李绍芬版反应工程第二版完整答案(15)

4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:

2CHClF2(g)?C2F4(g)?2HCl(g)

流量为2kmol/h的纯CHClF2气体先在预热器预热至700℃，然后在一活塞流反应器中700℃等温下反应。在预热器中CHClF2已部分转化，转化率为20%。若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s，当出口处CHClF2的转化率为40.8%时，出口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为1.013×105Pa，700℃时的反应速率常数等于0.97s-1。若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？

解：反应历程如下图所示：

反应器 预热器 温度 T0 Tin Tf=TiN 线速度 u0 uin uf 转化率 XA0=0 XA,in XA,f 该反应为变容过程，其中yA0?1,?A?1/2， 2A?B?2C''FA0?FA0(1?XA0)?2(1?0.20)?1.6'FB0???B1FA0X'A0?*2*0.2?0.2?A2'FC0?0.4?Ft'0?2.2FAf?FA0(1?XAf)?2(1?0.408)?1.184FBf???B1FA0XAf?*2*0.408?0.408?A2FCf?2*0.408?0.816?Ft?2.408ufu'0?FtFt'0?2.408?1.09452.2uf?1.0945*20?21.89m/s

由（2.50）式知：

由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度：

Q?Q0(1?yA0?AXA) u?u0(1?yA0?AXA)

u0?uin(1?yA0?AXA,in)TinT0?T020?18.18m/s1?0.5?0.20Tin

其出口处气体线速度为：

uj?u0(1?yA0?AXA)TjT0?18.18(1?0.5?0.408)?21.89m/s

由设计方程计算出反应器长度：

XAfLdXA?Vr/Qin?CA,in?01?XAuinkCA,in1?0.5XA

那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率XAf。据XA=FA0-FA/FA0，可求出FA,in=1.6kmol/h,FAf=1.184kmol/h,所以，XAf=(1.6-1.184)/1.6=0.26。因而有：

?0.2620uin?1L??0.5XA??(0.452?0.13)?6.63m?(1?0.5)lnk?1?XA0.97?0

这是由于反应器的截面积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此，

当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积相应增加。

4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：

A?B?R,rR?k1CACB22A?S,rS?k2CA目的产物为R，且R与B极难分离。试问： （1） （1） 在原料配比上有何要求？

（2） （2） 若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？ （3） （3） 如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式？

解：对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或选择性最大，根据动力学特征，其瞬时选择性为：

S?由此式可知要使S最大，CA越小越好，而CB越大越好，而题意又给出R与B极难分离，故又要求CB不能太大，兼顾二者要求：

（1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。

（2）若采用PFR，应采用如图所示的加料方式，即A组分沿轴向侧线分段进料，而B则在入口处进料。

（3）如用半间歇反应器，应采取B一次全部加入，然后慢慢加入A组分，直到达到要求的转化率为止。

4.8在管式反应器中400℃等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的活化能等于39.77kJ/mol。现拟在反应器大小，原料组成及出口转化率均保持不变的前提下（采用等温操作），增产35%，请你拟定一具体措施（定量说明）。设气体在反应器内呈活塞流。

解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：

11?2k2CA/k1CB

Vr/Q0?CA0?XA0可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与k有关，所以，提高反应温度可使其增产。具体值为:

dXAkf(XA)

397708.314T2Q02/Q01?k2/k1?AeAe?

解此式可得：T2=702.7K。即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%。

4.9根据习题3.8所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算苯酚的产量，并比较不同类型反应器的计算结果。 解：用活塞流反应器：

?397708.314?673?1?0.35?1.351Vr/Q0?CA0?XA0将已知数据代入得：

dXA11?lnkCA0(1?XA)k1?XA

0.311?lnQ00.081?0.989

3Q?0.319m/min，所以苯酚产量为： 解得：0FA0XA?Q0CA0XA?0.319?3.2?0.989?1.01kmol/min

由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量，也大于间歇式反应器的产量。但间歇式反应器若不计辅助时间，其产量与PFR的产量相同（当然要在相同条件下比较）。

4.10根据习题3.9所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，反应温度和原料组成均保持不变，而空时与习题3.9（1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%？R的收率是多少？

解：对于恒容过程，活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同，所以A的转化率是可以达到95%的。R的收率与间歇反应器时的收率也相同，前已算出收率为11.52%。

4.11根据习题3.14所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：（1）所需的反应体积；（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？

解：（1）用PFR时所需的反应体积：

?????????????1.09?94kg/min?94.99kg/minVr?Q0CA0?XA0?0.5Q0CAdXA?0.50??(1?X)?1?A1.51.5??kCA0(1?XA)0.5k1.5?2000?0.5?0.53???(1?0.95)?1?1.47m?0.5?0.1581?（2）若用两个PFR串联，其总反应体积与（1）相同。

4.12在管式反应器中进行气相基元反应：A?B?C，加入物料A为气相，

B为液体，产物C为气体。B在管的下部，气相为B所饱和，反应在气相中进行。 已知操作压力为1.013×105Pa，B的饱和蒸汽压为2.532×104Pa，反应温度340℃，反应速率常数为102m3/mol.min，计算A的转化率达50%时，A的转化速率。如A的流量为0.1m3/min，反应体积是多少？

解：此反应为气相反应，从化学计量方程式看，是变容反应过程，但气相中pB为常数，故可看成恒容过程。假定为理想气体，其中：

pB?2.532?104Pa,k?100m3/mol.min?105m3/kmol.minpA0?(1.013?0.2532)?105Pa,pA?pA0(1?XA)pB?2.532?104/(8.314?103?613)?4.97?10?3kmol/m3RTpA0.7598?105(1?XA)CA???0.0149?(1?XA)3RT8.314?10?613 CB?RA?kCACB?105?4.97?10?3?0.0149?(1?0.5)?3.7kmol/m3.min33Q?0.1m/minQ?0.1?0.2532/0.7598?0.033m/min 当0A时，0B3Q?Q?Q?0.133m/min 0A0B所以，0当XA=50%时，A的转化速率为：

此时所需反应体积为：

Vr?Q0CA0??XA0Q0dXA?kCACBkCB?XA0dXA1?XA

4.13在一活塞流反应器中进行下列反应：

0.1331?43ln?1.85?10m?0.185l?354.97?10?101?0.5

k1k2A???P???Q

两反应均为一级，反应温度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。A的进料流量为3m3/h,

其中不含P和Q，试计算P的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应体积。

解：对一级连串反应可得如下关系是：

YP?1?(1?XA)k2/k1?(1?XA)??1?k2/k1? (A)

若求最高收率，即令：

?YP/?XA?0，可得到：

(XA)m?1?(k2/k1)(YP)max?

11?k2/k1将(XA)m代入（A）式得最高收率：

0.1?1?()1?0.1/0.3?0.80760.3

1P的总选择性：

10.1/0.3?(1?0.8076)?(1?0.8076)??57.84%??1?0.1/0.3

S0?达到最大收率时的反应体积为：

(YP)max0.5784??71.62(XA) …… 此处隐藏：2647字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……