反应工程课后答案完整版.

内容发布更新时间 : 2024/12/24 9:49:27星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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)

(3)若转化率仍为0.95,且温度为常数,则D的瞬时选择性为:

D的收率:

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

解之得:CA=0.4433

所以: 这说明在这种情况下转化率达不到95%。

(1) (5) 对全混流反应器,若X=0.95,则R的收率为:

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(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:

对A: 对R:

(1)

(2)

(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.现采用半间歇釜操作,且

,故可算出原料A的浓度为:

由于:

代入(1),(2)式则得如下一阶非线性微分方程组:

(4)

(5)

初始条件:t=0,CA=0,CR=0

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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:

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。

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:

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)

3

3

对上式求dVr/dXA1=0可得: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

(2)

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解得CB1=0.005992 kmol/m3

同理

解得CB2=0.00126 kmol/m3

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:

对A:

对B:

当i=1时,

(1)

(2)

当i=2时,

(3)

(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

(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τ

题中已给出1及τ2。

Q0,故由

可求B的最高浓

出CB2最大时反应器系统的总体积。将τ1,τ

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2代入(5)式即可求出

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。

3.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为20m3的全混流反应器,进行液相反应:

CA,CR为组分A及R的浓度。rA为组分A的转化速率,rD为D的生成速率。原料中A的浓度等于0.1kmol/m3,反应温度下,k1=0.1min-1,k2=1.25m3/kmol.min,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。

解:

所以:

即为:

3.22 在反应体积为1 m的釜式反应器中,环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1,2:

3

该反应对环氧丙烷为一级,反应温度下反应速率常数等于0.98h-1,原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷的最终转化率为90%。

(1)若采用间歇操作,辅助时间为0.65h,则丙二醇-1,2的日产量是多少? (2)有人建议改在定态下连续操作,其余条件不变,则丙二醇-1,2的日产量又是多少?

(3)为什么这两种操作方式的产量会有不同?

解:

(1) (1) 一级不可逆反应:

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