李绍芬版反应工程第二版完整答案(12)

3．19 根据习题3.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作。试问：

（1） （1） 在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少？为什么？ （2）若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变，所需空时为多少？能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时?

（3）若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为（2）中单釜操作时平均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率。

解：（1）在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,则可求出空时为τ=4512/57.84=78min。此即间歇操作时的(t+t0)。当改为连续操作时，转化率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。因Q0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。 （2）若维持XA=0.72，则可由3.3题中的数据得出XA=0.72时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空时τ=246.2min。因题意要求丙酸产量不变，故Q0不能变，必须将反应器体积增大至14240 l才行。

（3）这时τ1=τ/3=82.1min。利用3.3题中的数据，可求出RA～XA之关系，列表如下： XA 0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 -RA 0.1719 0.1391 0.1096 0.06016 0.02363 0 故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第三釜出口丙酸钠的转化率为：XA3=0.787。

3．20 根据习题3.8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为98.9%，如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的转化率时，生产能力各增加多少？

解：（1）二个300 l全混串联釜，XA2=0.989，

Vr1?Q0XA1?300k(1?XA1) （1）

Q0(XA2?XA1)Vr2??300k(1?XA2) （2）

解得：XA1=0.8951

代入（1）式求出此系统的体积流量：

Q0,2?3.8题中已算出。因为最终转化率相同，故生产能力增加168.7/16.02=10.53倍。

（2）二个300l釜并联，在最终转化率相同时，Q0增加一倍，生产能力也增加一倍。

3．21 在反应体积为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应，进料体积流量为0.05 m3/min,醋酐浓度为0.22kmol/ m3,温度为25℃,出料温度为36℃，该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：

-7-1

k=1.8×10 exp(-5526/T),min

反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m3,热容可按2.94kJ/kg.℃计算。该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算： (1) (1) 反应器出口物料中醋酐的浓度；

(2) (2) 单位时间内反应器向大气散出的热量。

解：

300?0.08(1?0.8951)?2.812l/s?168.7l/min0.8951 Q0,1?16.02l/minT0?298K,T?309K,Q0?0.05m3/min?Hr??209?103kJ/kmolk?1.8?107exp(?5526/309)?0.308（1） （1） 求转化率：

Vr?Q0XAfk(1?XAf)?0.05XAf0.308(1?XAf)?0.75

解得:XAf=0.8221

反应器出口物料中醋酐浓度：

（2）单位时间内反应器向大气散出的热量：

CA?CA0(1?XA)?0.22(1?0.8221)?0.03914kmol/m3

Q'?Q0?Cpt(T?T0)?(?Hr)(?RA)Vr?0.05?1050?2.94(309?298)?(?209?103)0.308?0.22(1?0.8221)0.75??191kJ/min 3．22 在反应体积为1 m的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：

该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷的最终转化率为90%。

（1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h,则丙二醇-1，2的日产量是多少？ （2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？

（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？

3

H2COCHCH3?H2O?H2COHCHOHCH3

3?1V?1m,r?kC,k?0.98h,CA0?2.1kmol/l,XA?0.9 AA解：r（1） （1） 一级不可逆反应：

t?1111ln?ln?2.35hk1?XAf0.981?0.93

Vr?Q0(t?t0)?Q0(2.35?0.65)?1所以Q0=0.109m/h

3CX?2.1?0.9?1.89kmol/mA0A丙二醇的浓度=

丙二醇的产量=1.89?1/3?0.63kmol/h?15.15kmol/日

(2) 采用定态下连续操作

Vr?Q0XAfk(1?XAf)?所以Q0=0.109m3/h

Q0?0.9?10.98(1?0.9)

丙二醇的产量=0.109?1.89?0.2058kmol/h?4.939kmol/日

（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。

3．23 根据习题3.11所规定的反应和数据，并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1.02g/cm3,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随温度的变化，且为-2231kJ/kg乌洛托品，反应物料入口温度为25℃。问： （1） （1） 绝热温升是多少？若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温

度为多少？

（2） （2） 在100℃下等温操作，换热速率为多少？ 解：CA0?2.03mol/l,??1.02kg/l

(??Hr)?2231kJ/kg(乌洛托品）?312.3kJ/mol(乌洛托品）???????????????78.09kJ/mol(氨）Cpt?4.186kJ/kg.KC(??Hr)2.03?78.09??A0??37.13K1.02?4.186?Cpt（1）绝热升温：

由物料衡算式（见3.11解答）：

??XA32??1.42?10exp(?3090/T)(1?X)(3.16?3.045X)AA??由热量衡算式得：T=298+37.13XA。

联立求解可得：XA=0.8578>0.8，T=329.9K 可见，绝热操作时转化率可以达到80%。

（2）T0=298K,在T=373K下等温操作，由物料衡算式可求出转化率：

430XA???323??1.42?10exp(?3090/373)(1?X)(3.16?3.045X)AA??所以有：XA=0.9052