天津大学反应工程经典计算题

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1、5 在间歇釜中一级不可逆反应 液相反应 A 2R AA kCr kmol m 3 h k 9 52 109exp 7448 4 T h 1 0A C 2 3 kmol m 3 R M 60 0R C 0 若转化率 A x 0 7 装置的生产能力为 50000 kg 产物 R 天 求 50 等 温操作所需反应器的有效容积 用于非生产性操作时间 t0 0 75 h 解 反应终了时 R 的浓度为 22 32 3 0 mkmolxCC AAR A x A A x A A A xkx dx kkC dx Ct AA 1 1 ln 1 1 1 00 0 92 0 50273 4 7448 exp1052

2、9 9 k 31 1 7 01 1 ln 92 0 1 ht 24 50000 0 tt MVC RR 2 22 6022 324 06 250000 3 mV 6 CH2 CHCH CH2 A CH2 CH COOCH3 B COOCH3 C 该反应在全混流反应器中 进行 以 AlCl3为催化剂 反应温度 20 液料的体积流速为 0 5 m 3 h 丁二烯和丙烯酸甲酯的初始浓度分别为 0A C 96 5 mol m 3 0B C 184 mol m 3 催化剂的浓度为 D C 6 63 mol m 3 速率方程 DAA CkCr 式中 k 1 15 10 3 m3 mol ks 若要求丁二烯

3、转化率为 40 求 1 反应器的体积 V 2 容积效率 解 1 A B C DAADA A A CxkCCkC dt dC r 1 0 对于全混流反应器 DA A DAA AA A AA Cxk x CxkC xC r xC 1 1 0 00 28 24 4 87 63 6 4 01 1015 1 4 0 3 hks 0 v V hmv 5 0 3 0 3 0 14 125 028 24mvV 2 在分批式反应器内的反应时间为 67 1 1 0 4 0 0 0 ks x dx kCr dx Ct A x A A DA A A 766 0 4 87 67 t 7 在全混流反应器中一级不可逆反应

4、液相反应 A 2R AA kCr kmol m 3 h k 9 52 109exp 7448 4 T h 1 0A C 2 3 kmol m 3 R M 60 0R C 0 若转化率 A x 0 7 装置的生产能力为 50000 kg 产物 R 天 求 50 等 温操作所需反应器的有效容积和它的容积效率 用于非生产性操作时间 t0 0 75 h 解 1 进料速度 v0 AAR xCC 0 2 R AAR M xvCCv 24 50000 2 000 60 7 0 3 2 0 RAA MxC以 hmv 78 10 7 03 226024 50000 3 0 2 反应器有效容积 V 1 0 0A

5、A A AA xk x kC xC v V 30 34 27 1 m xk xv V A A 3 A x A A x A A A xkx dx kkC dx Ct AA 1 1 ln 1 1 1 00 0 92 0 50273 4 7448 exp1052 9 9 k 31 1 7 01 1 ln 92 0 1 ht 516 0 54 2 13 1 t 8 现有一有效容积为 0 75m 3的搅拌釜反应器 其内设置有换热面积为 5 0m2的冷却盘管 欲利用改反应器来进行 A R的 一 级 不 可 逆 的 液 相 反 应 其 速 率 常 数 9 5525 exp100788 1 19 h T k

6、反 应 热 molAJHr 20921 原料液中 A 的浓度 lmolCA 2 0 0 但不含反应产物 R 此原料液的密度 1050g l 定压比热 929 2 P C J g 要求原料液的进料流率为 hmv 3 3 0 反应器出口的反应液中 lmolCA 04 0 总传热系数 U 209 2 KJ m 2 h 所用的冷却介质的温度为 25 试求满足上述反应要 求所需的反应温度以及料液的起始温度 T0 解 1 计算反应温度 T kC C A A 1 1 0 18 3 75 0 1 04 0 22 0 1 0 A A C C k 根据 9 5525 exp 100788 1 9 T k KT6

7、308 2 0 0 P mrA cv TTUAHrV TT KT4 297 929 210503 16 2986 308 52 2092092175 004 018 6 308 0 9 CH3CO 2 A H2O B 2CH3COOH C 乙酸酐发生水解 反应温度 25 k 0 1556 min 1 采用三个 等体积的串联全混流釜进行反应 每个釜体积为 1800 cm 3 求使乙酸酐的总转化率为 60 时 进料速度 0 v 解 初始浓度为 0A C 离开第一釜为 1A C 依次为 2A C 3A C 1 10 1 A AA r CC 11 AA kCr 1 1 10 1 1 10 1 1 1

8、1 1 1 k x kC C kC CC A A A A AA 对第二釜 21 2 1 1 kC C A A 对于等体积釜串联 21 2 2 2 0 2 1 1 1 1 1 k x kC C A A A 同理 3 3 1 1 1 k xA 2 3 min min 6 782 3 2 1800 3 0 cm V v 10 串 联 全 混 流 反 应 器 进 行 一 级 不 可 逆 反 应 假 定 各 釜 容 积 温 度 相 同 9 0 10 92 0 3 0 1 A xhmhk 试计算 N 为 1 2 3 的反应有效容积 如不考虑非生产性操作时间的 条件下分批式反应器的有效容积 解 利用 N i

9、 NA k x 1 1 1 N 个 1 2 3 V 3 m 97 8 47 0 37 6 若采用分批式 t h k A 503 2 9 01 1 ln 92 0 1 1 1 ln 1 时为其中1N V Vt B h78 9 10 8 97 3 03 258 97 78 9 503 2 mVB 11 应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应 假定各釜的容积和操作温度都相同 已知 此时的速率常数 k 0 92h 1 原料液的进料速度 0 v 10m 3 h 要求最终转化率 A x 0 9 试求 V1 V2和总容积 V 解 对于一级不可逆反应应有 2 101011 1 1 1 1

10、1 1 AAAAAA A xkCxkCxx r 代入 iAiAiAiAiA iA rrxxx r 1 1 111 1 得 1 1 1 11 1 1 102001 2 10AAAAAAAA xkCxkCxxxkC 整理得 02 21 2 1 AAA xxx 9 0 2 A x 6838 0 1 A x 35 2 6838 01 92 0 6838 0 1 1 1 1 h xk x A A 5 23 3 101 mvV 35 2 9 01 92 0 6838 09 0 1 2 12 2 h xk xx A AA 5 23 3 202 mvV 总容积 47 3 21 mVVV 12 用 两 串 联

11、全 混 流 反 应 器 进 行 一 个 二 级 不 可 逆 等 温 反 应 已 知 在 操 作 温 度 下 10 30 2 92 0 3 0 3 0 113 hmvmkmolChkmolmk A 要求出口 xA 0 9 计算该操作最优容积比 21 VV 和总容积 V 解 3 1 2 0 2 1 2 0 11 1 1 2 1 1 1 AAAA AA A xkCxkCxx r 代入 11 1 1 1 2 0 1 1 1 AAAAA A rrxxx r 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 0 2 1 2 0 1 3 1 2 0AAAA A AA xkCxkCxxkC 741 0 099 001

12、33 1 1 2 1 3 1 A AAA x xxx h xkC xx AA AA 22 5 741 01 3 292 1 741 0 1 22 10 01 1 h xkC xx AA AA 51 7 9 01 3 292 0 741 09 0 1 22 20 12 2 695 0 51 7 22 5 2 1 21 VV 总容积 021 vVVV 3 3 127 22 551 7 10mV 13 应用管径为 D 12 6cm 的管式反应器来进行一级不可逆的气体 A 的热分解反应 其计量方程为 A R S 速率方程 为 AA kCr 而 k 7 8 10 9exp 19220 T s 1 原料为

13、纯气体 A 反应压力 P 5atm 下恒压反应 T 5000C A x 0 9 0A F 1 55kmol h 求所需反应器的管长 L 停留时间 t 空时 理想气体 解 反应气体的进料体积流速为 66 19 5 773082 055 1 30 0 hm P RTF v A 反应流体在管内的体积流速为 PRTxyF P FRT v AAA 1 00 此处 00A FF 纯气体 0 1 0 A y 1 1 12 A P RT CA 0 1 00 1 AAA CxFv 而 1 1 1 1 0 0 00 A AA AA AAAA A x Cx xF CxF v F C A x A AA x dxx k

14、v V 0 0 1 1 1 0083 0 88 29 1 1 ln2 1 hsx xk A A 0 13 126 0 14 3 88 291046 5444 2 3 2 0 2 m D v D V L 57 18 1 1 ln 1 1 1 0 s xkx dx k t A x A A A 14 液 相 原 料 中 反 应 物A进 入 平 推 流 反 应 器 中 进 行 RA 2 的 反 应 已 知 slmolCrlVlmolC AAA 2 0 05 0 2 1 求 1 当出口浓度 lmolCA5 0 时的进料流 0 v 2 当进料流量 min5 0 0 lv 时出口浓度 Af C 解 1 A

15、x A A AA r dx vC V F V 0 000 s CCC dC r dx C A C C A A A x A A A A A A 20 11 05 0 1 05 0 0 2 0 0 0 2 s v V CC AA 240 5 0 602 11 05 0 1 00 lmolC CC A AA 077 0 13 1 13112 1 12 1 0 15 自催化反应 A R 2R 其速率方程为 RAA CkCr 在 70 下等温地进行此反应 在此温度下 k 1 512 m 3 kmol h 其它数据如下 0A C 0 99 kmol m 3 0R C 0 01 kmol m 3 0 v 1

16、0 m 3 h 要求反应的转化率 A x 0 99 试求 1 在全混流反应器中反应所需的容积 2 在平推流反应器中反应所需的容积 解 令 0101 0 99 0 01 0 0 0 A R C C a 1 0AAA xCC 000AAAARR xaCxCCC 1 2 0AAAA xaxkCr 1 全混流反应器所需的容积 661 99 00101 0 99 01 99 0512 1 99 010 1 3 0 0 m xaxkC xv V AAA A 2 平推流反应器所需的容积 A AA x A x AA A A dx xaxakC v xax dx kC v V AA 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0001 1ln100ln 0101 199 0512 1 10 ln 1 1 ln 1 0 0 a xa xakC v V A AA 8 60 3 mV 57 A P S 66H C k1 ClHC 56 k3246 ClHC 反应速度 A A Ck dt dC 1 PA P CkCk dt dC 21 在恒温恒容下求 a 平推流 b 全混流 求 P S 其中 0 1 1 1