化学反应工程习题答案 - 图文 下载本文

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?

解得CB1=0.005992 kmol/m3

?2?同理

解得CB2=0.00126 kmol/m3

4.676CB2?CB1CB2?0.005992??2434CA34CA0(1?XA2)2?14CB2 2?14CB2YB?2CB22?0.00126??1.26ê00.2

B的收率:

(3)目标函数改为B的收率,这时的计算步骤如下:对于第i个釜,组分A,B的衡算方程分别为:

CAi?1?CAi??i2对A: 68CAi CBi?CBi?1??i2对B: 34CAi?14CBi

当i=1时,

CA0?CA1??1268CA1 (1) CB1??1234CA1?14CB1 (2)

当i=2时,

CA1?CA2??2268CA2 (3) CB2??2234CA2?14CB2 (4)

由(1)式解出CA1代入(2)式可解出CB1; 由(1)式解出CA1代入(3)式可解出CA2;将CB1及CA2代入(4)式可解出CB2,其为τ1,τ2的函数,即

CB2?f(CA0,?1,?2) (5)

式中CA0为常数。由题意,欲使CB2最大,则需对上述二元函数求极值:

联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。题中已给出Q0,故由Vr?Q0(?1??2)可求出CB2最大时反应器系统的总体积。将τ1,τ2代入(5)式即可求出B的最高浓度,从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2代入CA2,则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率。

3.11在反应体积为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应:式中(A)--NH3,(B)—HCHO,反应速率方程为:

2rA?kCACB?CB2?C?0,B2?0??1??2

4NH3?6HCHO?(CH2)6N4?6H2O

mol/l.s

3k?1.42?10exp(?3090/T)。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为式中

1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量进入反应器,反应温度可取为36℃,假设该系统密度恒定,试求氨的转化率XA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB。 解:

4.06CA0??2.0326.32CB0??3.162Q0?2?1.5?3.0CA?CA0(1?XA)mol/lmol/lcm3/s6CB?CB0?CA0XA?3.16?1.5?2.03XA4k?1.42?103exp(?3090/309)?0.06447Vr?Q0CA0XAfkCAC2B?Q0CA0XAf6kCA0(1?XA)(CB0?CA0XA)24

3XAf490?即得:

0.06447(1?XAf)(3.16?1.5?2.03XAf)2

整理得:

解得:XAf=0.821

反应器出口A,B得浓度分别为:

32XAf?3.075XAf?3.162XAf?1.077?0CA?CA0(1?XA)?2.03?(1?0.821)?0.3634mol/lmol/l

6CB?CB0?CA0XA?3.16?1.5?2.03?0.821?0.66024

3.12在一多釜串联系统,2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应。各个反应器的体积均为0.01m3,反应温度为100℃,酯化反应的速率常数为4.76

-4-4

×10l/mol.min,逆反应(酯的水解)的速率常数为1.63×10 l/mol.min。反应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60%,求此串联系统釜的数目。 解:等体积的多釜串联系统

??

A,B,C,D分别代表乙酸,乙酸乙酯和水。由计量关系得:

CAi?1?CAik1CACB?k2CCCD(A)CB?CB0?(CA0?CA)CC?CD?CA0?CA

从已知条件计算出:

将上述数据代入(A)式,化简后得到:

2CAi?1?0.04056CAi?1.5113CAi?0.8871.8?864?6.48mol/l4.0?602.2?864CB0??10.33mol/l4.0?460.01?864?60???129.6min4.0 CA0?(B)

20.04056CA1?1.5113CA1?0.887?CA0?6.48 若i=1,则(B)式变为:

解之得:CA1?4.364解之得:CA2?3.20mol/l,XA1?0.326 mol/l,XA1?0.506

20.04056CA2?1.5113CA2?0.887?CA1?4.364 若i=2,则(B)式变为:

20.04056CA3?1.5113CA3?0.887?CA2?3.2 若i=3,则(B)式变为:

mol/l,XA1?0.609 解之得:CA3?2.53即:三釜串联能满足要求。

3.13以硫酸为催化剂,由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜,一台的反应体积为3m3,另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯,

3

初步决定采用等温连续操作,原料中醋酸的0.浓度为0.15kmol/m,丁酯则大量过剩,该反应对醋酸为2级,在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol,要求醋酸的最终转化率不小于50%,这两台反应釜可视为全混反应器,你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大?为什么?试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应,这两台反应器的串联方式又应如何?

解:因为反应级数大于1,所以联立方式应当是小釜在前,大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算:

CA0XA1Vr11??22Q0kCAQ00(1?XA1)Vr2CA0(XA2?XA1)3??22Q0kCA0(1?XA2)Q0

二式联立化简后得到:(将XA2=0.5代入) 解之得:XA1=0.223

230.5?2.75XA1?2.5XA?X1A1?0

kCA0(1?XA1)21.2?0.15(1?0.223)2?1Q0?Vr1??0.4873m3/hXA10.223

mol/h 醋酸丁酯产量=Q0CA0XA2?0.4873?0.15?0.5?36.55