化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題答案詳解

化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題答案詳解第1頁/共72頁第2頁/共72頁分析：等當(dāng)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。第3頁/共72頁習(xí)題3-2解答(反應(yīng)時間與反應(yīng)體積無關(guān)）第4頁/共72頁習(xí)題3-3解答（1）PFR（2）CSTR解：（1）（2）操作條件不變，等體積反應(yīng)器，則第5頁/共72頁習(xí)題3-4解答平推流全混流第6頁/共72頁習(xí)題3-5解答第7頁/共72頁習(xí)題3-6解答解：（1）串聯(lián)兩個體積0.25m3的CSTR試求下列方案的轉(zhuǎn)化率。第8頁/共72頁第9頁/共72頁（2）一個0.25m3的CSTR，后接一個0.25m3的PFR第10頁/共72頁（3）一個0.25m3的PFR，后接一個0.25m3的CSTR第11頁/共72頁（4）兩個0.25m3的PFR串聯(lián)第12頁/共72頁第13頁/共72頁習(xí)題3-7講解3-7已知：下列各種情況下的反應(yīng)體積。解：（1）單個PFR第14頁/共72頁第15頁/共72頁（2）單個CSTR第16頁/共72頁（3）兩個CSTR串聯(lián)第17頁/共72頁第18頁/共72頁習(xí)題3-8講解3-8已知：如何調(diào)節(jié)加料速率，解：當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率時第19頁/共72頁第20頁/共72頁加料速率減小到原來的1/3倍，可使轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.5。第21頁/共72頁習(xí)題3-9講解3-9已知：進(jìn)料濃度為CA0。試證明在PFR中，L最大收率為證明：第22頁/共72頁對于PFR：第23頁/共72頁第24頁/共72頁證畢。第25頁/共72頁習(xí)題3-10解答已知：B大量過量，tcAcMt10.0550.038t20.010.042【分析與解答】第26頁/共72頁結(jié)果為：解：（1）由于是間歇反應(yīng)器，所以液相反應(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。tcAcLcMt10.0550.0070.038t20.010.0480.042第27頁/共72頁第28頁/共72頁第29頁/共72頁第30頁/共72頁習(xí)題3-11解答解：對于CSTR：第31頁/共72頁對于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：第32頁/共72頁證畢。第33頁/共72頁習(xí)題3-12解答在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行基元反應(yīng)L為目的產(chǎn)物，已知，求L的最大收率及最優(yōu)接觸時間。解：根據(jù)同11題一樣，求L的最大濃度。第34頁/共72頁數(shù)學(xué)知識：一階非齊次線性微分方程：的通解為第35頁/共72頁則該反應(yīng)的最佳時間為：CL存在極大值的必要條件是：CL的最大濃度為：第36頁/共72頁習(xí)題3-13解答CSTR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)點第37頁/共72頁第38頁/共72頁935.45分別作T~QR、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=310KT2=345K187.09第39頁/共72頁第40頁/共72頁第41頁/共72頁3、為什么將流動模型中的“混合”稱為“返混”？12456101173981513121416171819202122232425262728291~30有序無序1~30物料粒子從出口流出狀況①先流入的物料粒子不一定先流出②同時流入的物料粒子不一定同時流出③物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間各不相同第42頁/共72頁反應(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——①物料粒子從反應(yīng)進(jìn)口算起，到出口為止所耗費(fèi)的時間；②物料粒子的標(biāo)簽，以區(qū)別物料在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)時間的不同；③描述物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)返混程度強(qiáng)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(qiáng)還是弱？第一節(jié)理想流動模型概述第43頁/共72頁物料粒子：②反應(yīng)物料的最小構(gòu)成單元；①認(rèn)識反應(yīng)物料的一種概念模型；③既不屬于微觀粒子，也不屬于宏觀顆粒；④等同于流體質(zhì)點假說；⑤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)理想流動模型概述第44頁/共72頁流動模型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(dá)到最大程度的“返混”第一節(jié)理想流動模型概述第45頁/共72頁理想流動反應(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。間歇反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器——無返混，物料粒子同進(jìn)同出?！獰o返混，物料粒子同進(jìn)同出。——返混程度極大，不同停留時間的物料粒子混合均勻。（BSTR）（PFR）（CSTR）連續(xù)流動反應(yīng)器第一節(jié)理想流動模型概述第46頁/共72頁沒有混合（BSTR）（PFR）（CSTR）（平推流反應(yīng)器）間歇反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器第一節(jié)理想流動模型概述第47頁/共72頁思考題：試比較混合與返混的區(qū)別?；旌戏祷?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（BSTR）有混合無返混第一節(jié)理想流動模型概述第48頁/共72頁偏離平推流的情況漩渦運(yùn)動：渦流、湍動、碰撞填料截面上流速不均勻溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻第一節(jié)理想流動模型概述第49頁/共72頁偏離全混流的情況死角短路攪拌造成的再循環(huán)第一節(jié)理想流動模型概述第50頁/共72頁流動狀況對化學(xué)反應(yīng)的影響

-----由物料粒子的停留時間不同所造成短路、溝流停留時間減少轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、再循環(huán)停留時間過長A+B→P：有效反應(yīng)體積減少A+B→P→S產(chǎn)物P減少→停留時間的不均第一節(jié)理想流動模型概述第51頁/共72頁反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式反應(yīng)動力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件最大反應(yīng)效果+反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計算所需反應(yīng)器體積規(guī)定任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化第52頁/共72頁反應(yīng)器設(shè)計的基本方程物料衡算方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量流入流出反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式整個反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√反應(yīng)器積累第53頁/共72頁反應(yīng)器設(shè)計的基本方程熱量衡算方程帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量帶入帶出反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式整個反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√傳給環(huán)境反應(yīng)器累積第54頁/共72頁反應(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(jìn)行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。第55頁/共72頁例題講解請考慮化學(xué)反應(yīng)該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為20℃，液料的體積流量為0.5m3/h,CA0=96.5mol/m3,CB0=184mol/m3,催化劑的濃度CD=6.63mol/m3。實驗測得該反應(yīng)的速度方程為：

rA=kCACD式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的轉(zhuǎn)化率為40%，試求反應(yīng)器的體積。第56頁/共72頁解：設(shè)A的轉(zhuǎn)化率為x，則有：對于全混流反應(yīng)器，應(yīng)有：第57頁/共72頁3-7理想流動反應(yīng)器的組合與反應(yīng)體積比較比較基準(zhǔn)相同的反應(yīng)，（一級不可逆反應(yīng)）相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率相同體積比較參量（比什么）——不同組合方式下的出口濃度全混流第58頁/共72頁平推流mi1對于i級……第59頁/共72頁(a)CSTR——CSTR并聯(lián)物料處理量V0均分到每個CSTR，則結(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。分母增大殘余濃度低停留時間延長第60頁/共72頁(b)CSTR——CSTR串聯(lián)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。第61頁/共72頁(c)PFR——CSTR串聯(lián)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。第62頁/共72頁(d)CSTR——PFR串聯(lián)結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若用CSTR

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PFR串聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度和轉(zhuǎn)化率同?等效。第63頁/共72頁(e)PFR——PFR并聯(lián)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。第64頁/共72頁(g)PFR——CSTR并聯(lián)結(jié)論：完成相同生產(chǎn)任務(wù)，若用PFR

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CSTR并聯(lián)組合生產(chǎn)，殘余濃度為兩者混合物的平均濃度。第65頁/共72頁相同的反應(yīng)，相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率理想流動反應(yīng)器反應(yīng)體積比較比較基準(zhǔn)比較參量（比什么）CSTR反應(yīng)體積PFR反應(yīng)體積——不同理想反應(yīng)器的反應(yīng)體積第66頁/共72頁相同的反應(yīng)，相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率理想流動反應(yīng)器反應(yīng)體積比較比較基準(zhǔn)比較參量（比什么）CSTR反應(yīng)體積PFR反應(yīng)體積——不同理想反應(yīng)器的反應(yīng)體積第67頁/共72頁比較基準(zhǔn)相同的反應(yīng)，相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率比較參量（比什么）（一級不可逆反應(yīng)）多級CSTR與PFR比較第