反应工程课后习题参考答案(2)

0.95 275.8氯乙醇初始浓度：

反应时间：

t CA0

XAf

XAfdXA1dXA10.95 2.968h2 0kCACBkCA0(1 XA)5.2 1.2311 0.95

反应体积：Vr Q0(t t') 275.8 (2.968 0.5) 956.5l

V

（2） 反应器的实际体积：

V956.5

1275lf0.75

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：

C6H5C(CH3)2COH CH3COCH3 C6H5OH

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） 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） 如果是全混流反应器； （3） 试比较上二问的计算结果；

（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）

XAfdXAdXA11

CA0 ln

0( RA)kA0CA0(1 XA)k1 XA

t CA0

XAf

11

ln 56.37s 0.94min0.81 0.989

Vr Q0(t t0) Q0(0.94 15) 300l

Q0 300/15.94 18.82l/min

苯酚浓度C苯酚

CA0XA 3.2 0.989 3.165mol/l

苯酚产量Q0C苯酚 18.82 3.165 59.56mol/min 335.9kg/h （2）全混流反应器

Vr Q0

Q0CA0XAfkCA0(1 XAf)Vrk(1 XAf)

XAf

Q0XAfk(1 XAf)

300 0.08(1 0.989) 0.2669l/s 16.02l/min

0.989

苯酚产量Q0C苯酚 16.02 3.2 0.989 50.69mol/min 285.9kg/h （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个反应器中苯酚的产量均增加一倍。

3.15等温下进行1.5级液相不可逆反应：A B C。反应速率常数等于5m1.5/kmol1.5.h，A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h，试分别计算下列情况下A的转化率达95%时所需的反应体积：（1）全混流反应器;(2)两个等体积的全混流反应器串联；（3）保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。 解：（1）全混流反应器

苯酚

也增加一倍，故上述两

Vr

Q0CA0XA1.5 2 0.95 18.021.51.51.51.5

kCA0(1 XA)5 2 (1 0.95)

m3

（2） 两个等体积全混流反应器串联

Q0CA0XA1

Vr1 1.5

kC1.5(1 X)A0A1Vr2

Q0CA0(XA2 XA1)

1.5

kC1.5(1 X)A0A2

由于Vr1 Vr2，所以由上二式得：

XA1(XA2 XA1)

(1 XA1)1.5(1 XA2)1.5

将XA2=0.95代入上式，化简后试差解得XA1=0.8245，所以：

Vr1

QCX 2.3791.51.5

kCA0(1 XA1)

m3

串联系统总体积为：Vr 2Vr1 4.758（3） 此时的情况同（1），即Vr 18.03

m3 m3

3.16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：

A R2R D

rA k1CA

2

rD k2CR

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：

Vr2.0 40min

Q00.5

CA0XAXA

k1CA0(1 XA)0.1(1 XA)

所以：

XA 0.80,CA CA0(1 XA) 0.02kmol/m3

CR

402

k1CA 2k2CR

即为：

2

100CA CR 0.08 0

CR 0.02372kmol/m3YR

C0.02372

0.2372CA00.1

4 管式反应器

4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：

C6H5CH3 H2 C6H6 CH4

在反应条件下该反应的速率方程为：

0.5

r 1.5CTCH,mol/l.s

式中CT及CH分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径为50mm，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。

解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：

CT0 CH0，则有：CT CH CT0(1 XT)

示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：

pT00.5 1.013 105 33

CT0 5.68 10kmol/m

RT8.314 103 1073

FT0 Q0CT0 2/2 1kmol/h 0.278 10 3kmol/s

所以，所需反应器体积为：

Vr Q0CT0 0.278 10

XT

XTdXdXTT

QC0T00.5 01.5CT1.5

1.5CTCH0.95

3

dXT(1 0.95) 2.5 13

0.4329 3.006m

1.5(5.68 10 3)1.5(1 XT)1.51.5 1

3.006

1531.1m2

所以，反应器的长度为：0.05 3.14/4

4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。

解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：

1ol /lQ0 275.8l/h CA0 1.23m

所以，所需反应器体积：

Vr Q0CA0

XA

dXkCA0(1 XA)(CB0 CA0XA)

QX275.80.95 818.6lkCA01 XA5.2 1.2311 0.95

由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。

4.8在管式反应器中400℃等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的活化能等于39.77kJ/mol。现拟在反应器大小，原料组成及出口转化率均保持不变的前提下（采用等温操作），增产35%，请你拟定一具体措施（定量说明）。设气体在反应器内呈活塞流。

解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：

Vr/Q0 CA0

XA

dXA

kf(XA)

可知，反应器大小，原料组成及出口转化率均保持不变的前提下，Q0与反应速率常数成正比，而k又只与反应温度有关，所以，提高反应温度可使其增产。具体值为:

Q02/Q01 k2/k1

AeAe

397708.314T2

解此式可得：T2=702.7K。即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%。

4.9根据习题3.8所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算苯酚的产量，并比较不同类型反应器的计算结果。 解：用活塞流反应器：

39770

8.314 673

1 0.35 1.35

1

Vr/Q0 CA0

XA

dX11

ln

kCA0(1 XA)k1 XA

将已知数据代入得：

0.311

ln

Q00.081 0.989

3

Q 0.319m/min，所以苯酚产量为： 解得：0

FA0XA Q0CA0XA 0.319 3.2 0.989 1.01kmol/min

由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量，也大于间歇式反应器的产量。但间歇式反应器若不计辅助时间，其产量与PFR的产量相同（当然要在相同条件下比较）。

4.11根据习题3.15所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：（1）所需的反应体积；（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？ 解：（1）用PFR时所需的反应体积：

0.5

Q0CAdX 0.50 (1 X) 1 A1.51.5 kCA0(1 XA)0.5k

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