(筛选)第四章作业答案

1第四章化学反应工程的基本原理4-2在一定条件下，SO2催化制取SO3的反应式为：已知反应器入口处SO2的浓度是7.15%（摩尔分数，下同），出口物料中含SO20.48%,求SO2的转化率。解：5.02)21(2A∵AAAAAAxyxyy0,0,1)1(∴%5.93%48.05.01%15.7%48.01110,AAAAAyyyx4-3已知700℃、3105Pa（绝压）下的反应：C4H10→2C2H4+H2（A）（B）反应开始时C4H10为116kg。求当反应完成50%时，cA、pA、yA、cB各为多少？解：依题意yA,0=1，xA=50%21112AcA,0=pA.0RT=31058.314(700+273)=37.09kmol·m-3cA=cA.0(1-xA)1+AyA.oxA=37.09(1-50%)1+2150%=9.27kmol·m-3pA=pA.0(1-xA)1+AyA.oxA=3105(1-50%)1+2150%=7.5104PayA=yA.0(1-xA)1+AyA.oxA=1(1-50%)1+2150%=0.254-4乙醇在装有氧化铝催化剂的固定床反应器中脱水，生成乙烯：C2H5OH→C2H4+H2O测得每次投料0.50kg乙醇，可得0.26kg乙烯，剩余0.03kg乙醇未反应。求乙醇转化率、乙烯的产率和选择性。解：乙醇总消耗量=0.50-0.03=0.47kg其转化率xA=0.470.50100%=94%设生成0.26kg乙烯需乙醇akga=0.264628=0.427kg乙烯的选择性Sp=0.4270.47=0.9092乙烯的收率Yp=Sp·xA=0.9090.94=0.8544-5在间歇操作搅拌釜中用醋酸和丁醇反应生产醋酸丁酯，反应式为：CH3COOH+C4H9OH42SOHCH3COOC4H9+H2O（A）(B)（R）（S）已知反应在100℃下进行，动力学方程为(-rA)=2.910-7cA2mol·m-3·s-1。反应物配比为丁醇:醋酸＝4.972:1（摩尔比），每天生产醋酸丁酯2400kg（忽略分离损失），辅助生产时间为30min，混合物的密度视为常数。等于750kg·m-3，试求当醋酸的转化率为50％时所需反应器的体积大小（装料系数取0.7）。解：MA=60MB=74MR=116cA,0=14.97274+160750=1.753kmol·m-3=1753mol·m-3qn,A,0=2400241160.5=1.724kmol·h-1=1.724103mol·m-3qV,0=qn.a.0cA.0=1.7241.753=0.9835m3·h-1fAfAxAAAAxAAArxkcdxcrdxct,,0220,0,00,)1()(min78.321967111753109.215.007sxAV=qV,0(tr+t/)=0.9835(32.78+30)160=1.03m3VR=1.030.7=1.47m34-6某气相一级反应A→3R，反应速度常数k=8.33×10-3s-1，在间歇反应器中进行，初始条件为纯A，总压为101325Pa。问1min后反应器总压为多少？解：依题意A=3-11=2yA,0=1（1）求在间歇反应器中反应1min后的xA，ffAfAxAAAAAAxAAArrxydxVnrVdxnt,,00,0,00,))(1()(fAfAxAxAAAAAAAAAAxkxyxckxydxc,,000,0,0,0,11ln1)1()1()1(160=18.3311110-3ln11-xA.fxA,f=0.3933（2）在保持反应器体积不变、等温下的变容反应：nn0=PP0∴P=P0·nn0=P0n0(1+AyA.0xA)n0=101325(1+210.393)=1.81105Pa4-9在全混流反应器中进行等温反应A→B，测得反应速率(-rA)与cA的关系如下：cA,f(kmol·m-3)123456810(-rA)(kmol·m-3·min-1)12344.74.955（1）若要达到xA,f=80％，反应器体积为0.25m3，cA,0=10kmol·m-3，求进料体积流量。（2）若要达到xA,f=80％，cA,0=15kmol·m-3，qV,0=1m3·min1，求反应器体积。（3）若反应器体积为3m3，qV,0=1m3·min-1，cA,0=8kmol·m-3，求反应器出口反应物A的浓度。解：（1）当cA,f=cA,0（1-xA,f）=10(1-0.8)=2kmol·m-3(-rA)=2kmol·m-3·min-1∵VqV.0=cA.0xA.f(-rA)f∴qV,0=V(-rA)cA.0xA.f=0.252100.8=0.0625m3（2）cA,f=cA,0（1-xA,f）=15(1-0.8)=3kmol·m-3）(-rA)=3kmol·m-3·min-1V=qV,0·cA.0xA.f(-rA)f=1150.83=4m3（3）=VqV.0=cA.0-cA.f(-rA)f即31=8-cA.f(-rA)f依据表中数据，可知当cA,f=2kmol·m-3时，(-rA)=2kmol·m-3·min-1，与等式吻合。4-11高温下二氧化氮的分解为二级不可逆反应，2NO2===2NO+O2现将纯NO2在101325Pa和627.2K下于活塞流反应器中等温分解。已知k=1.7m3·(kmol·s)-1，气体处理量为120m3·h-1（标态），若NO2分解率为70％。求下列两种情况下所需反应体积：（1）不考虑体积变化；（2）考虑体积变化。解：cA,0=pA.0RT=101.3258.314627.2=0.0194kmol·m-3（1）不考虑体积变化，按等容过程处理fAfAxAAAAxAAAxkcdxcrdxc,,0220,0,00,)1()(=1kcA.0·xA.f1-xA.f=11.70.01940.71-0.7=70.75s=0.0197hqV,0=120627.2273=275.7m3·h-14V=qV,0=275.70.0197=5.42m3（2）考虑体积变化，为非等容过程2NO2===2NO+O2A=2+1-22=0.5yA,0=1AyA,0=0.5fAfAxAAAAAxAAAxxkcdxcrdxc,,02220,0,00,)5.01()1()(AxAAAdxxxkcfA,0220,)1()5.01(1=11.70.0194[1.5ln(1-xA,f)+21-xA.f-2+0.25xA.f21-xA.f+0.5xA.f]=109.73s=0.0305h4-13根据题4-5给出的反应条件和产量，用活塞流反应器生产醋酸丁酯，试求所需反应器的有效体积。并根据题4-5、4-8和本题计算结果，试比较在相同操作条件下，所需三种反应器体积大小顺序。解：（1）fAfAxAAAAxAAAxkcdxcrdxc,,0220,0,00,)1()(min78.321967111753109.215.007sxAV=0.983532.7860=0.54m3（2）根据计算结果可知，同一反应在相同条件下，达到同一转化率，所需反应器体积大小顺序为：CSTRIBRPFR4-14在活塞流反应器中进行二级等温液相反应：A+B→R(-rA)=1.9710-3cAcBkmol·m-3·min-1已知cA,0=cB,0=4kmol·m-3，反应物料的体积流量为0.171m3·h-1。试求下列各种情况所需反应器的有效容积为多少？（1）xA,f=80%；（2）上述条件不变，但要求xA,f=90%；（3）cA,0=cB,0=8kmol·m-3，xA,f=80%。解：fAfAxAAAAxAAAxkcdxcrdxc,,0220,0,00,)1()(fAfAAxxkc,,0,11（1）=11.9710-340.81-0.8=507.6minV=qV,0·=0.171507.6160=1.45m35（2）=11.9710-340.91-0.9=1142minV=qV,0·=0.1711142160=3.26m3（3）=11.9710-380.81-0.8=253.8minV=qV,0·=0.171253.8160=0.723m34-15已知某均相反应，反应速率为(-rA)=0.0174CA2（kmol·m-3·min-1），cA0=7.14kmol·m-3，物料密度恒定为750kg·m-3,加料速率为7.14×10-3m3·min-1，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？（1）串联两个0.25m3的全混流反应器；（2）一个0.25m3的全混流反应器，后串联一个0.25m3的活塞流反应器；（3）一个0.25m3的活塞流反应器，后串联一个0.25m3的全混流反应器；（4）串联两个0.25m3的活塞流反应器。解：（1）1=2=0.257.14×10-3=35.01min1=cA,0xA.1kcA.02(1-xA.1)2=1kcA.0·xA.1(1-xA.1)235.01=10.01747.14·xA.1(1-xA.1)2xA,1=62.19%2=cA,0xA.2-xA.1kcA.02(1-xA.2)2=1kcA.0·xA.2-xA.1(1-xA.2)235.01=10.01747.14·xA.2-0.6219(1-xA.2)2xA,2=79.85%（2）由（1）知，1=35.01min，xA,1=62191%2,2,2,6219.00,0220,0,00,2111)1()(AAAxAAxAAAAxAAAxkcxkcdxcrdxc35.01=10.01747.14（11-xA.2-11-0.6219错误！未定义书签。错误！未定义书签。）xA,2=85.7%（3）1=2=35.01min1,1,0220,0,00,1)1()(AAxAAAAxAAAxkcdxcrdxcfAfAAxxkc,,0,11xA,1=81.31%2=cA,0xA.2-xA.1kcA.02(1-xA.2)2=1kcA.0·xA.2-xA.1(1-xA.2)26xA,2=87.79%（4）由（3）知，xA,1=81.31%2,1,2,1,220,0,0,2)1()(AAAAxxAAAAxxAAAxkcdxcrdxc=1kcA.0·（11-xA.2-11-xA.1）35.01=10.01747.14（11-xA.2-11-0.8131）xA,2=89.69%可见对一级恒容反应，调换反应器顺序，不影响出口转化率。4-20设F(t)、E(t)分别为闭式流动反应器的停留时间分布函数及停留时间分布密度函数，已知反应器体积为4m3，物料体积流量为2m3·min-1。注：为对比时间，括号中数据为t。（1）如果该反应器为全混流反应器，试求：(a)F(2)(b)E(2)(c)F(1.8)(d)E(1.8)(e)E(2.2)（2）如果该反应器为活塞流反应器，试求：(a)F(2)(b)E(2)(c)E(1.8)(d)F(1.8)(e)E(2.2)（3）如果该反应器为一非理想流动反应器，试求：(a)F(0)(b)F(∞)(c)E(∞)(d)dttE0)((e)dtttE0)((e)dE0)(解：物料流经反应器的平均停留时间为min224t且恒容过程t（1）全混流反应器中：tetE1)(tetF1)((a)F(2)=0.632(b)E(2)=0.184min-1(c)F(1.8)=0.593(d)E(1.8)=0.20