反應(yīng)工程7-10章習(xí)題答案

1、7-36醋酸甲酯的水解反應(yīng)如下：產(chǎn)物 在反應(yīng)中起催化作用。已知反應(yīng)速度與醋酸甲酯和醋酸的濃度成正比。（1）間歇反應(yīng)器中，醋酸甲酯和醋酸初始濃度分別為500mol/m3和50mol/m3。實(shí)驗(yàn)測得當(dāng)反應(yīng)時間為5400s時，醋酸甲酯的轉(zhuǎn)化率為70%，求反應(yīng)速率常數(shù)和最大反應(yīng)速度。（2）CSTR，要使醋酸甲酯轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，停留時間應(yīng)為多少？（3）PFR，要使醋酸甲酯轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，停留時間應(yīng)為多少？（4）CSTR與PFR串聯(lián)，要使醋酸甲酯轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，總停留時間應(yīng)為多少？各反應(yīng)器中停留時間分別為多少？（5）循環(huán)流動反應(yīng)器，進(jìn)料為純的醋酸甲酯，初始濃度仍為500mol/m3，出口醋酸甲酯轉(zhuǎn)化

2、率為80%，要使停留時間最小，循環(huán)比應(yīng)為多少？33233CH COOCHH OCH COOHCH OH3CH COOH（1）30003000006330,max,0,50050550/500 (10.7)150/()ln()1500 (550 150)ln1.106 10/ ()550*5400150 (550500)275/2()()0.08TAPAATATATATA optAA optTA optcccmol mcmol mcccc ktccckmmol sccmol mrkccc3364/ ()molms（2）3000500 (10.8)100/()()8037AfAAfAAfAAfTA

3、fcmol mccccrkcccs（3）00000()1ln6258()ATAfTAfTAcccsc kccc（4）1301,0111012012275/22690()12473()5163AfATAA optAAATAcAcATAcccmol mccskcccdcskcccs （5）100opt0:1(1)(1)(1)ln(1)(1)1(1)1ln(1)1(1)=0.80.741(1)1ln6446(1)AfAxAfARRxRAAAAAfRAfAfAfAfAfRAAfRxdxvRvRVkcxxkcRxdVdRRxRRxRRxxRRxVRsvkcRx根據(jù)循環(huán)反應(yīng)器計(jì)算公式求=0得用試差法求得，

4、當(dāng)時，代入循環(huán)反應(yīng)器計(jì)算得7-37212120020022.00.4:2.011=0.7142.00.410.210.2 *10 * (10.8)0.714 * 0.80.5711.4282.00.4:110.2AfAfAoAoAAAAAAAAAAAfAAfAAfAfccAcAcAAAfAArrrccCSTRrcrcccxcccchrccPFRdcdcccccc 20.4760.476 * 0.80.3810.4242.00.4AfAofAcAcAAxdchcc 在一定的反應(yīng)溫度下A發(fā)生下述平行反應(yīng)：其中R是主產(chǎn)物，S是副產(chǎn)物。原料為純的反應(yīng)物A，初始濃度為10kmol/m3。出口A的轉(zhuǎn)化率為

5、80%。比較CSTR和PFR中，R的選擇率、收率及停留時間。反應(yīng)過程中體積的變化可忽略不計(jì)。12312322.0(/()20.2(/()AkAkARrcmolmhASrcmolmh 8-112325332535551 21 31 21 3510107.854104436103610458.365/ ()7.85410458.3651 103600Re4.2443 103 100.751410Re1.94.2440.753.5563.5564101PgPDSGkgmhSd GScDShAScShDkd3233,4,140.142/10666000/1 100.11.174100.14260001

6、11111.17410PnA bgA bgmsammdkckDak ack aDa等溫固定床反應(yīng)器，氣固催化反應(yīng) ，一級反應(yīng)，已知反應(yīng)器直徑為10mm。進(jìn)口氣體流量36L/h，催化劑顆粒直徑1mm，在反應(yīng)溫度下，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.1s-1（以催化劑體積為基準(zhǔn)）。假定反應(yīng)物系氣體密度為1kg/m3，粘度為3*10-5Pa.s，擴(kuò)散系數(shù)為4*10-5m2/s，估算 ？AP8-21流化床反應(yīng)器，氣固催化，反應(yīng)速率方程 ，已知k=0.741s-1，氣速為0.2m/s，氣體擴(kuò)散系數(shù)為8*10-5m2/s，氣體密度為0.558kg/m3，粘度為3*10-5Pa.s，床層孔隙率 ，顆粒平均直徑為4*10-

7、4m，流化床傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式為 ，估算 ？AArkc0.51 21 220.6ReShSc45551 21 31 21 354234,4100.20.558Re1.4883 103 100.6720.58881020.6 Re20.61.4880.6722.6412.6418100.528/4106(1)6(10.5)7500/410PgPPA bd uScDShScShDkmsdammdkcDa4,140.7411.871 100.5287500111111.871 10ngA bgkk ack aDa8-7一級流固催化反應(yīng)，在 的球形催化劑顆粒上進(jìn)行，床層孔隙率 ，流體線速度為u=0.1m/s，

8、以固定床反應(yīng)速率常數(shù)k=0.5s-1算，計(jì)算下列兩種情況外擴(kuò)散的影響：（1）流體混合平均密度 ，黏度 ，擴(kuò)散系數(shù) 。（2）流體混合平均密度 ，黏度 ，擴(kuò)散系數(shù) 。5Pdmm0.431/gkg m53 10 Pa s 524 10/Dms3310/fkg m310 Pa s1028 10/Dms 35551 21 31 21 353233,5100.1 1Re16.673103100.751410Re1.916.670.757.0477.0474100.0564/5106(1)6(10.4)720/5100.PgPPnA bgA bgd uScDShAScShDkmsdammdkckDak ac

9、k a150.01230.0564720110.988110.0123Da(1)33333101 21 31 21 31053233,5100.1 10Re5001010125010810Re1.95001250457.659457.6598107.32310/5106(1)6(10.4)720/510PgPPnA bgA bd uScDShAScShDkmsdammdkckDak ac510.59.4847.32310720110.095119.484gk aDa(2)8-14固體催化劑上進(jìn)行A的一級分解反應(yīng)，已知顆粒直徑dp=2.4mm，固體顆粒與氣體給熱系數(shù)h=167.2kJ/(m2h)

10、，傳質(zhì)分系數(shù)kg=300m3/(m2(cat)h)，顆粒有效擴(kuò)散系數(shù)De=5*10-5m3/(m(cat)h)，顆粒有效導(dǎo)熱系數(shù) ，反應(yīng)參數(shù)：求：(1)氣膜阻力是否有影響； (2)內(nèi)擴(kuò)散阻力是否有強(qiáng)的影響； (3)估計(jì)顆粒內(nèi)部溫度差以及顆粒表面與氣流主體的溫度差。1.672/( ()ekJm cath3,53()167.2/,20/(0.1,336),10()rA bHkJ molAcmol mMPaCRmol m cath233531,311662500/2.410106.6710300250020116.67101PgA bammdRDak acDa對一級反應(yīng)，外擴(kuò)散影響可忽略(1)352

11、225,2.41010214420510PA ber RcD 內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重(2)53,max3,1()510167.210200.11.67210()()()(1)()40erA esergSbA bA esrgA esA bA brgA bDHcTCHkTTcchHkcchcHkcDahC顆粒內(nèi)溫差：顆粒表面與氣流主體溫差：(3)8-15在一轉(zhuǎn)框反應(yīng)器中測得氣固催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：若顆粒溫度均勻，且等于氣流主體溫度，試分析內(nèi)外傳質(zhì)阻力情況。實(shí)驗(yàn)序號實(shí)驗(yàn)序號（1）（2）（3）進(jìn)料流量V896進(jìn)口濃度cA0344出口濃度cAf222催化劑重量W493顆粒直徑dp221轉(zhuǎn)速N20050050

12、0實(shí)驗(yàn)序號實(shí)驗(yàn)序號（1）（2）（3）表觀速率RA2240AAfAccRVW由（1）（2）組，dp相同，N不同，但RA不變，表明外擴(kuò)散不存在影響；由（2）（3）組，dp不同，N相同，但RA不同，表明內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重。8-18用直徑6mm的球形催化劑顆粒進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，氣相主體中反應(yīng)物A的摩爾分率為0.5，操作壓力為0.10133MPa，溫度為500，已知單位體積床層的反應(yīng)速率常數(shù)k=0.333s-1，床層孔隙率為0.5，組分A的粒內(nèi)有效擴(kuò)散系數(shù)De= 2.96*10-3cm2/s ，外擴(kuò)散系數(shù)為40m/h，求：（1）催化劑的內(nèi)表面利用率，并判斷內(nèi)擴(kuò)散影響程度；（2）催化劑外表面濃度cA，es，

13、并判斷外擴(kuò)散影響程度；（3）計(jì)算表觀反應(yīng)速率。320.3330.34.5(1)2.9610(10.5)311()0.52tanhPekRD表明內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重(1),2,233,2,3,3,=()6(1)6(10.5)500/6100.520.3330.03124050036000.101330.50.00788/0.0083157730.00764/gA bA esA esPA bA esA esgAA bA esR kacckcammdcckck aPyckmolmRTckmolm表明有外擴(kuò)散影響，但不嚴(yán)重(2),3=()40500(0.007880.00764)3600=/ (s)gA b

14、A esR kacckmolm(3)*例8-12（p131）化學(xué)反應(yīng)工程原理例題與習(xí)題8-21苯加氫制環(huán)己烷的催化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為150，測得反應(yīng)速率常數(shù)k=5s-1，有效擴(kuò)散系數(shù)De= 0.2cm2/s。求：（1）當(dāng)顆粒直徑為100m時，內(nèi)擴(kuò)散影響是否排除；（2）若保持催化劑內(nèi)部效率因子 ，則催化劑顆粒直徑應(yīng)該是多少。20.86421001050.02520.210311()0.999961tanhPekRD內(nèi)擴(kuò)散影響可排除(1)450050025005003355000.21031131()()=0.8tanh5005004.12108.2410PPPPPPPeRRRRPPPPkRRRDe

15、eReeRMatlabRmdm編程求解(2)10-1已知反應(yīng) ，液體平均熱熔為1.003 kJ/(kgK), 密度為0.5 kg/m3，反應(yīng)熱為(-H)=125.4 kJ/mol A，在總壓為0.1 MPa，T=325以下，以8%的A和92% B（V/V）的原料氣，40 kmol/h，流率通過反應(yīng)器，求該過程的絕熱溫升？ABP630000.1 100.081.61/8.314(325273)()402.4AAAadpPcykmolmRTH cTKc10-2醋酸乙烯生產(chǎn)在列管式反應(yīng)器中進(jìn)行，已知反應(yīng)活化能E=50.16kJ/mol，床層平均溫度為130，床層熱點(diǎn)溫度為188，試從反應(yīng)器熱穩(wěn)定性要

16、求計(jì)算冷卻介質(zhì)溫度。2,max238.314(188273)(188273)50.1610426cRTTTEK10-7一級不可逆熱反應(yīng) ，在容積Vr=1.5 m3的CSTR中絕熱操作。原料中A的濃度為cA0=0.4 mol/L，進(jìn)料流量為100 L/min，進(jìn)料溫度為288K，反應(yīng)速率方程為：反應(yīng)熱(-H)=209.2 kJ/mol，反應(yīng)物料密度和比熱均為常數(shù)，其值分別為1.05和2.93 J/(g K)，試計(jì)算在絕熱條件下是否存在多態(tài)，并計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率。 AP00000022()()()()()=1+()1+(1+)pARAAppAAAgAv cTTH kc VHHTTkcAkcAcccCSTRckkTTAckdQAcEkdTRTk 先考慮是否存在多態(tài)。對絕熱過程坐熱量衡算：（令）中，一級反應(yīng)，有代入上式得： 求導(dǎo)可得: 75525.61.798 10 exp()/(min)AArcmolLT2022232230max222(2)() (1+)0-2=21.5 1015m