化学反应工程习题解答-第五版

习题１－１：银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气＝2：4：1.3。反应后甲醇转化率为72％，甲醛的收率为69.2％。试计算：（１）选择率；（２）出口组成。解：（１）69.2%96.1%72%YSx(2)设原料中甲醇、空气、水蒸气的物质的量分别是2mol、4mol和1.3mol.则生成甲醛所耗的甲醇的物质的量为2×0.692=1.384mol副反应消耗的甲醇为:2×0.72-1.384=0.056mol由反应计量方程式可知:n（H2O）=1.3+1.384+2×0.056=2.796（mol）n（CO2）=0.056mol;n(HCHO)=1.384moln(CH3OH)=2×(1-0.72)=0.56（mol）n(O2)=4×0.21-1.384×0.5-0.056×1.5=0.064（mol）n(N2等)=4×0.79=3.16（mol）则总的物质量为n=0.56+0.064+1.384+2.796+0.056＋3.16=8.02（mol）y(CH3OH)=0.56/8.02=6.98%y(O2)=0.064/8.02=0.80%y(HCHO)=1.384/8.02=17.26%y(H2O)=2.796/8.02=34.86%y(CO2)=0.056/8.02=0.70%y(N2)=3.16/8.02=39.40%习题1—６：丁烯制丁二烯48462CHCHH，已知反应的步骤为4848484624646()()()()()()()()()ACHCHBCHCHHCCHCH（１）请分别导出（A）（C）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。（２）请分别导出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程,若反应物和产物的吸附都很弱，问此时反应对丁烯是几级反应？解：记A=C4H8B=C4H6C=H2(A)为控制步骤：00BCBCAABCBC(1)1(2)11(3)(4)1AAAAaAdAaAAdAAAAABBABBppaAAdAApAABBprrrkpkbpbpbpbpbpppppKppKppkpkbKrppbbpK＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝＋＋(C)为控制步骤00**ACBCABCAC(1)1(2)11(3)(4)1BBBdBaBdBBaBBBBAABBAABpBpApdBBaBApAABrrrkkpbpbpbpbpbpKpppKpppKpkbkpprKpbpbp＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝＋＋（B）''1AABBcAABcAABBkbpkbpprkkpbpbp的情况，当反应物和产物的吸附都很弱时，即11AABBbpbp故'AAABBcrkbpkbpp可见，反应对于A为一级。2-5.乙烯直接水和制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃，7.09Mpa下，k=0.09s-1，Deff=7.04×10-4cm2/s，采用直径与高为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。解:对于一级不可逆反应,颗粒催化剂的内扩散有效因子与颗粒的几何形状无关,一律可按球形计算,此时φ=VpSpKvDeff。VpSp=22.222.2RRRRR=3R∴=3RKvDeff=0.53-40.097.0410=0.942ξ=111(3)3th=1110.492(30.942)30.492th=0.69∴内扩散因子为0.692-6某催化剂在500℃下进行，已知本征反应速率rA=7.696×10-52Apmol/（g·s），（式中Ap的符号为MPa），催化剂为5mm×5mm园柱体，p=0.8g/cm3，颗粒外表面A的分压A=0.101325MPa，粒内组分A的有效扩散系数effD=0.025cm2/s。求催化剂的内扩散有效因子。解：Ar=7.696×10-52Apmol/（g·s），AV=nRTA=nRTV=ACRT∴rA=7.696×10-17(RT)22ACmol/（g·s）∴WK=7.696×10-17(RT)26m/(g·mol·s)VK=WK·p=7.696×10-17（RT）2×0.8×1063m/mol·s根据Kjaer近似解，=1npVAspeffVKnCSD=23AWeffPKRRTD=3176642.5107.696100.80.1013252101030.02510RT=0.1493∴ξ=111(3)3th=0.993-2在等温间歇反应器中进行皂化反应325325CHCOOCHNaOHCHCHCOONaCHOH该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数为5.6L/（min·mol），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为31m、32m时，所需的反应时间是多少？解：ABCDAABrkCC设A的转化率为Ax，B的转化率为Bx000AAAAAAnnnxnn000BBBBBBnnnxnn∵00ABnn，ABnn，∴ABCCt=00AfxAAadxCr=020AfxAAAdxCkC=01(1)AAfkCx-01AkC=169.6mint与反应体积无关。∴31m、所需反应时间均为169.6min3-3在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？解：对于平推流反应器：1ln1Afkx0Bvv对于全混流反应器：''1AfAfxkx0Rvv∴1ln1Afx='1AfAfxx=2.3∴'Afx=0.6973-6已知某均相反应，反应速率2,17.4AArkCkml/（mol﹒min），物料密度恒定为0.75g/ml，加料流量为7.14L/min，0AC=7.14mol/L，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？(1)串联两个体积0.253m的全混流反应器。（2）一个0.253m的全混流反应器，后接一个0.253m的平推流反应器。（3）一个0.253m的平推流反应器，后接一个0.253m的全混流反应器。（4）两个0.253m的平推流反应器串联。解：（1）0Rvv=30.251027.14=35mm，设转化率为12,ffxx12011(1)fAfxkCx121(1)ffxx=4.351fx=0.622∴101(1)AAfCCx=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L22221221(1)(1)ffAffxxkCxx=1.64∴20.467fx12(1)AfAfCCx=1.44∴0(1)0.80AfAAfAfCCxx（2）00.2510007.14RVV=35min12011(1)fAfxkCx121(1)ffxx=4.351fx=0.622∴101(1)AAfCCx=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L2212211.64(1)(1)ffAffxxkCxx∴20.62fx12(1)AfAfCCx=2.7×（1-0.62）=1.026∵0(1)AfAAfCCx∴0.856Afx（3）00.2510007.14Rvv=35min1011(1)fAfxkCx1fx=0.813∴101(1)AAfCCx=7.14×(1-0.813)=1.3422121(1)fAfxkCx222(1)ffxx=0.816∴2fx=0.347∴12(1)AfAfCCx=1.34×（1-0.347）=0.875∵0(1)AfAAfCCx∴0.877Afx（4）35min1011(1)fAfxkCx1fx=0.813101(1)AAfCCx=1.342121(1)fAfxkCx2fx0.449∴12(1)AfAfcCx=1.34×（1-0.449）=0.738∵0(1)AfAAfCCx0.897Afx3-7液相自催化反应A→P,反应速率23,10/()AAprkcckmkmols，进料体积流量300.002/,Vms进料浓度3002/,0.01Apckmolmc。问当Ax=0.98时，下列各种情况下的反应器体积。(1)单个平推流反应器；（2）单个全混流反应器；（3）两个等体积全混流反应器串联。解：（1）Afc=2×（1-0.98）=0.04002.01AApppAcccccc0.04000021(2.01)(2.01)AfAfxxAAAAAAAAAAdxdxdcccrkcckcc！！！！=20.041lnln(2.01)2.01AAcck=457.47（s）30.815RVm（2）00320.00220.984.97()()100.04(2.010.04)AAfRAfVcxVmr（3）0120012211()()(2.01)(2.01)AAAARAAAAVccVccVkcckcc即11122111110.042210.07882.012AAAAAAAAcccccccc∴10.3014Ac3-11对平行反应AL1Lr;AM2MArc;AN2NArc。其中L为目的产物，在等温操作中证明：（1）采用全混流反应器则max0LAcc；（2）采用平推流反应器则max00/(1)LAAccc解：（1）对L物料衡算：00()()LfRLfLfRAfcVVcrVVr对A物料衡算：00000()()AAfRAAfAfRAfccVVcVcrVVr∴002()1()()()1LfLfAAfAAfAfAfrcccccrc当0LfAfdcdc时，Lfc最大。此时021AfAcc，不取。又00AfAcc∴当Lfc=0Lc最大，此时max0LAcc（2）对L物料衡算：000()LLLLRLLRvCvCdCrVvdCrV对A物料衡算：000()AAAARAAAvCVcdcrvvdcrV∴LLAArdcdcr00200111(1)11AfAfLAAcccLLLAAAAAfAccrcdcdcdcrccc∴当Lfc=0Lc最大，此时max00/(1)LAAccc3－12在平推流反应器中进行基元反应L为目的产物，已知213kkk，求L的最大收率及最优接触时间。解：20ktAAcce212102ktLALALdckckckcekcdt由常微分方程的通解，可解得：22210()ktktktLAcekceedtc4－1有一理想搅拌釜式搅拌器，已知反应器体积为100L，流量为10L/min，试估计离开反应器的物料中，停留时间分别为0～1min，2～10min和大于3min的物料所占的分率。解：10010min10mt1/()1mtFte0～1min：1/10(1)10.0952Fe2～10min：10/102/101/51(10)(2)(1)(1)0.4509FFeeee30min的30/1031(30)1(1)0.0498Fee4－3解：题目改为：k＝37.510（原题数值太大，计算结果失去合理性，疑为印刷之误）00()1440.11920.524010.02888.03364.00.10.510.08.04.0()6158.4272.5()22.6mtCttCts000()11()ktktAeCtxetEtdtCt