《化學(xué)反應(yīng)工程》第三章課后習(xí)題答案詳解

1、習(xí)題習(xí)題3-1解答解答習(xí)題習(xí)題3-1解答解答解：根據(jù)cstr基本方程axaaardxct00)(，ccab時當1/00220)1 ()(aaaxkcr)1 (1)1 ()1 (1)1 (00200201aaaxaaaxaaaxxkcxxdkcxkcdxtaa，xa時當5 . 0)(30. 5) 5 . 01 (5 . 0307. 0615. 011ht，xa時當9 . 0)(70.47)9 . 01 (9 . 0307. 0615. 011ht，xa時當99. 0)(70.524)99. 01 (99. 0307. 0615. 011ht，ccab時當5/00)5)(1 ()(20aaaaxx

2、kcr)1 (55ln41)5()1 (41)5)(1 (10000002aaaxaaxaaaxaaaaxxkcxdxxdxkcxxdxkctaaa，xa時當5 . 0)(78. 0)5 . 01 (55 . 05ln307. 0615. 0412ht，xa時當9 . 0)(79. 2)9 . 01 (59 . 05ln307. 0615. 0412ht，xa時當99. 0)(81. 5)99. 01 (599. 05ln307. 0615. 0412ht分析：等當量配料，隨轉(zhuǎn)化率提高，反應(yīng)時間迅速增長；若采用過量組分配料，隨轉(zhuǎn)化率提高，反應(yīng)時間增長放慢。習(xí)題習(xí)題3-2解答解答26 . 5ab

3、aacckcrlmolccba/02. 000;dcb：a已知)1 (0afaafxkcx：t根據(jù));/(min6 . 5mollk(min)64.169)95. 01 (02. 06 . 595. 02133t：mvr時和當(反應(yīng)時間與反應(yīng)體積無關(guān)）習(xí)題習(xí)題3-3解答解答（1）pfr)1 (1lnafpxk（2）cstr)1 (afcafcxxk解：（1）（2）操作條件不變，等體積反應(yīng)器，則303. 2)9 . 01 (1ln)1 (1ln)1 (afpafcafcxxxk697. 0303. 3303. 2afcx習(xí)題習(xí)題3-4解答解答平推流平推流;11ln111axk22221aaxxk

4、全混流全混流;21rteekk/0122/0/01211ln/112aaartertexxxekekkk6 . 011ln/7 . 017 . 0ln100068.83314. 8142312t;9347. 0100068.83314. 8142312tkt4412習(xí)題習(xí)題3-5解答解答;/5 . 10 . 3210lmolcalmolcb/0 . 10 . 2210; 000rpcc; 8 . 0bfx;533. 05 . 18 . 00 . 100abfbafcxcx; 7 . 0)533. 01 (5 . 1ac; 2 . 0)8 . 01 (1bc; 8 . 08 . 00 . 10b

5、fbrpxccc;)(00faafarrxcvvafarpbarxcccccvv00)7 . 18(min/004. 0533. 05 . 1)8 . 08 . 07 . 12 . 07 . 08(1 . 00lvmin/2004. 05 . 0200201mlvvv習(xí)題習(xí)題3-6解答解答：已知;2aakcr min)/(4 .17molmlk;/75. 0mlgmin;/14. 70lv ;/14. 70lmolca解：（1）串聯(lián)兩個體積0.25m3的cstr試求下列方案的轉(zhuǎn)化率。min351014. 725. 0)(32212021100aaaaaaarkcxxckcxcvv35. 410

6、14. 7104 .173535)1 ()1 (3602212211aaaaaakcxxxxx; 035. 47 . 935. 4211aaxx62. 01ax35. 4)1 (62. 0222aaxx035. 47 . 997. 4222aaxx80. 02ax（2）一個0.25m3的cstr，后接一個0.25m3的pfrmin351014. 725. 032202110021aaxxaaaaaarkcdxckcxcvv;35. 4)1 ()1 (2122211aaxxaaaaxdxxx62. 01ax;35. 4)1 (262. 022axaaxdx;35. 462. 011112ax;9

7、8. 6112ax86. 098. 6112ax（3）一個0.25m3的pfr ，后接一個0.25m3的cstr351014. 725. 0)(321120021001aaaaxaaarkcxxckcdxcvva35. 4)1 ()()1 (22120211aaaxaaxxxxdxa;35. 41)1 (11ax81. 035. 5111ax;35. 4)1 ()81. 0(222aaxx035. 47 . 916. 5222aaxx88. 02ax（4）兩個0.25m3的pfr 串聯(lián)min351014. 725. 0322002100211aaaxxaaaxaaarkcdxckcdxcvv3

8、5. 4)1 ()1 (21121021aaaxxaaxaaxdxxdx35. 41111111121aaaxxx;35. 41111ax;35. 5111ax;35. 435. 5112ax90. 07 . 9112ax;81. 01ax習(xí)題習(xí)題3-7講解講解3-73-7已知：ap;paackcr );/(1032skmolmksmv/002. 030;/230mkmolca00pc，xa時問98. 0下列各種情況下的反應(yīng)體積。解：（1）單個pfraxaaarrdxcvv000根據(jù)aaxaaaaxaaaaaaxxdxkcxcxkcdxc000000)1(1)1(sxxkcxdxkxdxkcv

9、vaaaxaaxaaaraa2 .389201.0892.32)1 (ln22)1 (298.05 .005 .05 .000原原積積分分可可改改寫寫為為的的對對稱稱函函數(shù)數(shù)是是關(guān)關(guān)于于被被積積函函數(shù)數(shù);5 .0)1 (1)(:aaaxxxxf30778.02 .389002.0mvvr（2）單個cstraafarrxcvv00根據(jù))(2500)98. 01 (201. 01)1 ()1 (00000sxccxkcxcvvafaaafaafar)(5002. 02500250030mvvr（3）兩個cstr串聯(lián)21201100)(aaaaaaarrxxcrxcvv根據(jù)1m2m202012010

10、1010)1 ()()1 (aaaaaaaaaaaaaxcxkcxxcxcxkcxc;)1 ()()1 (122121aaaaaxxxxx85. 01ax98. 02ax)85. 01 (201. 01)1 (11001aarxkcvv)(67. 0002. 033.33333.333301mvvr)(34. 167. 02231mvvrr98. 0)98. 01 (201. 0)85. 098. 0()1 ()(2201202aaaaarxxkcxxvv);(63.33102svvr)(66. 063.331002. 032mvr習(xí)題習(xí)題3-8講解講解3-83-8已知：raackckr21;

11、32*ax;31afx?21afx使如何調(diào)節(jié)加料速率，ar解：當反應(yīng)達到平衡轉(zhuǎn)化率時021raackckr23/213/21)1 ()1 (*0*0021aaaaaaaarxxxcxcccckk;21313231212101kkkkvvr2121021212121kkkkvvrafafafafaafaafaraafafaafarxkxkxxckxckxcckckxcrxcvv210201021000)1 ()1 ()(3114121/21/2212121210102kkkkkkkkvv010231vv加料速率減小到原來的1/3倍，可使轉(zhuǎn)化率達到0.5。習(xí)題習(xí)題3-9講解講解3-93-9已知：a

12、l2amaackr11)(異構(gòu)反應(yīng)212)(aackr二聚反應(yīng)進料濃度為ca0。試證明在pfr中，l最大收率為012)1ln(ackk，式中證明：afapxsrrymaxmaxmax)(sdcckkkdcckckckdcrrcaccaaccaaaaccallfaafaafafa0002112211對于pfr：aalfafaccacccccsdcsafa000。，ccla值最大時顯然當0;00afaccaccsdcsafa00002110000000maxmax11aaacaaacaaaafaafacaafdcckkkcsdcccccccsdcxsy00aafaafcccx)1ln(111ln1

13、ln1)(012102102121021max0aacaaackkkckkckkckkdckkya證畢。習(xí)題習(xí)題3-103-10解答解答已知：ab+1lmb+2lbacckr11blcckr2230/1 . 0mkmolcab大量過量，tcacmt10.0550.038t20.010.042?) 1 (12kk?:)2(max,lcbstr?) 3(ax【分析與解答】結(jié)果為：解：（1）由于是間歇反應(yīng)器，所以;111abackcckr液相反應(yīng)，前后體積不變；由此可確定l濃度。b組分大大過量，近似為一級反應(yīng)；由此可簡化速率方程。lblckcckr222tcaclcmt10.0550.0070.03

14、8t20.010.0480.0422121)()(12llaaccllccaardcrdctt2121048. 0007. 0201. 0055. 0112925. 1705. 1007. 0048. 0ln101. 0055. 0ln1kkkkckdcckdcttllaa129. 1705. 1925. 11212kkkk?:)2(max,lcbstr122)(:210max,kkkalkkcc根根據(jù)據(jù)0346. 0346. 01 . 0)129. 11(1 . 0)/1 (1129. 1129. 11/120max,1212kkkkalkkcc?)3(ax;00aaaacccx;10tka

15、aecc;/ln1212kkkktopt390.01.0)1129.1129.1lnexp(1.0)1/ln(0)/ln(0121212121kkkkakkkkkaaececc61. 01 . 0039. 01 . 000aaaacccx習(xí)題習(xí)題3-11解答解答解：22)1 (1211aaanmllalcccrrrrrrs，c，af時只有當由此可以看出0有最大值lc對于cstr：;)1 (102afalfafccccss20)1 (afafalfcccc020max,)01 (0aalccc對于pfr：由于pfr中的選擇率沿不同管截面而發(fā)生變化，其總選擇率應(yīng)為瞬時選擇率的積分：22)1 (12

16、11aaanmllalcccrrrrrrsafalafaccaaafaccacccccdccccsdcsaafafa002000)1 (1021111)1 (10aafccaalccdcccaaf，c，af時只有當由此可以看出0有最大值lc000max,111011aaalcccc證畢。習(xí)題習(xí)題3-12解答解答在平推流反應(yīng)器中進行基元反應(yīng)almnk1k2k3l為目的產(chǎn)物，已知 ，求l的最大收率及最優(yōu)接觸時間。312kkk解：afalxsccy0max,max根據(jù)同11題一樣，求l的最大濃度。aaaaackckkckckdtdc23131)(312kkktkaaecc20ltkalalckeck

17、ckckdtdc201212又又數(shù)學(xué)知識：一階非齊次線性微分方程：)()(xqyxpdxdy的通解為)()()(cdxexqeydxxpdxxp)(22201cdteeckectktkatkl則該反應(yīng)的最佳時間為：cl存在極大值的必要條件是：0dtdcl)()(010122ctckecdtckecatkatkl0; 0,0cctl時時當當,201tkalteckc2/1 ktoptcl的最大濃度為：ekckekckcakkal201/201max,221212102010max,max/3679. 0/kkekkcekckccyaaal習(xí)題習(xí)題3-13解答解答：已知;103mvrcstr;/5

18、30mkmolca;/01. 030smv ;/8503mkg);/(201. 2kgkjcp;/20000)(kmolkjhr113),/12000exp(10stk,2901k：t 原料進口溫度,3002kt ,3103kt 求定狀的反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)化率。解：根據(jù)qr和qc方程確定定態(tài)點)1/()(0kkcvhqarrr);)(00ttcvkfqpc)/12000exp(101)/12000exp(10)/12000exp(1010001)/12000exp(105102000016181313ttttqr);(100001. 0100svvr)(0 絕熱kf465.5425709.18)29

19、0(201. 285001. 01ttqc550.5612709.18)300(201. 285001. 02ttqc635.5799709.18)310(201. 285001. 03ttqc0.000200.000400.000600.000800.0001000.0001200.0001400.0001600.000123456789935.45分別作tqr、qc1qc2、qc3曲線，有5個交點，其中是穩(wěn)態(tài)操作點2個，分別為q1=187.09,和q2=935.45;對應(yīng)溫度分別為: t1=310k t2=345k187.0945.935550.5612709.182t09.187550.

20、5612709.181tkt310709.18550.561209.1871kt345709.18550.561245.9352)(10544. 1)310/12000exp(1014131sk)(00784. 0)345/12000exp(101132sk)(1000)1 (000sxkcxcvvafaafar)(1000)1 (10544. 1141sxxafaf144. 01544. 11544. 01afx)(1000)1 (00784. 022sxxafaf887. 084. 884. 72afx3、為什么將流動模型中的“混合”稱為“返混”？124561011739815131214

21、1617181920212223242526272829130有序無序130物料粒子從出口流出狀況 先流入的物料粒子 不一定先流出 同時流入的物料粒 子不一定同時流出 物料粒子在反應(yīng)器 內(nèi)的停留時間各不 相同反應(yīng)器內(nèi)的混合不同停留時間的物料粒子間 的混合，稱之為返混。停留時間物料粒子從反應(yīng)進口算起，到出口為止所耗費的時間； 物料粒子的標簽，以區(qū)別物料在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)時間的不同；描述物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)返混程度強 弱的一個參量。思考：如果停留時間等于平均停留時間的物料粒子 越多說明該反應(yīng)器內(nèi)返混程度是強還是弱？第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述物料粒子： 反應(yīng)物料的最小構(gòu)成單元； 認識反

22、應(yīng)物料的一種概念模型； 既不屬于微觀粒子，也不屬于宏觀顆粒； 等同于流體質(zhì)點假說； 其大小與原子、分子相比，是一個很大 的集合體，但與宏觀顆粒相比，是一個 微不足道的微小單元。第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述流動模型流動模型1、理想置換活塞流模型2、理想混合全混流模型同一截面上組成、溫度、流速、密度等均勻一致。不存在任何“返混”現(xiàn)象acafc反應(yīng)器內(nèi)均勻一致，濃度、溫度等參數(shù)與出口濃度相等。達到最大程度的“返混”第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述理想流動反應(yīng)器：物料的流動狀況具有理想流動模型特征的反應(yīng)器稱為理想流動反應(yīng)器。間間 歇歇 反應(yīng)反應(yīng) 器器活塞流反應(yīng)器活塞流反

23、應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器無返混，物料粒子同進同出。無返混，物料粒子同進同出。無返混，物料粒子同進同出。無返混，物料粒子同進同出。返混程度極大，不同停留時返混程度極大，不同停留時 間的物料粒子混合均勻。間的物料粒子混合均勻。（bstrbstr）（pfrpfr）（cstrcstr）連續(xù)流動反應(yīng)器第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述沒有混合（bstrbstr）（pfrpfr）（cstrcstr）（平推流反應(yīng)器）（平推流反應(yīng)器）間間 歇歇 反應(yīng)反應(yīng) 器器活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述思考題：試比較混合與返混的區(qū)別。混合返混*

24、不同外觀特征的個體混和在一起的過程*不同停留時間的個體混和在一起的過程*僅僅是空間位置的攪混過程*不僅是空間位置的攪混過程，而且是時間順序的攪混（bstrbstr）有混合無返混第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述 偏離平推流的情況漩渦運動：渦漩渦運動：渦流、湍動、碰流、湍動、碰撞填料撞填料截面上流截面上流速不均勻速不均勻溝流、短路：填溝流、短路：填料或催化劑裝填料或催化劑裝填不均勻不均勻第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述 偏離全混流的情況死角死角短路短路攪拌造成攪拌造成的再循環(huán)的再循環(huán)第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述 流動狀況對化學(xué)反應(yīng)的影響 - 由物料粒子

25、的停留時間不同所造成由物料粒子的停留時間不同所造成短路、溝流短路、溝流停留時間減少停留時間減少轉(zhuǎn)化率降低轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、死區(qū)、再循環(huán)再循環(huán)停留時間停留時間過長過長a+bpa+bp：有效反應(yīng)體積減少：有效反應(yīng)體積減少a+bps a+bps 產(chǎn)物產(chǎn)物p p減少減少 停留時間的不均停留時間的不均第一節(jié)第一節(jié) 理想流動模型概述理想流動模型概述反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式反應(yīng)動力學(xué)特性反應(yīng)動力學(xué)特性+ +反應(yīng)器的流動特征反應(yīng)器的流動特征+ +傳遞特性傳遞特性確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件最大反應(yīng)效果最大反應(yīng)效果+ +反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性進口物料的配反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性進

26、口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計算所需反應(yīng)器體積計算所需反應(yīng)器體積規(guī)定任務(wù)規(guī)定任務(wù)+ +反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計的基本方程反應(yīng)器設(shè)計的基本方程物料衡算方程某組分流入量某組分流入量= =某組分流出量某組分流出量+ +某組分反應(yīng)消耗量某組分反應(yīng)消耗量+ +某組分累積量某組分累積量流入流入流出流出反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0 00 0平推流平推流( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) )微元長度微元長度0 0全混釜全混釜( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) ) 整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0 0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)器反應(yīng)器積累積

27、累反應(yīng)器設(shè)計的基本方程反應(yīng)器設(shè)計的基本方程熱量衡算方程帶入的熱焓帶入的熱焓= =帶出的熱焓帶出的熱焓+ +反應(yīng)熱反應(yīng)熱+ +熱量的累積熱量的累積+ +傳給環(huán)境的熱量傳給環(huán)境的熱量帶入帶入帶出帶出反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0 00 0平推流平推流( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) )微元長度微元長度0 0全混釜全混釜( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) ) 整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0 0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境傳給環(huán)境反應(yīng)器累積反應(yīng)器設(shè)計的基本方程反應(yīng)器設(shè)計的基本方程動量衡算方程氣相流動反應(yīng)器的壓降大時，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。例題講解例題講解請

28、考慮化學(xué)反應(yīng)請考慮化學(xué)反應(yīng)cbad催化劑該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進行，反應(yīng)溫度為該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進行，反應(yīng)溫度為2020，液料，液料的體積流量為的體積流量為0.5m0.5m3 3/h, c/h, ca0a0=96.5mol/m=96.5mol/m3 3, c, cb0b0=184mol/m3,=184mol/m3,催化劑的濃度催化劑的濃度c cd d=6.63mol/m=6.63mol/m3 3。實驗測得該反應(yīng)的速度方。實驗測得該反應(yīng)的速度方程為：程為： r ra a=kc=kca ac cd d式中式中k=1.15k=1.15* *1010-3-3m m3 3/(mol.ks)/(mol

29、.ks)。若要求。若要求a a的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為40%40%，試求反應(yīng)器的體積。試求反應(yīng)器的體積。解：設(shè)解：設(shè)a a的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為x x，則有：，則有：daacxkcr)1 (0對于全混流反應(yīng)器，應(yīng)有：對于全混流反應(yīng)器，應(yīng)有：ddaaaacxkxcxkcxcrxxc)1 ()1 ()(0000hks28.244 .87)63. 6)(4 . 01)(1015. 1 (40. 033014.1228.245 . 0mvvr3-7 3-7 理想流動反應(yīng)器的組合與反應(yīng)體積比較理想流動反應(yīng)器的組合與反應(yīng)體積比較比較基準相同的反應(yīng)，（一級不可逆反應(yīng)）相同的反應(yīng)，（一級不可逆反應(yīng)）相同進料流量和濃

30、度相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率相同溫度和最終反應(yīng)率相同體積相同體積比較參量（比什么）不同組合方式下的出口濃度iiaiakcc11,全混流ikiaiaecc1,平推流mi10,ac0v1 ,ac1, iaciac,1,macmac,對于 i 級iaiaiaiaccaacciaairikcdcrdcvv,1,1,0,1,ln1iaiaicckikiaiaecc1,kckccaaaaf21100,并(a) cstrcstr并聯(lián)物料處理量v0均分到每個cstr，則021vv并22/0vvvvrr并并結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若改用兩臺同體積cstr并聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度低，轉(zhuǎn)化率提高。分母增大

31、殘余濃度低停留時間延長20,)1 (kccabaf(b) cstrcstr串聯(lián)iiaiakcc11,10,1 ,1kccaa21 ,2,1kcccaafa)(021vvr結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若改用兩臺同體積cstr串聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度比(a)更低，轉(zhuǎn)化率比(a)更高。kecckacaf10,(c) pfrcstr串聯(lián)ikiaiaecc1,iiaiakcc11,10 ,1 ,kaaecc21 ,2,1kccaa結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若用 pfr-cstr串聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度比(b)更低，轉(zhuǎn)化率比(b)更高。1kekecckadaf10,(d) cstr pfr串聯(lián)ikiaiaecc1,iiaiakcc11,10,1 ,1kccaa21 ,2 ,kaaecc結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若用 cstr - pfr串聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度和轉(zhuǎn)化率同 等效。)2exp(021,kccccaaaeaf(e) pfr pfr并聯(lián)ikiaiaecc1,10 ,1 ,kaaecc20 ,2 ,kaaecc22021vvr結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若用兩臺同體積pfr并聯(lián)組合生產(chǎn)，出口濃度低，轉(zhuǎn)化率較高。2121020,kceccakagaf(g) pfr cstr并聯(lián)ikiai