化学反应工程作业习题八

2020/6/21习题八浙江工业大学化材学院刘华彦2020/6/22•P8-5A不可逆有机液相基元反应A+B→C，在流动反应器中绝热进行。A和B在27℃时等摩尔进料，且体积流率为2L/s。•（1）计算达到85%转化率时必需的PFR和CSTR反应器体积。•（2）完全转化时最高的入口温度为多少时才不至于超过液体的沸点（550K）？•（3）绘出作为PFR反应器体积函数的转化率和温度变化图（即距反应器入口的距离）2020/6/23•（4）计算在一个体积为500L的CSTR反应器中和在两个串联的250L的CSTR反应器中可达到的转化率。•（5）在1000E3000(cal/mol)之间改变活化能，在2000|ΔHRX|25000(cal/mol)之间改变反应热，研究对PFR反应器转化率分布的影响。•（6）讨论失控反应判据的应用。如果在Ta=300K时κ=3，你将用什么样的Tc值以防止失控？2020/6/24•（7）你认为这个问题的要点是什么？•（8）对这个反应，问另外一个问题或建议另一种计算。molcalEsmolLKkKmolcalCKmolcalCCmkmolCmolkcalHmolkcalHmolkcalHpApBpAACBA/10000);/(01.0)300()/(30);/(15/1.0;/41)273(/15)273(;/20)273(30000已知：2020/6/25（1）计算达到85%转化率时必需的PFR和CSTR反应器体积KTXXTTXKTyyCCCCmolcalHHHHTTCTHTTCXEBiABBApBpApCpBACRXRpRRXipiiEB470,85.0300200)6000()300(30300,1,10ˆ/6000)273()](ˆ)([)(~000000000能量衡算方程：2020/6/26LVsmolLrsmolLkKTXeeKkTkXkCCkCrrXFVCSTRCSTRATRETREABAAAACSTR9.174)/(1072.9)/(32.4,470,85.001.0)300()()1(:4)30011()30011(2200摩尔衡算方程2020/6/27LVrFrkTXXTXedXrdXFVTXrdVdXFPFRPFRAAATREXAAPFRAA6.363206146103163435200071.97.133.193.126.411032.442.321.134.0072.001.047046042038034030085.08.06.04.02.00.0300200)1(1.001.02.0),(0485.0022)30011(000采用梯形积分：摩尔衡算方程：2020/6/28（2）完全转化时最高的入口温度为多少时才不至于超过液体的沸点（550K）？KTKTXTXT350550,1200max,0max0（3）绘出作为PFR反应器体积函数的转化率和温度变化图（即距反应器入口的距离）5.4068.3549.3293.3035.243037114610316343520004804604203803403009.08.06.04.02.00.0,300200000VrFTXrdXFVXTAAXAAPFR01002003004000.00.20.40.60.81.0280300320340360380400420440460480XXV(m3)TT(K)2020/6/29（4）计算在一个体积为500L的CSTR反应器中和在两个串联的250L的CSTR反应器中可达到的转化率KTXLVeeKkTkXkCrXTrXFVCSTRTRETREAAAACSTR484,92.050001.0)300()()1(300200,:)30011()30011(2200单个2020/6/210KTXLVTXXTXXTrXXFVKTXLVeeKkTkXkCrXTrXFVCSTRAACSTRTRETREAAAACSTR6.493,9687.0502)(200)(200)(476,8808.050201.0)300()()1(300200,:222111121202111)30011()30011(2201101第二釜：第一釜：串联两个2020/6/211（6）讨论失控反应判据的应用。如果在Ta=300K时κ=3，你将用什么样的Tc值以防止失控？KTTTKTTTERTTTacc4.32010987.1300300313003300142022020/6/212P8-6不可逆气相基元反应A→B+C•在装填有催化剂的PFR反应器中绝热进行。纯A组分以20L/s的体积流率，在压力为10atm且温度为450K条件下进入反应器。molkJEscatkgLTREkKmolkJHmolkJHmolkJHKmolJCKmolJCKmolJCCBApCpBpA/4.31)]14501(exp[133.0273/50/50/70)/(15)/(25)/(40:000及。均为所有生成热的参考温度已知2020/6/213•（1）绘出转化率和温度沿活塞流反应器直至达到80%的转化率（如果可能）的变化图。（PFR反应器催化剂最大装填量为50kg）。假设Δp=0.0。)]14501(8.3776exp[133.0)]14501(exp[133.08.3776314.831400,11121/42.5271.020/271.0450082.01011)1(1)1('''PBR000000000000000TTREkREysmolCvFLmolRTpyCTTXXCCppTTXXCCkCrFrdmdXrdmdXFAAAAAAAAAAAAAAA不考虑压降化学计量学：反应动力学：摩尔衡算：2020/6/214求解。采用绝热、无功：能量衡算：polymathXXTKTKTKmolJCCCCCCmolkJHHHKHCXTTCTHTTTTCTHXFTTCFWQRpApiipApCpBpACBRXpiiRpRRXRpRRXApiiAOS50045040)1020(450273450)/(40~0401525ˆ/20)70()40()50()273(~)](ˆ)([0)(ˆ)()(~300000000002020/6/215•d(X)/d(m)=rA/FA0•T=450+500*X•rA=k*CA•CA=CA0*(1-X)/(1+X)*450/T•k=0.133*exp(3776.8*(1/450-1/T))•CA0=0.271•FA0=5.42•m(0)=0•m(f)=50•X(0)=0要求解的方程参数计算方法边界条件或初始值2020/6/216CalculatedvaluesofDEQvariablesVariableInitialvalueMinimalvalueMaximalvalueFinalvalue1m0050.50.2X000.90611830.90611833T450.450.903.0591903.05914CA00.2710.2710.2710.2715CA0.2710.00665120.2710.00665126k0.1330.1338.9643348.9643347rA0.0360430.0360430.1567230.05962328FA05.425.425.425.422020/6/2172020/6/218•（2）在CSTR反应器中要达到80%的转化率必须的催化剂质量为多少？kgmskgmolrskgLTksmolFLmolCTTXXCkkCrKTXTrXFmAAAAAAXAA4.39110.08.042.5110.08504508.01)8.01(271.0905.6'905.6)]85014501(8.3776exp[133.0)]14501(8.3776exp[133.0/42.5/271.01)1('850500450'CSTR00008.00催化剂质量：反应动力学：能量衡算：摩尔衡算：2020/6/219关系：先降后升1~Xr'A2020/6/220P8-13A在串联的带有级间冷却的多级填充床反应器中进行A+B=C+D•求其绝热平衡转化率•反应物料可以被冷却到的最低温度为27℃。•A和B等摩尔进料并每个反应器中的催化剂质量足以使其达到平衡转化率的99.9%。•进料温度为27且反应绝热进行。•如果有4个反应器和3个冷却器可供利用，可以达到多高的转化率？•已知：min/10500000)50()(25/3000000molFCKKmolcalCCCCAmolcalHACpDpCpBpARX2020/6/221)(.1CDCBAAKCCCCkr速率方程：CCeAeAKCCr0.2化学平衡：XCCCXCCCvvADCABA000)1(3.化学计量学：)(1)()1(00TKTKXKXCXCCCeCeAeA平衡转化率：2020/6/222)]13231(987.130000exp[500000)(0.4TTKCCCCCCpBpApDpCp平衡常数：)]13231(987.130000exp[5000001)]13231(987.130000exp[500000.5TTXe衡转化率：计算作为温度函数的平2020/6/223600/)300(30000)300)(2525()()(~.600TTXHTTCCHTTCXEBRXpBpARXpiiEB）（绝热反应器热量衡算：对于300K进料温度，绝热平衡温度为474.3K，相应的绝热平衡转化率为0.2904可采用Polymath求解2020/6/224KXTXXKTXeee474600300290.0999.03.4742904.0.711111出口温度：出口转化率：绝热平衡温度绝热平衡转化率第一绝热段：KXTXXKTXeee445)290.0(600300532.0999.06.4455327.0.822222出口温度：出口转化率：绝热平衡温度绝热平衡转化率第二绝热段：2020/6/225KXTXXKTXeee423)532.0(600300736.0999.01.4237372.0.923333出口温度：出口转化率：绝热平衡温度绝热平衡转化率第三绝热段：KXTXXKTXeee397)736.0(600300898.0999.05.3978985.0.1024434出口温度：出口转化率：绝热平衡温度绝热平衡转化率第四绝热段：2020/6/2263003504004505000.00.20.40.60.81.0X/-T/KX~TXe~T2020/6/227•P8-22A在CSTR反应器中进行可逆基元反应A↔B•在同一图上绘出发热曲线和移热曲线•(1)存在多少个多定态？•(2)改变气温Ta(冬季-夏季)对多定态有什么影响？molkJEsKkCTKmolJCCCTLmolCLVsKJUAsmolFAmolkJHpBpAaAARX/150,001.0)373(,27)/(40,40/2,500),/(2000/10,/8010000