李绍芬版反应工程第二版完整答案(8)

k1CB 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.

3.8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）

2?ArRk1CACB1S???22?BRAk1CACB?2k2CACB1?2k2CAC6H5C(CH3)2COH?CH3COCH3?C6H5OH

t?CA0??XAf0XAfdXAdXA11?CA0??ln0(?RA)kA0CA0(1?XA)k1?XA11ln?56.37s?0.94min0.81?0.989Vr?Q0(t?t0)?Q0(0.94?15)?300lQ0?300/15.94?18.82l/min

C?CA0XA?3.2?0.989?3.165mol/l

苯酚浓度苯酚苯酚产量0苯酚（2）全混流反应器

QC?18.82?3.165?59.56mol/min?335.9kg/h

?Q0XAfk(1?XAf)Vr?Q0?Q0CA0XAfkCA0(1?XAf)Vrk(1?XAf)300?0.08(1?0.989)?0.2669l/s?16.02l/minXAf0.989

QC?16.02?3.2?0.989?50.69mol/min?285.9kg/h

苯酚产量0苯酚?（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：

A?B?R2A?DrR?1.6CAkmol/m3.h2rD?8.2CAkmol/m3.h

rD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)

SR?(dCRdC?dCR1.6CA1)/(?A)???2dtdtdCA1.6CA?16.4CA1?10.25CACA0.1CA?CA0(1?XA)?2(1?0.95)?0.1kmol/m3CR??CA0?SRdCA??2112??ln(1?10.25CA)0.11?10.25CA10.25?0.2305kmol/m3CR0.2305YR???0.1153CA02

(3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时选择性为：

SD?D的收率：

2?8.2CA32.8(1?XA)?1.6?16.4CA34.4?32.8XA

XAfYD??0SDdXA??0.950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

32.8(1?XA)dXA?0.8348?0.734.4?32.8XA

0.3958?解之得：CA=0.4433

CA0?CA21.6CA?16.4CA

XA?所以：

这说明在这种情况下转化率达不到95%。

（5） （5） 对全混流反应器，若X=0.95,则R的收率为：

CA0?CA?0.7784?0.95CA0

YR?SXAf?XAf1?10.25CA0(1?XAf)?（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：

0.95?0.46911?10.25?2(1?0.95)

d(VCA)2?(1.6CA?16.4CA)V?Q0CA0dt对A: （1）

对R:

d(VCR)?1.6CAV?0dt （2） V?V0?Q0t （3）

在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t ≈0.4h）内将0.4 m3的A均速加入反

V0?1m3

0.4Q0??1m3/h0.4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

33V?1m,V?0.4mA歇釜操作，且B，故可算出原料A的浓度为：

(1?0.4)?2CA0?kmol/m30.4

由于：

代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：

d(VCA)dVdCA?CA?Vdtdtdtd(VCR)dVdCR?CR?VdtdtdtdV?Q0dt

dCA7?CA2??1.6CA?16.4CAdt1?t （4） dCRC?1.6CA?Rdt1?t （5）

初始条件：t=0,CA=0,CR=0

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：

XA?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。

NA0?NACA0VA?CAV?NA0CA0VA

YR?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：

CRVCA0VA

2A?BB?R2rA?68CAkmol/m3.h加料中组分A的浓度为0.2kmol/m,流量为4m/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）

rR?14CBkmol/m3.h

33

Q0CA0XA1Q0CA0(XA2?XA1)Vr?Vr1?Vr2??2222k1CA0(1?XA1)k2CA(1?X)0A2

1?XA11??02对上式求dVr/dXA1=0可得：1?XA1(1?XA2)

3100(1?X)?1?XA1 A1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

Vr?Vr1?Vr2?(2)

4?0.7410.9?0.741?3??3.249?4.676?7.925m22?68?0.2?(1?0.741)(1?0.9)??

2RB?34CA?14CBCA1?CA0(1?XAf)?0.05182RB1?34CA1?14CB1?0.09123?14CB1Vr1CB1?CB0?Q0RB13.249CB1?0.09123?14CB1 即4?1? …… 此处隐藏：1423字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……