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11绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算（1）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为·组分摩尔分率yi0摩尔数ni0(mol)CH3OH2/（2+4+1.3）=0.274027.40空气4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81总计1.000100.0设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：nA=nA0(1-XA)=7.672molnP=nA0YP=18.96molnC=nA0(XA-YP)=0.7672mol结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：nW=nW0+nP+2nC=38.30molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788molnN=nN0=43.28mol所以，反应器出口气体组成为：组分摩尔数（mol）摩尔分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.3922反应动力学基础2.4在等温下进行液相反应A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的转化率。解：由题中条件知是个等容反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得由（2.6）式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得XA=82.76%。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，AM是等温线，HB是等转化率线。根据下面两图回答：（1）（1）是可逆反应还是不可逆反应？（2）（2）是放热反应还是吸热反应？（3）（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？3（4）（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）（5）在C,R两点中，谁的速率大？（6）（6）根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？解：图2.1图2.2（1）可逆反应可逆反应（2）放热反应吸热反应(3)M点速率最大，A点速率最小M点速率最大，A点速率最小(4)O点速率最大，B点速率最小H点速率最大，B点速率最小(5)R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。2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为,如果不考虑逆反应，试问反应温度是550℃时的速率比反应温度是400℃时的速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。2.8常压下，在钒催化剂上进行SO2氧化反应，原料气组成为7%O2及82%N2。试计算转化率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为，化学计量数等于2，反应式为：其平衡常数与温度的关系为：该反应的热效应。解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：以100mol为基准xSO2O2SO3N2∑07.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-5.6×0.5=8.25.6082.097.24（2）求与上述组成对应的平衡常数KP值：(3)求平衡温度Te(4)利用（2.31）式求逆反应活化能值(5)利用（2.31）式求最佳温度TOP2.11在210℃等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为，若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa，采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？解：（1）恒容过程，其反应式可表示为：反应速率式表示为：设为理想气体，反应物A的初始浓度为：5亚硝酸乙脂的分解速率为：乙醇的生成速率为：（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化。由于反应物是纯A，故有：yA0=1。由（2.52）式可求得组分的瞬间浓度：乙醇的生成速率为：2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750℃等温下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1：4，若这个反应对各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试求：（1）（1）反应在恒容下进行，系统的初始总压为0.1013MPa，当反应器出口的CH4转化率为80%时，CO2和H2的生成速率是多少？（2）（2）反应在恒压下进行，其他条件如（1），CO2的生成速率又是多少？解：（1）由题意可将反应速率表示为：对于恒容过程，则有6当XA0=0.8时（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化反应物A的原始分率：由（2.52）式可求得转化率为80%时的浓度：2.13在473K等温及常压下进行气相反应：（1）（2）（3）式中CA为反应物A的浓度（mol/l），原料中A和惰性气体各为一半（体积比），试求当A的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：方法（1），先求出总摩尔变化数。首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：7总反应速率为：以一摩尔反应物A为基准，总摩尔变化数为：初始浓度为：则有方法（2），可将CA表示为：方法（3），利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性SR,SS,因而可求出产物R及S的收率yR,yS,求得A转化率为85%时的分率：8其中：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：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5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%。试问：（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（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）(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：以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO3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5.2l/mol.h，要求转化率达到95%。（1）（1）若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积；9（2）（2）若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。解：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每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）反应器的实际体积：3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：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？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A.103.8在一个体积为300l的反应器中86℃等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解：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0.08s-1,最终转化率达98.9%，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）苯酚浓度苯酚产量（2）全混流反应器苯酚产量（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。3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：11rD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/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：12（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0.4m3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=013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)14即解得CB1=0.005992kmol/m3同理解得CB2=0.00126kmol/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CB