反应工程 李少芬答案

1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。

试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩Bkg/h 粗甲醇100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。

1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。

试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 moln P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 moln O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 moln N =n N0=43.28 mol1. 1. 2 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分原料气冷凝分离后的气体CO 26.82 15.49H268.25 69.78CO21.46 0.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。

在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO29.82g,CO9.38g,H2 1.76g,CH42.14g,N25.38g。

1 绪论之阳早格格创做1.1正在银催化剂上举止甲醇氧化为甲醛的反应：加进反应器的本料气中，甲醇：气氛：火蒸气=2：4：1.3（摩我比），反应后甲醇的转移率达72%，甲醛的支率为69.2%.试预计（1）（1）反应的采用性；（2）（2）反应器出心气体的组成.解：（1）由（1.7）式得反应的采用性为：（2）加进反应器的本料气中，甲醇：气氛：火蒸气=2：4：1.3（摩我比），当加进反应器的总本料量为100mol设甲醇的转移率为X A，甲醛的支率为Y P，根据（1.3）战（1.5）式可得反应器出心甲醇、甲醛战二氧化碳的摩我数n A、n P战n c分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 moln P=n A0Y P=18.96 moln C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol分散上述反应的化教计量式，火（n W）、氧气（n O）战氮气（n N）的摩我数分别为：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol1.1. 2工业上采与铜锌铝催化剂由一氧化碳战氢合成甲醇，其主副反应如下：由于化教仄稳的节制，反应历程中一氧化碳不可能局部转移成甲醇，为了普及本料的利用率，死产上采与循环支配，将要反应后的气体热却，可凝组份形成液体即为细甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分搁空，大部分经循环压缩机后与本料气混同返回合成塔中.下图是死产过程示企图本料气Bkg/h 细甲醇 Akmol/h100kmol搁气氛体本料气战热凝分散后的气体组成如下：（mol）组分本料气热凝分散后的气体COH2CO2CH4N2细甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为沉量百分率.正在支配压力及温度下，其余组分均为不凝组分，然而正在热凝热却历程中可部分溶解于细甲醇中，对付1kg细甲醇而止，其溶解量为CO29.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g.若循环气与本料气之比为7.2（摩我比），试预计：（1）（1）一氧化碳的单程变更率战齐程转移率；（2）（2）甲醇的单程支率战齐程支率.解：（1）设新陈本料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件，预计进料本料气组成以品量分率表示如下：其中x i=y i M i/∑y i M i.进料的仄稳摩我品量M m=∑y i M i=10.42kg/kmol.经热凝分散后的气体组成（亦即搁气氛体的组成）如下：其中热凝分散后气体仄稳分子量为M’m=∑y i M i又设搁气氛体流量为Akmol/h，细甲醇的流量为Bkg/h.对付所有系统的N2做衡算得：×1000+=2.92 (A)对付所有系统便所有物料做衡算得：100×10.42=B+ (B) 联坐（A）、（B）二个圆程，解之得/h反应后产品中CO摩我流量为F CO=+9.38B/(28×1000)将供得的A、B值代进得F CO=4.431 kmol/h故CO的齐程转移率为由已知循环气与新陈气之摩我比，可得反应器出心处的CO 摩我流量为F’CO,0=100××100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的单程转移率为产品细甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4战N2总量D为细甲醇中甲醇的量为(B-D)X甲/M m=(785.2-0.02848B) ×所以，甲醇的齐程支率为Y总甲醇的单程支率为Y单2 反应能源教前提4L的恒容反应器中举止A的火解反应，反应前 A的含量为12.23%（沉量），混同物的稀度为1g/mL，反应物A 的分子量为88.正在等温常压下不竭与样领会，测的组分A 的浓度随时间变更的数据如下：试供反当令间为3.5h的A的火解速率.解：利用反当令间与组分A的浓度变更数据，做出C A～t的关系直线，用镜里法供得t=3.5h时该面的切线，即为火解速率.切线的斜率为由（2.6）式可知反应物的火解速率为300℃等温下举止甲烷化反应：催化剂体积为10ml，本料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变进心本料气流量Q0举止真验，测得出心CO的转移率为：试供当进心本料气体流量为50ml/min时CO的转移速率.解：是一个震动反应器，其反应速率式可用（2.7）式去表示故反应速率可表示为：用X A～V R/Q0做图，过V R/Q0=0.20min的面做切线，即得该条件下的dX A/d(V/Q)值α.故CO的转移速率为2.3已知正在Fe-Mg催化剂上火煤气变更反应的正反应能源教圆程为：式中y CO战y CO2W等于0.0535kmol/kg.h.如催化剂的比表面积为30m23，试预计：（1）（1）以反应体积为基准的速率常数k V.（2）（2）以反应相界里积为基准的速率常数k g.（3）（3）以分压表示反应物系组成时的速率常数k g.（4）（4）以摩我浓度表示反应物系组成时的速率常数k C.解：利用（2.10）式及（2.28）式可供得问题的解.注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3.2.4正在等温下举止液好同应A+B→C+D，正在该条件下的反应速率圆程为：若将A战B的初初浓度均为3mol/l的本料混同举止反应，供反应4min时A的转移率.解：由题中条件知是个等容反应历程，且A战B的初初浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得由（2.6）式可知代进速率圆程式化简整治得积分得解得X A =82.76%.3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及4.该塔是正在30MPa 压力下支配.已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol ），试预计该处的反应速率.正在Fe 催化剂上氨合成反应速率式为：顺反应的活化能417.5810/=⨯E J mol .450℃时30.5322277()/=⋅k m MPa m h ，且212/=P k k K ，490℃时，Kp 可按下式预计：472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T 注：m 3为尺度坐圆米.解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是正在490℃下，故最先央供出490℃时的k 2值.利用（2.27）试，供出频次果子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-⨯⨯-⨯⨯-=-===⨯-==⨯=⨯E k A RTE A k e RTE k A e m MPa m h RT490℃的Kp 值由题给公式预计出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 供k 1值：供各组分的分压值：各组分的分率及分压值为反应速率为：2.6底下是二个反应的T-X图，图中AB是仄稳直线，NP是最佳温度直线，AM是等温线，HB是等转移率线.根据底下二图回问：（1）（1）是可顺反应仍旧不可顺反应？（2）（2）是搁热反应仍旧吸热反应？（3）（3）正在等温线上，A,D,O,E,M面中哪一面速率最大，哪一面速率最小？（4）（4）正在等转移率线上，H,C,R,O,F及B面中，哪一面速率最大，哪一面速率最小？（5）（5）正在C,R二面中，谁的速率大？（6）（6）根据图中所给的十面中，推断哪一面速率最大？（1）可顺反应可顺反应（2）搁热反应吸热反应(3)M面速率最大，A面速率最小 M面速率最大，A面速率最小(4)O面速率最大，B面速率最小 H面速率最大，B 面速率最小(5)R面速率大于C面速率 C面速率大于R面速率(6)M面速率最大根据等速线的走背去推断H,M面的速率大小.2.7正在举止一氧化碳变更反应能源教钻研中，采与B106催化剂举止考查，测得正反应活化能为4J mol,如果不思量顺反应，试问反应温度是550℃9.62910/时的速率比反应温度是400℃时的速率大几倍？解：从题中可知，反应条件除了温度分歧中，其余条件皆相共，而温度的效用表示正在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之近去形貌反应速率之比.2.8常压下，正在钒催化剂上举止SO2氧化反应，本料气组成为7%O2及82%N2.试预计转移率为80%时的最佳温度.二氧化硫正在钒催化剂上氧化的正反应活化能为4⨯J mol，化教计量数等于2，反应式为：9.21110/其仄稳常数与温度的关系为：该反应的热效力4-=⨯9.62910/H J mol.r解：（1）供出转移率为80%时各组分的分压：以100mol为基准（2）供与上述组成对付应的仄稳常数K P值：(3)供仄稳温度Te(4)利用（2.31）式供顺反应活化能E值(5)利用（2.31）式供最佳温度T OP2.9正在一恒容反应器中举止下列液好同应：式中r R,r D分别表示产品R及D的死成速率.反应用的本料为A与B的混同物，其中A的浓度为2kmol/m3，试预计A 的转移率达到95%时所需的反当令间.解：反应物A的消耗速率应为二反应速率之战，即利用（2.6）式积分之2.10正在催化剂上举止三甲基苯的氢解反应：反应器进心本料气组成为66.67%H2,33.33%三甲基苯.正在0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出心三甲基苯的转移率为80%时，其混同气体的氢含量为20%，试供：（1）（1）此时反应器出心的气体组成.（2）（2）若那二个反应的能源教圆程分别为：则出心处二甲基苯的死成速率是几？解：以100mol为预计基准，设X为三甲基苯的转移率，Y为死成的甲苯摩我数.（1）（1）用物料衡算供出心气体组成：由题给条件可知，混同气中氢的含量为20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20×0.8-20=20.01kmol（甲苯量）×××氢气含量为：20kmol故出心尾气组成为：三甲基苯6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%.（2）（2）由题给条件可知，三甲基苯的出心浓度为：210℃等温下举止亚硝酸乙脂的气相领会反应：该反应为一级不可顺反应，反应速率常数与温度的关系为1441k T s，若反应是正在恒容下举=⨯-⨯1.3910exp( 1.89710/)()-止，系统的起初总压为0.1013MPa，采与的是杂亚硝酸乙脂，试预计亚硝酸乙脂领会率为80%时，亚硝酸乙脂的领会速率及乙醇的死成速率.若采与恒压反应，乙醇的死成速率又是几？解：（1）恒容历程，其反应式可表示为：反应速率式表示为：设为理念气体，反应物A的初初浓度为：亚硝酸乙脂的领会速率为：乙醇的死成速率为：（2）恒压历程，由于反应前后摩我数有变更，是个变容历程，由（2.49）式可供得总摩我数的变更.由于反应物是杂A ，故有：y A0=1.由（2.52）式可供得组分的瞬间浓度：22001426(1) 2.52310(10.8) 2.80310/11110.81.3910exp(18973/483)2.803103.39510/.δ-----⨯-===⨯++⨯⨯==⨯-⨯⨯=⨯A A A A A A A A C X C mol l y X r kC mol l s 乙醇的死成速率为：750℃等温下的转移反应为：本料气中甲烷与火蒸气的摩我比为1：4，若那个反应付于各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试供：（1） （1） 反应正在恒容下举止，系统的初初总压为0.1013MPa ，当反应器出心的CH 4转移率为80%时，CO 2战H 2的死成速率是几？（2） （2） 反应正在恒压下举止，其余条件如（1），CO 2的死成速率又是几？解：（1）由题意可将反应速率表示为：对付于恒容历程，则有当X A0（2）对付于恒压历程，是个变容反应历程，由（2.49）式可供得总摩我数的变更反应物A 的本初分率：由（2.52）式可供得转移率为80%时的浓度：2.13正在473K 等温及常压下举止气好同应：（1）3→A R 1.2/min =⋅R A r C mol l（2）2→A S 0.5/min =⋅S A r C mol l（3）→A T 2.1/min =⋅T A r C mol l式中C A 为反应物A 的浓度（mol/l ），本料中A 战惰性气体各为一半（体积比），试供当A 的转移率达85%时，其转移速率是几？解：要领（1），先供出总摩我变更数δA .最先将产品的死成速率形成对付应的反应物的转移速率： 总反应速率为：以一摩我反应物A 为基准，总摩我变更数为：初初浓度为：则有要领（2），可将C A 表示为：要领（3），利用物料衡算可分别供出反应物A 死成R 及S 的瞬间采用性S R ,S S ,果而可供出产品R 及S 的支率y R ,y S ,供得A 转移率为85%时的分率：其中：2.14正在Pt 催化剂上举止同丙苯领会反应：以A,B 及R 分别表示同丙苯，苯及丙烯，反应步调如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ⇔+A B R（3）σσ⇔+B B若表面反应为速率统制步调，试推导同丙苯领会的速率圆程.解：根据速率统制步调及定态近似本理，除表面反应中，其余二步达到仄稳，形貌如下：以表面反应速率圆程去代表所有反应的速率圆程： 由于1θθθ++=A B V将,θθA B 代进上式得：整治得：将,,θθθA B V 代进速率圆程中其中2.15正在银催化剂上举止乙烯氧化反应：化做22()()2()+→A B R其反应步调可表示如下：（1）σσ+⇔A A（2）222σσ+⇔B B（3）σσσσ+⇔+A B R（4）σσ⇔+R R假如第三步是速率统制步调，试推导其能源教圆程.解：根据速率统制步调及定态近似本理，除表面反应步调中，其余近似达到仄稳，写出相映的覆盖率表白式： 所有反应的速率圆程以表面反应的速率圆程去表示： 根据总覆盖率为1的准则，则有：或者整治得：将,,,θθθθA B R V 代进反应速率圆程，得：其中→+A B D ，其反应步调表示如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ→+A B D（3）σσ⇔+B B若（1）速率统制步调，试推导其能源教圆程.解：先写出各步的速率式：由于（1）是速率统制步调，第（2）步是不可顺反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有：整治得：根据定态近似准则果为1θθθ++=A B V将,θθA B 代进上式，化简后得：末尾将,θθA V 代进吸附速率式，即为该反应的能源教圆程式.2.17一氧化碳变更反应：正在较矮温度下，其能源教圆程可表示为：试拟定该反应的符合的反应步调.解：根据题意，假设反应步调如下：并假设第二步是统制步调，其速率圆程便代表了所有反应的速率圆程：其余的二步可认为达到仄稳，则有：由于1θθθ++=A B V ，有：将,θθA V 代进速率式，得：式中=S A k k K .故上述假定与题意切合.然而上述假定的反应步调不是唯一的.2.18利用习题2.1的数据，试用积分法战微分法供其能源教圆程.解：先用积分法供其能源教圆程.设为一级不可顺反应，其速率表白式为：积分得： 用0ln()A A C C ～t 做图.-1，故假设一级反应是合理的，其能源教圆程可表示为： 用微分法供解能源教圆程最先用C A ～t 直线，正在直线上与时间为0，1，2，……9h 所对付应面的切线，为了准确可采与镜里法，供得各切线的斜率即为对付应的dC A /dt 之值，而后再以dC A /dt ～C A设为一级不可顺反应，用dC A /dt ～C A -1，其能源教圆程可表示为：或者将速率圆程直线化，即二边与对付数，得： ≈1，反应速率常数值为k=0.4996.还可用一数教公式去拟合C A ～t 直线，而后再将该数教公式对付t 供导，供得dC A /dt 之值，此法会比做图法去的准确.2.19正在Ni 催化剂上举止甲烷化反应：由真验测得200℃时甲烷的死成速率R CH4及CO 战H 2的分压p CO ,p H 2的关系如下：若该反应的能源教圆程可用幂函数表示，试用最小二乘法供一氧化碳的反应级数及正反应速率常数.解：由题意可写出速率圆程式：然而由于氢的分压脆持为0.1013MPa 的恒定值，反应速率式可简化为：式中2'β=H k k p .将速率式直线化：4ln ln ln =+CH CO r k a p 或者=+y b ax式中4ln ,ln ,ln ===+CH CO y r b k x p ，由残好仄圆战最小而导出最小二乘法的系数预计式：将乏加值代进a,b 系数式中，得：2.20正在铂催化剂上，乙烯深度氧化的能源教圆程可表示为：式中p A,p B分别表示乙烯及氧的分压.正在473K等温下的真验数据如下：试供该温度下的反应速率常数k战吸附仄稳常数K B.解：最先将能源教圆程式直线化：或者y=b+ax.其中仄稳偏偏好 4.7%δ=，截止是令人谦意的.3 釜式反应器3.1正在等温间歇反应器中举止乙酸乙酯白化反应：该反应付于乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级.反应启初时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min.央供最后转移率达到95%.试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多少的反当令间？（2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反当令间又是几？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 果为间歇反应器的反当令间与反应器的大小无关，所以反当令间仍为2.83h.3.2拟正在等温间歇反应器中举止氯乙醇的白化反应： 以死产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（沉量）的NaHCO 3火溶液及30%（沉量）的氯乙醇火溶液做本料，反应器拆料中氯乙醇战碳酸氢钠的摩我比为1：1，混同液的比沉为1.02.该反应付于氯乙醇战碳酸氢钠均为一级，正在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，央供转移率达到95%.（1） （1） 若辅帮时间为0.5h ，试预计反应器的灵验体积；（2） （2） 若拆挖系数与0.75，试预计反应器的本量体积. 解：氯乙醇，碳酸氢钠，战乙二醇的分子量分别为80.5,84 战 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h 本料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初初浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l 反当令间：反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的本量体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应：为二级可顺反应（对付丙酸钠战盐酸均为一级），正在真验室中用间歇反应器于50℃等温下举止该反应的真验.反应启初时二反应物的摩我比为1，为了决定反应举止的程度，正在分歧的反当令间下与出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以决定已反应盐酸浓度.分歧反当令间下，NaOH 溶液用量如下表所示：现拟用与真验室反应条件相共的间歇反应器死产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转移率要达到仄稳转移率的90%.试预计反应器的反应体积.假定（1）本料拆进以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min ，且正在加热历程中不举止反应；（2）卸料及荡涤时间为10min ；（3）反应历程中反应物稀度恒定.解：用A,B,R,S 分别表示反应圆程式中的四种物量，利用当量关系可供出任一时刻盐酸的浓度（也便是丙酸钠的浓度，果为其计量比战投量比均为1：1）为： 于是可供出A 的仄稳转移率：现以丙酸浓度对付时间做图：由上图，当C A ×14.7mol/l 时，所对付应的反当令间为48min.由于正在共样条件下，间歇反应器的反当令间与反应器的大小无关，所以该死产规模反应器的反当令间也是48min.丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min.所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min.本料处理量为：000/156.4/(0.051552.5)57.84/min ==+=A A Q F C l 反应器体积：00()57.84(182010)4512=+=⨯++=r V Q t t l 本量反应体积：4512/0.85640=l3.4正在间歇反应器中，正在绝热条件下举止液好同应： 其反应速率圆程为：143110001.110exp()/.=⨯-A A B r C C kmol m h T式中组分A 及B 的浓度C A 及C B 以kmol/m 333.K 预计.反应启初时反应混同物的温度为50℃.（1） （1） 试预计A 的转移率达85%时所需的反当令间及此时的反应温度.（2） （2） 如果央供局部反应物皆转移为产品R ，是可大概？为什么？解：(1)（由数值积分得出）(2)若A 局部转移为R,即X A =1.0,则由上头的积分式知，t →∝,那隐然是不可能的.3.5正在间歇反应器中举止液好同应：3,C ，D 的初初浓度为整，B 过量，反当令间为t 1时，C A 3，C C =0.038 kmol/m 3，而反当令间为t 2时，C A =0.01 kmol/m 3，C C 3，试供：（1） （1） k 2/k 1;（2） （2） 产品C 的最大浓度；（3） （3） 对付应C 的最大浓度时A 的转移率.解：(1)果为B 过量，所以：恒容时：'1-=A A dC k C dt （A ）''12-=-C A C dC k C k C dt (B)（B ）式除以（A ）式得：解此微分圆程得：'2'10'200'11⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥-⎣⎦k k A A A C A A C C C C k C C k（C ）将t 1,C A ,C C 及t 2,C A ,C C 数据代进（C ）式化简得： 解之得：(2)先供出最大转移率:(3)产品C 的最大支率：产品C 的最大浓度：3.6 正在等温间歇反应器中举止液好同应初初的反应物料中不含A 2战A 3，A 1的浓度为2mol/l ，正在反应温度下k 1-1,k 2-1,k 3-1.试供:（1） （1） 反当令间为1.0min 时，反应物系的组成.（2） （2） 反当令间无限延万古，反应物系的组成.（3） （3） 将上述反应改为31123−−→⇔←−→k k A A A 反当令间无限延万古，反应物系的组成.解：根据题中给的二种反应情况，可分别列出微分圆程，而后举止供解.然而小心领会那二种情况，本去量是下述反应的惯例：12123←−→←−→k k A A A (A)当'20=k 时，（A ）式形成123⇔→A A A (B) 当'10=k 时，（A ）式形成123→⇔A A A (C) 当''120,0==k k 时，（A ）式形成123→→A A A (D) 其中式（D ）即为书籍道的一级不可顺连串反应.可睹只消得到（A ）式的解，则可简单化简得到（B ）,(C)及(D)式的解.对付于(A)式，可列出如下微分圆程组：'11111-=-dC k C k C dt (1)''211231222=+--dC k C k C k C k C dt (2)'32223=-dC k C k C dt (3)由题意知初初条件为：11023(0),(0)(0)0===C C C C (4)联坐供解此微分圆程组可得：'''''21112211011()()()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-++⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k k e k e C C k k αβαβαβαβααββ (5)'''12122210()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e k e C C αβαβαβαβαβ (6)1212310⎧⎫⎡⎤⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e e C C αβαβαβαβ (7)式中，,αβ由如下式决定：'''121221=++k k k k k k αβ (8)''1122()+=-+++k k k k αβ (9)当前可用上述截止对付本题举止预计：（1）1'11'11224.0min , 3.6min , 1.5min ,0,1min ---=====k k k k t 由（5）～（9）式得（2）当t →∝时，由（5）～（9）式得（3）此时为'10=k 的情况，当t →∝时，由114.0min ,-=k 1'1221.5min , 3.6min --==k k 得：3.7拟安排一反应拆置等温举止下列液好同应：脚段产品为R ，B 的代价近较A 贵且阻挡易回支，试问：（1） （1） 怎么样采用本料配比？（2） （2） 若采与多段齐混流反应器串联，何种加料办法最佳？（3） （3） 若用半间歇反应器，加料办法又怎么样？解：（1）212221211221===++A R A B AB A A B A B B r kC C S k C R k C C k C C k C νν 由上式知，欲使S 减少，需使C A 矮，C B 下，然而由于B 的代价下且阻挡易回支，故应按主反应的计量比投料为好.（2）包管C A 矮，C B 下，故可用下图所示的多釜串联办法：（3）用半间歇反应器，若欲使C A 矮，C B 下，不妨将B 一次先加进反应器，而后滴加A.300l 的反应器中86℃3的过氧化氢同丙苯溶液领会： -1,最后转移率达98.9%，试预计苯酚的产量.（1） （1） 如果那个反应器是间歇支配反应器，并设辅帮支配时间为15min;（2） （2） 如果是齐混流反应器；（3） （3） 试比较上二问的预计截止；（4） （4） 若过氧化氢同丙苯浓度减少一倍，其余条件稳定，截止何如？解：（1）苯酚浓度0 3.20.989 3.165/==⨯=苯酚A A C C X mol l苯酚产量018.82 3.16559.56/min 335.9/=⨯==苯酚Q C mol kg h（2）齐混流反应器苯酚产量016.02 3.20.98950.69/min 285.9/=⨯⨯==苯酚Q C mol kg h（3）证明齐混釜的产量小于间歇釜的产量，那是由于齐混釜中反应物浓度矮，反应速度缓的本果.（4）由于该反应为一级反应，由上述预计可知，无论是间歇反应器或者齐混流反应器，其本料处理量稳定，然而由于C AB 减少一倍，故C 苯酚也减少一倍，故上述二个反应器中苯酚的产量均减少一倍.3.9正在间歇反应器中等温举止下列液好同应：r D及r R分别为产品D及R的死成速率.反应用的本料为A 及B的混同液，其中A的浓度等于2kmol/m3.（1）（1）预计A的转移率达95%时所需的反当令间；（2）（2） A的转移率为95%时，R的支率是几？（3）（3）若反应温度稳定，央供D的支率达70%，是可办到？（4）（4）改用齐混反应器支配，反应温度与本料组成均不改变，脆持空时与（1）的反当令间相共，A的转移率是可可达到95%？（5）（5）正在齐混反应器中支配时，A的转移率如仍央供达到95%，其余条件稳定，R的支率是几？（6）（6）若采与半间歇支配，B先搁进反应器内，启初反当令A按（1）预计的时间均速加进反应器内.假若B的量为1m33，试预计A加完时，组分A所能达到的转移率及R的支率.(2)(3)若转移率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时采用性为：D的支率：那证明能使D的支率达到70%（4）对付齐混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有解之得：C A所以：0.77840.95-==A AAAC CXC那证明正在那种情况下转移率达不到95%.（5）（5）对付齐混流反应器，若X=0.95,则R的支率为：（6）依题意知半间歇式反应器属于连绝加料而间歇出料的情况.为了供分组A 的转移率及R 的支率，需央供出A 及R 的浓度随时间的变更关系，现列出如下的微分圆程组：对付A: 200()(1.616.4)++=A A A A d VC C C V Q C dt （1）对付R:() 1.60-=R A d VC C V dt （2）00=+V V Q t （3）正在反当令间（t=0.4038h,为便当起睹与t ≈0.4h ）内将0.4 m 3的A 均速加进反应器内，故300.41/0.4==Q m h 采与间歇釜支配时，本料为A 与B 的混同物，A 的浓度为2kmol/ m 3.现采与半间歇釜支配，且331,0.4==B A V m V m ，故可算出本料A 的浓度为：30(10.4)2/0.4+⨯=A C kmol m 由于：代进（1），（2）式则得如下一阶非线性微分圆程组：27 1.616.41-=--+A A A A dC C C C dt t （4） 1.61=-+R RA dC C C dt t （5）初初条件：t=0,C A =0,C R =0可用龙格---库塔法举止数值供解.与步少△A 战C R 不妨举止A 的转移率战R 的支率预计：0000--==A A A A A A A A A N N C V C V X N C V式中V A 为所加进的A 的体积，且V A 3;C A0为所加进的A 的浓度，且C A0=7kmol/m 33.共理不妨预计出R 的支率：0=R R A A C V Y C V 3.10正在二个齐混流反应器串联的系统中等温举止液好同应：3,流量为4m 3/h,央供A 的最后转移率为90%，试问：（1） （1） 总反应体积的最小值是几？（2） （2） 此时脚段产品B 的支率是几？（3） （3） 如劣化目标函数改为B 的支率最大，最后转移率为几？此时总反应体积最小值是几？解：（1）对付上式供dV r /dX A1=0可得：1212111(1)+-=--A A A X X X将X A2=0.9代进上式，则311100(1)1-=+A A X X解之得X A1所以总反应体积的最小值为(2) 即113.24940.0912314=-B B C C解得C B1=0.005992 kmol/m 3 共理212222220224.6760.0059924341434(1)14--===---BB B A B A A B CC C C C C X C τ解得C B2=0.00126 kmol/m 3B 的支率：2020.001262 1.26%0.2⨯===B B A C Y C(3)目标函数改为B 的支率，那时的预计步调如下：对付于第i 个釜，组分A,B 的衡算圆程分别为：对付A: 1268--=Ai AiiAi C C C τ对付B: 123414--=-Bi Bi iAi Bi C C C C τ当i=1时，0112168-=A A A C C C τ （1）112113414=-B A B C C C τ （2）当i=2时，1222268-=A A A C C C τ （3）222223414=-B A B C C C τ （4）由（1）式解出C A1代进（2）式可解出C B1; 由（1）式解出C A1代进（3）式可解出C A2;将C B1及C A2代进（4）式可解出C B2,其为τ1,τ2的函数，即2012(,,)=B A C f C ττ（5）式中C A0为常数.由题意，欲使C B2最大，则需对付上述二元函数供极值:联坐上述二个圆程不妨供出τ1及τ2.题中已给出Q 0,故由012()=+r V Q ττ可供出C B2最大时反应器系统的总体积.将τ1,τ2代进（5）式即可供出B 的最下浓度，从而可进一步供出Y BmaX .将τ1,τ2代进C A2，则由X A2=(C A0-C A2)/C A0可供出最后转移率.490cm 3的CSTR 中举止氨与甲醛死成黑洛托品的反应：3264246()6+→+NH HCHO CH N H O式中（A ）--NH 3,(B)—HCHO,反应速率圆程为：式中31.4210exp(3090/)=⨯-k T 3/s 的流量加进反应器，反应温度可与为36℃，假设该系统稀度恒定，试供氨的转移率X A 及反应器出心物料中氨战甲醛的浓度C A 及C B .解： 即得：234900.06447(1)(3.16 1.5 2.03)=--⨯AfAf Af X X X整治得：323.075 3.162 1.0770-+-=Af Af Af X X X解得：X Af反应器出心A,B 得浓度分别为：3.12正在一多釜串通联统，/h 的乙醇 战.h 的醋酸举止可顺反应.各个反应器的体积均为3，反应温度为100℃×10-4l ×10-4 l/mol.min.反应混同物的稀度为864kg/m 3,欲使醋酸的转移率达60%，供此串通联统釜的数目.解：等体积的多釜串通联统A,B,C,D 分别代表乙酸，乙酸乙酯战火.由计量关系得： 从已知条件预计出：将上述数据代进（A ）式，化简后得到：若i=1,则（B ）式形成：21100.04056 1.51130.887 6.48+-==A A A C C C 解之得：114.364/,0.326==A A C mol l X 若i=2,则（B ）式形成：22210.04056 1.51130.887 4.364+-==A A A C C C 解之得：213.20/,0.506==A A C mol l X 若i=3,则（B ）式形成：23320.04056 1.51130.887 3.2+-==A A A C C C 解之得：312.53/,0.609==A A C mol l X 即：三釜串联能谦脚央供.3.13以硫酸为催化剂，由醋酸战丁醇反应可制得醋酸丁酯.堆栈里忙置着二台反应釜，一台的反应体积为3m 3,另一台则为1m 33，丁酯则洪量过剩，该反应付于醋酸为2级，正在反应温度下反应速率常数等于3/h.kmol ，央供醋酸的最后转移率不小于50%，那二台反应釜可视为齐混反应器，您认为采与何如的串联办法醋酸丁酯的产量最大？为什么？试预计您所采用的规划得到的醋酸丁酯产量.如果举止的反应是一级反应，那二台反应器的串联办法又应怎么样？ 解：果为反应级数大于1，所以联坐办法应当是小釜正在前，大釜正在后才搞使醋酸丁酯产量最大.现举止预计： 二式联坐化简后得到：（将X A2=0.5代进）解之得：X A1醋酸丁酯产量=0020.48730.150.536.55/=⨯⨯=A A Q C X mol h 如果举止的是一级反应，可举止如下预计：（1） （1） 小反应器正在前，大反应器正在后: 联坐二式，且将X A2=0.5代进，化简后得到:解得：X A1 所以有：3101(1) 1.2(10.1771) 5.576/0.1771--===A A k X Q m h X 醋酸丁酯产量=002 5.5760.150.50.4182/=⨯⨯=A A Q C X kmol h (2)大反应器正在前，小反应器正在后:解得X A1 所以有：31013(1)3 1.2(10.3924) 5.575/0.3924-⨯-===A A k X Q m h X产量共前.证明对付此一级反应，对接办法不效用.3.14等温下举止1.5级液相不可顺反应：→+A B C .反应速率常数等于5m/kmol.h ，A 的浓度为2kmol/m 3的溶液加进反应拆置的流量为3/h ，试分别预计下列情况下A 的转移率达95%时所需的反应体积：（1）齐混流反应器;(2)二个等体积的齐混流反应器串联；（3）包管总反应体积最小的前提下，二个齐混流反应器串联.解：（1）齐混流反应器（2） （2） 二个等体积齐混流反应器串联由于12=r r V V ，所以由上二式得：将X A2=0.95代进上式，化简后得到X A1=0.8245，所以： 串通联统总体积为：312 4.758==r r V V m （3） （3） 此时的情况共（1），即318.03=r V m 3/min 的流量连绝通进反应体积为20m 3的齐混流反应器，举止液好同应：C A ,C R 为组分A 及R 的浓度.r A 为组分A 的转移速率，。

李绍芬《反应工程》课后习题答案1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。

试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.391. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。