化工原理習題及答案 釜式反應器

3釜式反響器3.1在等溫間歇反響器中進行乙酸乙酯皂化反響：該反響對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反響開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反響速率常數(shù)等于5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率到達95%。試問：〔1〕

當反響器的反響體積為1m3〔2〕

假設(shè)反響器的反響體積為2m3，解：〔1〕(2)因為間歇反響器的反響時間與反響器的大小無關(guān)，所以反響時間仍為2.83h。

3.2擬在等溫間歇反響器中進行氯乙醇的皂化反響：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20㎏/h，使用15%〔重量〕的NaHCO3水溶液及30%〔重量〕的氯乙醇水溶液作原料，反響器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為1：1，混合液的比重為1.02。該反響對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在反響溫度下反響速率常數(shù)等于5.2l/mol.h，要求轉(zhuǎn)化率到達95%?！?〕

假設(shè)輔助時間為0.5h，試計算反響器的有效體積；〔2〕

假設(shè)裝填系數(shù)取0.75，試計算反響器的實際體積。解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為80.5,84和62kg/kmol,每小時產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小時需氯乙醇：每小時需碳酸氫鈉：原料體積流量：氯乙醇初始濃度：反響時間：反響體積：〔2〕

反響器的實際體積：

3.3丙酸鈉與鹽酸的反響：為二級可逆反響〔對丙酸鈉和鹽酸均為一級〕，在實驗室中用間歇反響器于50℃時間，min010203050∝NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5現(xiàn)擬用與實驗室反響條件相同的間歇反響器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要到達平衡轉(zhuǎn)化率的90%。試計算反響器的反響體積。假定〔1〕原料裝入以及加熱至反響溫度〔50℃解：用A,B,R,S分別表示反響方程式中的四種物質(zhì)，利用當量關(guān)系可求出任一時刻鹽酸的濃度〔也就是丙酸鈉的濃度，因為其計量比和投量比均為1：1〕為：于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)化率：現(xiàn)以丙酸濃度對時間作圖：

由上圖，當CA=0.0515×14.7mol/l時，所對應的反響時間為48min。由于在同樣條件下，間歇反響器的反響時間與反響器的大小無關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反響器的反響時間也是48min。丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸鈉的量為:112.6/0.72=156.4mol/min。原料處理量為：反響器體積：實際反響體積：

3.4在間歇反響器中，在絕熱條件下進行液相反響：其反響速率方程為：式中組分A及B的濃度CA及CB以kmol/m3為單位，溫度T的單位為K。該反響的熱效應等于-4000kJ/kmol。反響開始時溶液不含R，組分A和B的濃度均等于0.04kmol/m3，反響混合物的平均熱容按4.102kJ/m3.K計算。反響開始時反響混合物的溫度為50℃〔1〕

試計算A的轉(zhuǎn)化率達85%時所需的反響時間及此時的反響溫度。〔2〕

如果要求全部反響物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R，是否可能？為什么？解：(1)〔由數(shù)值積分得出〕(2)假設(shè)A全部轉(zhuǎn)化為R,即XA=1.0,那么由上面的積分式知，t→∝,這顯然是不可能的。

3.5在間歇反響器中進行液相反響：A的初始濃度為0.1kmol/m3,C，D的初始濃度為零，B過量，反響時間為t1時，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038kmol/m3，而反響時間為t2時，CA=0.01kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，試求：〔1〕

k2/k1;〔2〕

產(chǎn)物C的最大濃度；〔3〕

對應C的最大濃度時A的轉(zhuǎn)化率。解：(1)因為B過量，所以：恒容時：〔A〕(B)〔B〕式除以〔A〕式得：解此微分方程得：〔C〕將t1,CA,CC及t2,CA,CC數(shù)據(jù)代入〔C〕式化簡得：解之得：(2)先求出最大轉(zhuǎn)化率:(3)產(chǎn)物C的最大收率：產(chǎn)物C的最大濃度：

3.6在等溫間歇反響器中進行液相反響初始的反響物料中不含A2和A3，A1的濃度為2mol/l，在反響溫度下k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。試求:〔1〕

反響時間為1.0min時，反響物系的組成。〔2〕

反響時間無限延長時，反響物系的組成?！?〕

將上述反響改為反響時間無限延長時，反響物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反響情況，可分別列出微分方程，然后進行求解。但仔細分析這兩種情況，其實質(zhì)是下述反響的特例：(A)當時，〔A〕式變?yōu)?B)當時，〔A〕式變?yōu)?C)當時，〔A〕式變?yōu)?D)其中式〔D〕即為書講的一級不可逆連串反響?？梢娭灰玫健睞〕式的解，那么可容易化簡得到〔B〕,(C)及(D)式的解。對于(A)式，可列出如下微分方程組：(1)(2)(3)由題意知初始條件為：(4)聯(lián)立求解此微分方程組可得：(5)(6)(7)式中，由如下式確定：(8)(9)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對此題進行計算：〔1〕由〔5〕～〔9〕式得〔2〕當t→∝時，由〔5〕～〔9〕式得〔3〕此時為的情況，當t→∝時，由得：

3.7擬設(shè)計一反響裝置等溫進行以下液相反響：目的產(chǎn)物為R，B的價格遠較A貴且不易回收，試問：〔1〕

如何選擇原料配比？〔2〕

假設(shè)采用多段全混流反響器串聯(lián)，何種加料方式最好？〔3〕

假設(shè)用半間歇反響器，加料方式又如何？解：〔1〕由上式知，欲使S增加，需使CA低，CB高，但由于B的價格高且不易回收，故應按主反響的計量比投料為好?！?〕保證CA低，CB高，故可用以下圖所示的多釜串聯(lián)方式：

〔3〕用半間歇反響器，假設(shè)欲使CA低，CB高，可以將B一次先參加反響器，然后滴加A.3.8在一個體積為300l的反響器中86℃等溫下將濃度為3.2kmol/m3生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反響為一級反響，反響溫度下反響速率常數(shù)等于0.08s-1,最終轉(zhuǎn)化率達98.9%，試計算苯酚的產(chǎn)量?！?〕

如果這個反響器是間歇操作反響器，并設(shè)輔助操作時間為15min;〔2〕

如果是全混流反響器；〔3〕

試比擬上二問的計算結(jié)果；〔4〕

假設(shè)過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？解：〔1〕苯酚濃度苯酚產(chǎn)量〔2〕全混流反響器苯酚產(chǎn)量〔3〕說明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反響物濃度低，反響速度慢的原因?！?〕由于該反響為一級反響，由上述計算可知，無論是間歇反響器或全混流反響器，其原料處理量不變，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩個反響器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。

3.9在間歇反響器中等溫進行以下液相反響：rD及rR分別為產(chǎn)物D及R的生成速率。反響用的原料為A及B的混合液，其中A的濃度等于2kmol/m3?！?〕

計算A的轉(zhuǎn)化率達95%時所需的反響時間；〔2〕

A的轉(zhuǎn)化率為95%時，R的收率是多少？〔3〕

假設(shè)反響溫度不變，要求D的收率達70%，能否辦到？〔4〕

改用全混反響器操作，反響溫度與原料組成均不改變，保持空時與〔1〕的反響時間相同，A的轉(zhuǎn)化率是否可到達95%？〔5〕

在全混反響器中操作時，A的轉(zhuǎn)化率如仍要求到達95%，其它條件不變，R的收率是多少？〔6〕

假設(shè)采用半間歇操作，B先放入反響器內(nèi)，開始反響時A按〔1〕計算的時間均速參加反響器內(nèi)。假設(shè)B的量為1m3，A為0.4m解：〔1〕第二章2.9題已求出t=0.396h=24.23min(2)(3)假設(shè)轉(zhuǎn)化率仍為0.95，且溫度為常數(shù)，那么D的瞬時選擇性為：D的收率：這說明能使D的收率到達70%〔4〕對全混流反響器，假設(shè)使τ=t=0.3958h,那么有解之得：CA=0.4433所以：這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達不到95%。〔5〕

對全混流反響器，假設(shè)X=0.95,那么R的收率為：〔6〕依題意知半間歇式反響器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組A的轉(zhuǎn)化率及R的收率，需要求出A及R的濃度隨時間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：對A:〔1〕對R:〔2〕〔3〕在反響時間〔t=0.4038h,為方便起見取t≈0.4h〕內(nèi)將0.4m3的A均速參加反響器內(nèi)，故采用間歇釜操作時，原料為A與B的混合物，A的濃度為2kmol/m3.現(xiàn)采用半間歇釜操作，且，故可算出原料A的濃度為：由于：代入〔1〕，〔2〕式那么得如下一階非線性微分方程組：〔4〕〔5〕初始條件：t=0,CA=0,CR=0可用龍格---庫塔法進行數(shù)值求解。取步長△t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h時的CA和CR可以進行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計算：式中VA為所參加的A的體積，且VA=0.4m3;CA0為所參加的A的濃度，且CA0=7kmol/m3；V為反響結(jié)束時物系的體積，V=1.4m同理可以計算出R的收率：3.10在兩個全混流反響器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進行液相反響：加料中組分A的濃度為0.2kmol/m3,流量為4m3〔1〕

總反響體積的最小值是多少？〔2〕

此時目的產(chǎn)物B的收率是多少？〔3〕

如優(yōu)化目標函數(shù)改為B的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少？此時總反響體積最小值是多少？解：〔1〕對上式求dVr/dXA1=0可得：將XA2=0.9代入上式，那么解之得XA1=0.741所以總反響體積的最小值為(2)即解得CB1=0.005992kmol/m3同理解得CB2=0.00126kmol/m3B的收率：(3)目標函數(shù)改為B的收率，這時的計算步驟如下：對于第i個釜，組分A,B的衡算方程分別為：對A:對B:當i=1時，〔1〕〔2〕當i=2時，〔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;將CB1及CA2代入〔4〕式可解出CB2,其為τ1,τ2的函數(shù)，即〔5〕式中CA0為常數(shù)。由題意，欲使CB2最大，那么需對上述二元函數(shù)求極值:聯(lián)立上述兩個方程可以求出τ1及τ2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時反響器系統(tǒng)的總體積。將τ1,τ2代入〔5〕式即可求出B的最高濃度，從而可進一步求出YBmaX.將τ1,τ2代入CA2，那么由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率。

3.11在反響體積為490cm3的CSTR中進行氨與甲醛生成烏洛托品的反響：式中〔A〕--NH3,(B)—HCHO,反響速率方程為：式中。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量進入反響器，反響溫度可取為36℃，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率XA及反響器出口物料中氨和甲醛的濃度CA及CB。解：即得：整理得：解得：XAf=0.821反響器出口A,B得濃度分別為：

3.12在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h的乙醇和1.8kg.h的醋酸進行可逆反響。各個反響器的體積均為0.01m3，反響溫度為100℃，酯化反響的速率常數(shù)為4.76×10-4l/mol.min,逆反響〔酯的水解〕的速率常數(shù)為1.63×10-4l/mol.min。反響混合物的密度為解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B,C,D分別代表乙酸，乙酸乙酯和水。由計量關(guān)系得：從條件計算出：將上述數(shù)據(jù)代入〔A〕式，化簡后得到：假設(shè)i=1,那么〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭僭O(shè)i=2,那么〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭僭O(shè)i=3,那么〔B〕式變?yōu)椋航庵茫杭矗喝?lián)能滿足要求。

3.13以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反響可制得醋酸丁酯。倉庫里閑置著兩臺反響釜，一臺的反響體積為3m3,另一臺那么為1m3?，F(xiàn)擬將它們用來生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的0.濃度為0.15kmol/m3，丁酯那么大量過剩，該反響對醋酸為2級，在反響溫度下反響速率常數(shù)等于解：因為反響級數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應當是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進行計算：二式聯(lián)立化簡后得到：〔將XA2=0.5代入〕解之得：XA1=0.223醋酸丁酯產(chǎn)量=如果進行的是一級反響，可進行如下計算：〔1〕

小反響器在前，大反響器在后:聯(lián)立二式，且將XA2=0.5代入，化簡后得到:解得：XA1=0.1771所以有：醋酸丁酯產(chǎn)量=(2)大反響器在前，小反響器在后:解得XA1=0.3924所以有：產(chǎn)量同前。說明對此一級反響，連接方式?jīng)]有影響。

3.14等溫下進行1.5級液相不可逆反響：。反響速率常數(shù)等于5m1.5/kmol1.5.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進入反響裝置的流量為1.5m3/h，試分別計算以下情況下A的轉(zhuǎn)化率達95%時所需的反響體積：〔1〕全混流反響器;(2)兩個等體積的全混流反響器串聯(lián)；〔3〕保證總反響體積最小的前提下，兩個全混流反響器串聯(lián)。解：〔1〕全混流反響器〔2〕

兩個等體積全混流反響器串聯(lián)由于，所以由上二式得：將XA2=0.95代入上式，化簡后得到XA1=0.8245，所以：串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：〔3〕

此時的情況同〔1〕，即

3.15原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反響體積為20mCA,CR為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，rD為D的生成速率。原料中A的濃度等于0.1kmol/m3，反響溫度下，k1=0.1min-1，k2=1.25m3解：所以：即為：

3.16在全混流反響器中等溫進行以下液相反響：進料速率為360l/h,其中含25%A,5%C〔均按質(zhì)量百分率計算〕，料液密度等于0.69g/cm3。假設(shè)出料中A的轉(zhuǎn)化率為92%，試計算：〔1〕

所需的反響體積；〔2〕

B及D的收率。操作溫度下，k1=6.85×10-5lk2=1.296×10-9s-1;;k3=1.173×10-5l解：因MB=MD=140,所以MA=MC=70〔1〕〔2〕〔3〕由〔2〕，〔3〕式分別得：〔4〕〔5〕將〔4〕，〔5〕式及上述數(shù)據(jù)代入〔1〕式，可整理為τ的代數(shù)方程式，解之得τ=3.831×105s=106.4h〔1〕

反響體積〔2〕

將τ代入〔4〕式得，所以B的收率為：對A作物料衡算：所以有：所以D的收率為：

3．17在CSTR中進行下述反響：〔1〕〔2〕〔3〕如果k1/k2=8,k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯對苯的加料比=1.4，k1τ=1l/mol,(τ為空時)，試計算反響器出口B,M,D,T,C的濃度。各個反響對各反響物均為一級。解：分別列出組分B,M,D,T,C的物料衡算式：(1)(2)(3)(4)(5)由〔5〕式得：(6)聯(lián)立〔1〕,(2),(3),(4),〔6〕式〔五個方程，五個未知數(shù)〕：由〔2〕式得：(7)由〔3〕式得：(8)將〔1〕,(7),〔8〕式代入〔6〕得：整理得：解得：CC=0.908kmol/m3代入〔1〕式得：代入〔7〕式得：代入〔8〕式得：代入〔4〕式得：驗證：即：

3．18根據(jù)例題3.12中規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，使用圖解法分析此反響條件下是否存在多定態(tài)點？如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使原料以0.001m3解：由例3.11,3.12知：移熱速率方程：〔1〕放熱速率方程：〔2〕絕熱操作方程：〔3〕由〔3〕式得：〔4〕〔4〕

代入〔2〕式得：〔5〕由〔1〕式及〔5〕式作圖得：T326330340350360362.5365367.5370qg44.163.87149.7314.8586.7670.8756.8851.8942.1由上圖可知，此反響條件下存在著兩個定態(tài)點。如果為了提高順丁烯二酸酐的轉(zhuǎn)化率，使Q0=0.001m3/s,而保持其它條件不變，那么這時的移熱速率線如q’r所示。由圖可知，q’r與qg

3．19根據(jù)習題3.3所規(guī)定的反響及給定數(shù)據(jù)，現(xiàn)擬把間歇操作改為連續(xù)操作。試問：〔1〕

在操作條件均不變時，丙酸的產(chǎn)量是增加還是減少？為什么？〔2〕假設(shè)丙酸鈉的轉(zhuǎn)換率和丙酸產(chǎn)量不變，所需空時為多少？能否直接應用3.3中的動力學數(shù)據(jù)估算所需空時?〔3〕假設(shè)把單釜操作改變?nèi)?lián)，每釜平均停留時間為〔2〕中單釜操作時平均停留時間的三分之一，試預測所能到達的轉(zhuǎn)化率。解：〔1〕在操作條件均不變時，用習題3.3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,那么可求出空時為τ=4512/57.84=78min。此即間歇操作時的(t+t0)。當改為連續(xù)操作時，轉(zhuǎn)化率下降了，所以反響器出口丙酸的濃度也低于間歇反響器的結(jié)果。因Q0維持不變，故最后必然導致丙酸的產(chǎn)量下降。這是由于在連續(xù)釜中反響速率變低的緣故?！?〕假設(shè)維持XA=0.72，那么可由3.3題中的數(shù)據(jù)得出XA=0.72時所對應的反響速率，進而求出這時對應的空時τ=246.2min。因題意要求丙酸產(chǎn)量不變，故Q0不能變，必須將反響器體積增大至14240l才行?！?〕這時τ1=τ/3=82.1min。利用3.3題中的數(shù)據(jù)，可求出RA～XA之關(guān)系，列表如下：XA00.10.20.40.60.8-RA0.17190.13910.10960.060160.023630故可用作圖法求此串聯(lián)三釜最終轉(zhuǎn)化率。第三釜出口丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率為：XA3=0.787。

3．20根據(jù)習題3.8所規(guī)定的反響和數(shù)據(jù)，在單個全混流反響器中轉(zhuǎn)化率為98.9%，如果再有一個相同大小的反響釜進行串聯(lián)或并聯(lián)，要求到達同樣的轉(zhuǎn)化率時，生產(chǎn)能力各增加多少？解：〔1〕二個300l全混串聯(lián)釜，XA2=0.989，〔1〕〔2〕解得：XA1=0.8951代入〔1〕式求出此系統(tǒng)的體積流量：3.8題中已算出。因為最終轉(zhuǎn)化率相同，故生產(chǎn)能力增加168.7/16.02=10.53倍?！?〕二個300l釜并聯(lián)，在最終轉(zhuǎn)化率相同時，Q0增加一倍，生產(chǎn)能力也增加一倍。

3．21在反響體積為0.75m3的全混流反響器中進行醋酐水解反響，進料體積流量為0.05m3/min,醋酐濃度為0.22kmol/m3,溫度為25℃k=1.8×10-7exp(-5526/T),min-1反響物料的密度為常數(shù)，等于1050kg/m3,熱容可按2.94kJ/kg.℃計算。該反響器沒有安裝換熱器，僅通過反響器壁向大氣散熱。試計算：(