反应工程作业题及答案

12.2在一管式反应器中常压300oC等温下进行甲烷化反应：242CO2HCHHO催化剂体积为10ml，原料气中CO的摩尔分数为3%，其余为N2、H2气体，改变进口原料气流量0Q进行实验，测得出口CO的转化率为Q0/(cm3/min)83.367.650.038.529.422.2X/%203040506070试求当进口原料气体体积流量为50cm3/min时CO的转化速率。解：管式反应器是流动反应器，反应速率AAA0r0ddXrcVQ气体在高温低压下，可按理想气体进行计算53A0A0A01.013100.030.638mol/m8.314573.15ppycRTRT只要求得0Q=50cm3/min时的Ar0ddXVQ，就可得到相应的CO的转化速率已知rV=10ml，得到如下表格r0VQ/(min)0.120.1480.200.260.340.45X/%203040506070作出X-r0VQ曲线，在r0100.2min50VQ的点作切线，切线的斜率即为Ar0ddXVQ值，该值等于11.97min3AAA0r0d0.6381.971.26mol/mmindXrcVQ22.4在等温下进行液相反应ABCD，在该条件下的反应速率方程为1.50.5AAB0.8rccmol/Lmin若将A和B的初始浓度均为3mol/L的原料等体积混合后进行反应，求反应4min时A的转化率。解：初始浓度均为3mol/L的原料A和B等体积混合后，A0B01.5mol/Lcc因为AB，A0B0cc，则ABcc1.50.52AABA0.80.8rccc液相反应可按恒容过程计算，有AAddcrt两式联立，求解A2AA2A0AA2A0AA022AA0AAA2A4A0AA0AAAd0.8dd1d10.81ddd10.811.21dd11.2d111.2111.24182.76%XcctcXXcXcttXcXXtXtXXtXXXXX2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应：ABRRA1.6rc2AD2DA8.2rc式中Rr、Dr分别表示产物R及D的生成速率，其单位均为3kmol/(mh)，反应用的原料为A与B的混合物，其中A的浓度为23kmol/m，试计算A的转化率达95%时所需要的反应时间。解：由于反应器内进行的是复合反应，A的转化速率用AR计算222AAjA11A22RDAAAA121.628.21.616.4jjRvrvrvrrrcccc3对于恒容反应器，有AAddcrt2AAAAA2A2A0AA0AA022AAA0AAAAAAAAAd1.616.4dd11.6116.41dd11.6116.411.6132.81dd11.61120.51dd11.6d1120.51d11120.511.6dAAAcrRcctXcXcXctXXcXXXtXXXtXtXXXXXt0.950.95A000A0.950.95AA00A0.950.95A00120.5d11120.51d120.5d11120.511.6ln1ln120.510.396tAAAXXXXXXXtXXth课外练习：在均相等温液相聚合反应中单体的初始浓度为0.4mol/L和0.8mol/L时，在34min内单体均消失20%，问单体的消失速率是多少？分析：（1）液相反应，按恒容过程处理；（2）单体聚合，A聚合物；（3）达到相同转化率时，反应时间与反应物料的初始浓度无关，表明该聚合反应为一级反应。解：恒容过程的反应速率方程为AAddcrt一级反应的反应速率方程为AArkc两式联立，求解4AAA0A0A00.234001ddd1d11ddd11dd1d1ln10.0066minAAAAAAAAckctcXXckcXttXkXtXktXktXkAAA0.0066rkccmol/Lmin3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯反应325325CHCOOCH+NaOHCHCOONa+CHOH该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级。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5.6L/(molmin)，要求最终转化率达到95%。试问：（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）若反应器的反应体积为2m3时，所需的反应时间又是多少？解：（1）等温间歇反应器是一个等容系统，反应体积恒定根据题意列出反应速率方程，AAB5.6rcc，A和B分别代表乙酸乙酯及氢氧化钠已知A0B00.02/ccmolL，AB1，则ABcc根据等温间歇反应器反应时间的计算式5AfAfAfAfAfAfAfAfAAAAA0A0A0A020000AAABAAAA022200A0A0AAA20A0A0A0AAfA0Afdddd5.65.6dd15.65.611d11115.65.61110.951695.615.60.0210.95XXXXXXXXXXXXtccccrcccXXcccXXXccXXXcX.6min（2）由于间歇反应器中反应物达到一定的转化率所需的反应时间只取决于动力学因素，与反应器的大小无关，所以当Vr=2m3时，所需的反应时间仍为169.6min。3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应以生产乙二醇，产量为20kg/h。使用15%（质量）的NaHCO3水溶液及30%（质量）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，混合液的相对密度为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5.2L/(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。解：将方程式写成ABCDE，其中A、B、C分别代表氯乙醇、碳酸氢钠、乙二醇，已知氯乙醇、碳酸氢钠、乙二醇的相对分子质量分别为80.5，84和62，则乙二醇的摩尔流量为：200.3226kmol/h626由于氯乙醇和碳酸氢钠的转化量分别与乙二醇的生成量相等，由此求得氯乙醇水溶液和碳酸氢钠水溶液的质量流量氯乙醇水溶液的质量流量：0.322680.591.12kg/h0.30.95碳酸氢钠水溶液的质量流量：0.322684190.16kg/h0.150.95混合液的体积流量091.12190.16275.8L/h1.02Q氯乙醇的初始浓度：A00.322610001.23mol/L0.95275.8c由于反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，则B0A01.23mol/Lcc，AB1，则ABccAfAfAfAfAfAfAfAfAAAAA0A0A0A020000AAABAAAA022200A0A0AAA20A0A0A0AAfA0Afdddd5.25.2dd15.25.211d11115.25.21110.952.95.215.21.2310.95XXXXXXXXXXXXtccccrcccXXcccXXXccXXXcX7h00.5ht，则反应器的有效体积r00275.82.970.5957LVQtt(2)若装填系数0.75f，则反应器的实际体积r9571276L0.75VVf3.9在间歇反应器中等温进行下列液相均相反应：ABRRA1.6rckmol/(m3h)2AD2DA8.2rckmol/(m3h)Rr和Dr分别为产物D和R的生成速率。反应用的原料为A与B的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m3。7（1）计算A的转化率达到95%时所需的反应时间。（2）A的转化率为95%时，R的收率是多少？（3）若反应温度不变，要求D的收率达到70%，能否办到？（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)的反应时间相等，A的转化率是否可达到95？（5）在全混反应器操作时，A的转化率如仍要求达到95%，其他条件不变，R的收率是多少？解：（1）M2RDAAjjRDAAj=1221.616.411rrrrrccAfAfAfAfAfAfAAAA0A0A0222000AAAA0AA0AAA200AAA0AA0AAddd1.616.41.6116.41dd1.61120.511.6116.411120.5d1.61120.511120.51.6112XXXXXAXAXXXtccccccXcXXXXXXcXXXXXAf00.950.95000.950.95A00d10.51d11120.5d11.611.6120.5111ln1ln120.511.61.60.396hXAAAAAAAXXXXXXXX(2)RARA2AAAAA0AA1.61111.616.4110.25110.251120.51.cSccccXX8Af0.950.95PfAAA000AA0.95A0111ddd120.51120.5120.5120.511ln120.5111.52%20.5XYSXXXXXX(3)AfAfAf2A0AADAADA2AAAAA0AAAADfAAA000AA0.95AA0A10.25120.518.210.2521.616.4110.25110.251120.51.20.5120.51ddd120.51120.51120.511d120.51120.XXXcXXccSccccXXXXYSXXXXXXXX0.95AA0AA0.950.95AA00511d120.51120.511ln120.5120.583.48%70%XXXXXX(4)对全混流反应器，若0.396ht0A0AfA0AfA0Afr22200AAAA0AfA0AfAf2AfA0AfAf1.616.41.6116.410.396h1.6116.4177.84%95%QcXcXcXVQQcccXcXXXcXX(5)在全混流反应器中，若Af0.95%XRf0AfAfAfA10.9546.9%120.51120.510.95YSXSXXX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2AB，2AA68rc，kmol/(m3h)BR，RB14rc，kmol/(m3h)进料中组分A的浓度为0.