反应工程答案第四章

4管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：6532664CHCHHCHCH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.THrCCmolls式中CT及CH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%时的反应器长度。解：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：00THCC，则有：0(1)THTTCCCX示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.51.013105.6810/8.3141010732/21/0.27810/TTTTpCkmolmRTFQCkmolhkmols所以，所需反应器体积为：00000.51.5002.50.953331.51.501.51.5(10.95)10.278100.43293.0061.5(5.6810)(1)1.51TTXXTTrTTTHTTTdXdXVQCQCCCCdXmX所以，反应器的长度为：23.0061531.10.053.14/4m4.2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。解：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：0275.8/Qlh01.231/ACmoll所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.615.21.23110.95AXArAAABAAAAAdXVQCkCXCCXQXlkCX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。4.31.013×105Pa及20℃下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：224322221.410,/.NONOONOONOrCCkmolms式中的浓度单位为kmol/m3。进气组成为10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若进气流量为0.6m3/h（标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。解：由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：204001.410AXrAAABVdXCQCC（A）示中A,B分别代表NO和O2。由题意可知，若能求得出口转化率，由（2.54）式得：0001iiAAAiAAAyyXyyX便可求出反应器出口气体组成。已知：00343020233023301,0.10,0.0920.6(27320)/2730.644/1.788810/0.62.67710/22.42.677100.14.15910/0.6442.677100.093.74310/0.644iAABAiAByyQmhmsFkmolhCkmolmCkmolm所以，反应速率为：220004223431(1)()21.410(10.05)(10.05)(1)(3.7432.078)101.410(10.05)AABAAAAAAAACXCCXrXXXXX再将有关数据代入（A）式：334200.5144.15910(10.05)1.78910(1)(3.7432.078)AXAAAAXdXXX（B）用数值积分试差求得：99.7%AX因此，22000.1(10.997)0.032%10.0510.050.99710.090.10.99724.227%10.050.99720.10.10.997211.546%10.050.9970.884.197%10.050.997AAAAABNONyyXyXyyy另：本题由于惰性气体N2占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有太大的误差。4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯：26242CHCHH反应压力及温度分别为2.026×105Pa及815℃。进料含50%(mol)C2H6,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s。反应速率方程如下：AAdpkpdt式中pA为乙烷分压。在815℃时，速率常数11.0ks，平衡常数47.4910KPa，假定其它副反应可忽略，试求：（1）（1）此条件下的平衡转化率；（2）（2）乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。解：（1）设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：BHpAppKp50150501501101yyyy5011501yyy1111150Py,1yyy100B0B000AA0000000eAeAeAeAAAAAAAHBeAeAAAAAAAAiiAAAAAAiiiAAAAAAiiiX.X*.X.X*.*XyXX.)X(.XyX.ypXyXXyXppp＝－＝，61014497150150422.X*.P)X)(X.(X.PyPyypppKAeAeAeAHBAHBAe若以1摩尔C2H6为基准，反应前后各组分的含量如下：262422,,CHCHHHO反应前10012平衡时1-XeXeXe12+Xe因此，平衡时各组分分压为：111(1),,222eeeBHAeeePXPXPXpppXXX将其代入平衡式有：2541()2.02610/7.491022eeeeXXXX解此一元二次方程得：0.61eX（2）（2）所需的反应管长：首先把反应速率方程变为3/,/.AAdpRTkpkmolmsdtRT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知：00.1780.50.0037/300.5180.50.50.305AAfAeFkmolsXX代入物料衡算式有00130.3053501()20.00378.31410108820.1312.026101AfXArAAAAAAdXVFXPkXRTXdXmX其反应管长：20.1328.8(0.0762)3.14/4Lm4.5于277℃，1.013×105Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应:2533252()()()()CHOHCHCOOHCHCOOCHHOABPQ催化剂的堆密度为700kg/m3,在277℃时，B的转化速率为：7644.09610(0.38.88510)(/9.8),/.3600(11.51510)QBPQABPppppprkmolkgsp式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。加料组成为23%B,46%A,31%Q（均为重量%），加料中不含酯，当XB=35%时，所需的催化剂量是多少？反应体积时多少？乙酸乙酯的产量为2083kg/h。解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为B组分转化率的函数，其中：000000(1),,BBBAABBPBBQQBBppXpppXppXpppX为求各组分初始分压，须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q。于是有：50505000.12341.013100.32201.013100.55451.0131020830.0188/3600880.35BAQBpppFkmols将上述有关数据代入设计方程：00BXBBBdXWFr采用数值积分便可得到所需的催化剂量：41.0110Wkg其反应体积为：431.011014.5700rWVm反应器4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:2242()()2()CHClFgCFgHClg流量为2kmol/h的纯CHClF2气体先在预热器预热至700℃，然后在一活塞流反应器中700℃等温下反应。在预热器中CHClF2已部分转化，转化率为20%。若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s，当出口处CHClF2的转化率为40.8%时，出口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为1.013×105Pa，700℃时的反应速率常数等于0.97s-1。若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？解：反应历程如下图所示：预热器温度T0TinTf=TiN线速度u0uinuf转化率XA0=0XA,inXA,f该反应为变容过程，其中01,1/2AAy，s/m.*.u...FFuu.F..*F..**XFF.).()X(FF.F.F..**XFF.).()X(FFCBAf'tt'ftCfAfAABBfAfAAf't'C'AAB'B'A'AAA892120094510945122408240828160408024080408022118414080121224020202216120012122000000000000由（2.50）式知：00(1)AAAQQyX00(1)AAAuuyX由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度：000,02018.18/10.50.20(1)inininAAAinuTumsTTyXT其出口处气体线速度为：000(1)18.18(10.50.408)21.89/jjAAATuuyXmsT由设计方程计算出反应器长度：,0,/110.5AfXArinAinAinAinALdXVQCXukCX那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率XAf。据XA=FA0-FA/FA0，可求出FA,in=1.6kmol/h,FAf=1.184kmol/h,所以，XAf=(1.6-1.184)/1.6=0.26。因而有：0.26120(10.5)ln0.5(0.4520.13)6.6310.970inAAuLXmkX这是由于反应器的截面积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此，当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积相应增加。4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：122,2,RABSAABRrkCCASrkC目的产物为R，且R与B极难分离。试问：（1）（1）在原料配比上有何要求？（2）（2）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？（3）（3）如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式？解：对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或选择性最大，根据动力学特征，其瞬时选择性为：21112/ABSkCkC由此式可知要使S最大，CA越小越好，而CB越大越好，而题意又给出R与B极难分离，故又要求CB不能太大，兼顾二者要求：（1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。（2）若采用PFR，应采用如图所示的加料方式，即A组分沿轴向侧线分段进料，而B则在入口处进料。（3）如用半间歇反应器，应采取B一次全部加入，然后慢慢加入A组分，直到达到要求的转化率为止。4.8在管式反应器中400℃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。解：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：000/()AXArAAdXVQCkfX可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与k有关，所以，提高反应温度可使其增产。具体值为:2