0=2/2=1kmol/h=0.27810”kmol/s
所以,所需反应器体积为:
Xt
Vr二Q0CT00
dXT
1.5CtCH・5
=Q0Ct00
1.5C;
・5
30.95dX-T
0・27810o1.5(5.6810冷1・5(1一Xt)1・5
=o.4329(1-0.;
5)「=3・006m3
所以,反应器的长度为:
3.006
0.0523.14/4
=1531.1m
4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据,改用活塞流反应器生产乙二醇,试计算所需的反应体积,并与间歇釜式反应器进行比较。
题给条件说明该反应为液相反应,可视为恒容过程,在习题3.2中已算出:
Qo=275・8l/hCao=1・23mol/I
所以,所需反应器体积:
xadXA
Vr=Q0CA00kCAO(1XA)(CBoCAoXA)
二旦虽2758迥心8.61
kCA01XA5.21・2311—0.95
由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小,间歇釜式反应器的反应体积大,这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
4.8在管式反应器中400°
C等温下进行气相均相不可逆吸热反应,该反应的活化能等于39.77kJ/mol。
现拟在反应器大小,原料组成及出口转化率均保持不变的前提下(采用等温操作),增产35%请你拟定一具体措施(定量说明)。
设气体在反应器内呈活塞流。
题意要求在反应器大小,原料组成和出口转化率均保持不变,由下式:
VJQ。
Ca0〕XadXA
0kf(XA)
可知,反应器大小,原料组成及出口转化率均保持不变的前提下,Q与反应速率
常数成正比,而k又只与反应温度有关,所以,提高反应温度可使其增产。
具体值为:
39770
Q02/Q0^~k2/k1-
Ae8.314T2
39770~
Ae
8.314673
10.35
1.35
解此式可得:
T2=702.7K。
即把反应温度提高到702.7K下操作,可增产35%
4.9根据习题3.8所给定的条件和数据,改用活塞流反应器,试计算苯酚的产量,并比较不同类型反应器的计算结果。
用活塞流反应器:
XadXA1.1
Vr/Q0-Ca0cln
0kCA0(1_XA)k1_Xa
将已知数据代入得:
0.31.1
ln
Q00.081-0.989
解得:
Q二0.319m/min,所以苯酚产量为:
FA0Xa二QoCaoXa=0・3193.20.989=1・01kmol/min
二1.0994kg/min=94.99kg/min
由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量,也大于间歇式反应器的产量。
但间歇式反应器若不计辅助时间,其产量与PFR的产量相同(当然要在相同条件下比较)。
4.11根据习题3.15所给定的条件和数据,改用活塞流反应器,试计算:
(1)所
需的反应体积;
(2)若用两个活塞流反应器串联,总反应体积是多少?
(1)用PFR时所需的反应体积:
0.5
Q0CA0
1.52000皿
0.50.1581
(1-0.95)q5-1=1.47m3
(2)若用两个PFR串联,其总反应体积与
(1)相同
5停留时间分布与反应器流动模型
5.2用阶跃法测定一闭式流动反应器的停留时间分布,得到离开反应器的示踪剂
与时间的关系如下:
0t<
2
c(t)={t—22兰23
123
试求:
该反应器的停留时间分布函数F(9)及分布密度函数E(9)
数学期望
22
a
差
方
及
-0
(3)若用多釜串联模型来模拟该反应器,则模型参数是多少?
(4)若用轴相扩散模型来模拟该反应器,则模型参数是多少?
(5)若在此反应器内进行一级不可逆反应,反应速率常数k=1min-1,且无副反应,试求反应器出口转化率。
(1)由图可知C(*)=1.0,而F(9)=F(t)=C(t)/C(*),所以:
二<
0.8
0.8r1.2
-1.2
2,
F(日)=F(t)=壮一22兰t<
3,
、1t>
'
0tY2
E(t)二dF^=12乞t<
3
dtv
0t>
t=tE(t)dt二tdt二2.5min0\/2
所以:
09Y0.8
E(J二tE(t)二2.50.8—二—1.2
0>
1.2
(2)由于是闭式系统,故t=Vr/Q=
,所以=1
方差:
2:
2「22
J;
EC)d_1=0.825:
d-1®
333
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