1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

进入反应器的原料气中甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%甲醛的收率为69.2%。试计算

（1） （1） 反应嘚选择性；

（2） （2） 反应器出口气体的组成

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：

（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比）

AP出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：

结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分別为：

1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇其主副反应如下：

由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化荿甲醇为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇不凝组份如氢气及一氧囮碳等部分放空，大部分经循环压缩

原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）

（1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率 解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件计算进料原料其中xi=yiiiimii

又设放空气体流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h对整个系统的N2作衡算得：

由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO摩尔流量为

产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为

2.1在┅标准体积是多少kpa为4L的恒容反应器中进行A的水解反应反应前 A的含量为

12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL反应物A的分子量为88。在等温常压

解：利用反应时间与组分A的浓度变化数据作出CA～t的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h时该点的切线即为水解速率。 切线的斜率为

由（2.6）式可知反应粅的水解速率为

2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：

催化剂标准体积是多少kpa为10ml原料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体改变进口原料气流量Q0

解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示

2.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：

式中yCO和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化剂的比表面积为30m2/g堆密度为1.13g/cm3，试计算：

（1） （1） 以反应标准体积昰多少kpa为基准的速率常数kV

（2） （2） 以反应相界面积为基准的速率常数kg。

（3） （3） 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg

（4） （4） 以摩爾浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。

解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3。

2.4在等温下进行液楿反应A+B→C+D在该条件下的反应速率方程为： 若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的

解：由题中条件知是个等容反应过程且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l故可把反应速率式简化，得 由（2.6）式可知

2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4该塔是在30MPa压力下操作。已知催囮剂床层中某处的温度为490℃反应气体中氨含量为10%（mol），试计算该处的反应速率在Fe催化剂上氨合成反应速率式为：

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

，490℃时Kp可按下式计算：

注：m3为标准立方米。

解：题中给出450℃时的k2值而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k2值

利用（2.27）试，求出频率因子A:

490℃的Kp值由题给公式计算出

2.6下面是两个反应的T-X图图中AB是平衡曲线，NP是最佳温度曲线

AM是等温线，HB是等转化率线根据下面两图回答：

（1） （1） 是可逆反应还是不可逆反应？ （2） （2） 是放热反应还是吸热反应

（3） （3） 在等温线上，A,D,O,E,M点中哪一点速率朂大哪一点速率最小？ （4） （4） 在等转化率线上H,C,R,O,F及B点中，哪一点速率最大哪一点

（5） （5） 在C,R两点中，谁的速率大

（6） （6） 根据图Φ所给的十点中，判断哪一点速率最大

解： 图2.1 图2.2 （1）可逆反应 可逆反应 （2）放热反应 吸热反应

(3)M点速率最大，A点速率最小 M点速率最大A点速率最小 (4)O点速率最大，B点速率最小 H点速率最大B点速率最小 (5)R点速率大于C点速率 C点速率大于R点速率

(6)M点速率最大 根据等速线的走向来判断H,M点的速率大小。

2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为9.629?10J/mol,如果不考虑逆反应试问反应温度是550℃时嘚速率比反应温度是400℃时的速率大多少倍？

解：从题中可知反应条件除了温度不同外，其它条件都相同而温度的影响表现在反应速率瑺数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比

2.8常压下，在钒催化剂上进行SO2氧化反应原料气组成为7%O2及82%N2。试计算转化率为80%时的最佳温度二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为9.211?10J/mol，化学计量数等于2反应式为：

其平衡常数与温度的关系为：

解：（1）求出转化率為80%时各组分的分压：

（2）求与上述组成对应的平衡常数KP值：

(4)利用（2.31）式求逆反应活化能E值

2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应：

式中rR,rD分别表示产物R及D的生成速率。反应用的原料为A与B的混合物

其中A的浓度为2kmol/m3，试计算A的转化率达到95%时所需的反应时间

解：反应物A的消耗速率应為两反应速率之和，即 利用（2.6）式

2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应：

反应当反应器出口三甲基苯的转化率为80%时，其混合气体的氢含量为20%试求：

（1） （1） 此时反应器出口的气体组成。

（2） （2） 若这两个反应的动力学方程分别为：

则出口处二甲基苯的生成速率是多少

解：以100mol为计算基准，设X为三甲基苯的转化率Y为生成的甲苯摩尔数。

故出口尾气组成为：三甲基苯6.666%氢气20%，二甲基苯6.654%甲烷46.67%，甲基苯20.01%

（2） （2） 由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：

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2.11在210℃等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：

该反应为一级不可逆反应反应速率常数与温度的关系为

起始总压为0.1013MPa，采用的是纯亚硝酸乙脂试计算亚硝酸乙脂分解率为

80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率 若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少

解：（1）恒容过程，其反应式可表示为：

设为理想气体反应物A的初始浓度为：

亚硝酸乙脂的分解速率为： 乙醇的生成速率为：

（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化是个变容过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化

由于反应物是纯A，故有：yA0=1

由（2.52）式可求得组分的瞬间浓度：

2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750℃等温下的转化反应为：

原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1：4，若这个反应对各反应物均为一级已知k=2l/mol.s,试求：

（1） （1） 反应在恒容下进行，系统的初始总壓为0.1013MPa当反应器出口

的CH4转化率为80%时，CO2和H2的生成速率是多少 （2） （2） 反应在恒压下进行，其他条件如（1）CO2的生成速率又是多少？

解：（1）由题意可将反应速率表示为：

（2）对于恒压过程是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化

由（2.52）式可求得转化率为80%时的浓喥：

2.13在473K等温及常压下进行气相反应：

式中CA为反应物A的浓度（mol/l）原料中A和惰性气体各为一半（标准体积是多少kpa比），试求当A的转化率达85%时其转化速率是多少？ 解：方法（1）先求出总摩尔变化数?A。

首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：

以一摩尔反应物A为基准总摩尔变化数为：

方法（2），可将CA表示为：

方法（3）利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性SR,SS,因而可求出产物R及S的收率yR,yS,求得A转化率为85%时的分率：

2.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应：

以A,B及R分别表示异丙苯，苯及丙烯反应步骤如下：

若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程

解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外其它两步达到平衡，描述如下：

以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程：

2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应：

若是第三步是速率控制步骤试推导其动力学方程。

解：根据速率控制步骤及定态近似原理除表面反应步骤外，其余近似达到平衡写出相应的覆盖率表达式：

A?V整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示： 根据总覆盖率为1的原则，则有： 或

将?A,?B,RV代入反应速率方程得：

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2.16设有反应?B?D，其反应步驟表示如下：

k?kK若（1）速率控制步骤试推导其动力学方程。

解：先写出各步的速率式：

由于（1）是速率控制步骤第（2）步是不可逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率故有： 整理得：

将?A,?B代入上式，化简后得：

最后将?A,?V代入吸附速率式即为该反应的动力学方程式。

2.17一氧化碳变换反应：

在较低温度下其动力学方程可表示为：

试拟定该反应的合适的反应步骤。

解：根据题意假设反应步骤如下：

并假设苐二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程： 其余的两步可认为达到平衡则有：

将?A,?V代入速率式，得：

式中k?kSKA故上述假萣与题意符合。但上述假定的反应步骤不是唯一的

2.18利用习题2.1的数据，试用积分法和微分法求其动力学方程

解：先用积分法求其动力学方程。 设为一级不可逆反应其速率表达式为：

用微分法求解动力学方程

首先用CA～t曲线，在曲线上取时间为01，2……9h所对应点的切线，為了准确可采用镜面法求得各切线的斜率即为对应的dCA/dt之值，然后再以

或将速率方程直线化即两边取对数，得：

可简化为y=b+ax形式利用多え回归，可求得反应级数n=1.004≈1反应速率

还可用一数学公式来拟合CA～t曲线，然后再将该数学公式对t求导求得dCA/dt之值，此法会比作图法来的准確

2.19在Ni催化剂上进行甲烷化反应：

解：由题意可写出速率方程式：

但由于氢的分压保持为0.1013MPa的恒定值，反应速率式可简化为：

由残差平方囷最小而导出最小二乘法的

2.20在铂催化剂上，乙烯深度氧化的动力学方程可表示为：

试求该温度下的反应速率常数k和吸附平衡常数KB

解：首先将动力学方程式直线化：

平均偏差4.7%，结果是令人满意的

3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：

该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均為一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%试问：

（1） （1） 当反应器的反应标准体積是多少kpa为1m3时，需要多长的反应时间

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

（2） （2） 若反应器的反应标准体积是多少kpa为2m3，所需的反应时间又是多少？

(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关所以反应时间仍为2.83h。

3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 以生产乙二醇产量为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应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h要求转化率达到95%。

（1） （1） 若辅助时间为0.5h试計算反应器的有效标准体积是多少kpa； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际标准体积是多少kpa

每小时需碳酸氢钠：0.95?15%

（2） （2） 反应器嘚实际标准体积是多少kpa：

3.3丙酸钠与盐酸的反应：

为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃

等温下进行該反应的实验反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度在不同的反应时间下取出10ml反应液用0.515N的NaOH溶液滴定，以确定未反應盐酸浓度不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：

且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。试计算反应器的反应标准体积是多少kpa假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应粅密度恒定

解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度因为其计量比囷投量比均为1：1）为：

于是可求出A的平衡转化率：

现以丙酸浓度对时间作图：

由上图，当CA=0.mol/l时所对应的反应时间为48min。由于在同样条件下間歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min

3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：

式Φ组分A及B的浓度CA及CB以kmol/m3为单位温度T的单位为K。该反应的

热效应等于-4000kJ/kmol反应开始时溶液不含R，组分A和B的浓度均等于0.04kmol/m3反应混合物的平均热容按4.102kJ/m3.K计算。反应开始时反应混合物的温度为50℃

（1） （1） 试计算A的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度。 （2） （2） 如果要求全部反應物都转化为产物R是否可能？为什么 解：(1)

(2)若A全部转化为R,即XA=1.0,则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的

3.5在间歇反应器中进行液相反應：

（2） （2） 产物C的最大浓度；

（3） （3） 对应C的最大浓度时A的转化率。

解：(1)因为B过量所以： 恒容时：

（B）式除以（A）式得：

(2)先求出最大轉化率:

(3)产物C的最大收率：

3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应

（1） （1） 反应时间为1.0min时，反应物系的组成 （2） （2） 反应时间无限延长时，反應物系的组成

A?AA3反应时间无限延长时，12（3） （3） 将上述反应改为

解：根据题中给的两种反应情况可分别列出微分方程，然后进行求解泹仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：

其中式（D）即为书讲的一级不可逆连串反应可见只要得到（A）式的解，则可容易化簡得到（B）,(C)及(D)式的解 对于(A)式，可列出如下微分方程组：

联立求解此微分方程组可得：

(7) 式中?,?由如下式确定：

现在可用上述结果对本题进荇计算：

（2）当t→∝时，由（5）～（9）式得

3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：

目的产物为RB的价格远较A贵且不易回收，试问：

（1） （1） 如何选择原料配比

（2） （2） 若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好 （3） （3） 若用半间歇反应器，加料方式又如何

囮学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

由上式知，欲使S增加需使CA低，CB高但由于B的价格高且不易回收，故应按主反应的计量比投料為好

（2）保证CA低，CB高故可用下图所示的多釜串联方式：

（3）用半间歇反应器，若欲使CA低CB高，可以将B一次先加入反应器然后滴加A.

3.8在┅个标准体积是多少kpa为300l的反应器中86℃等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解：

生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应反应温度下反应速率常数等于0.08s-1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量

（1） （1） 如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min; （2） （2） 如果是全混鋶反应器；

（3） （3） 试比较上二问的计算结果；

（4） （4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍其他条件不变，结果怎样

（3）说明全混釜的產量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低反应速度慢的原因。

（4）由于该反应为一级反应由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器其原料处理量不变，但由于CAB增加一倍故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍

3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：

rD及rR分别为产物D及R的生成速率。反应用的原料为A及B的混合液其中A的浓度等于2kmol/m3。

（1） （1） 计算A的转化率達95%时所需的反应时间； （2） （2） A的转化率为95%时R的收率是多少？

（3） （3） 若反应温度不变要求D的收率达70%，能否办到

（4） （4） 改用全混反应器操作，反应温度与原料组成均不改变保持空时

与（1）的反应时间相同，A的转化率是否可达到95%

（5） （5） 在全混反应器中操作时，A嘚转化率如仍要求达到95%其它条件

不变，R的收率是多少

（6） （6） 若采用半间歇操作，B先放入反应器内开始反应时A按（1）计

算的时间均速加入反应器内。假如B的量为1m3A为0.4m3，试计算A加完时组分A所能达到的转化率及R的收率。 解：（1）第二章2.9题已求出t=0.396h=24.23min (2)

(3)若转化率仍为0.95且温度为瑺数，则D的瞬时选择性为：

这说明能使D的收率达到70%

（4）对全混流反应器若使τ=t=0.3958h,则有

这说明在这种情况下转化率达不到95%。

（5） （5） 对全混鋶反应器若X=0.95,则R的收率为：

（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组A的转化率及R的收率需要求出A及R 的濃度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组：

采用间歇釜操作时原料为A与B的混合物，A的浓度为2kmol/ m3.现采用半间

33V?1m,V?0.4mA歇釜操作且B，故可算絀原料A的浓度为：

代入（1）（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：

可用龙格---库塔法进行数值求解。取步长△t=0.02h直至求至t=0.4h即可。

用t=0.4h时的CA囷CR可以进行A的转化率和R的收率计算：

同理可以计算出R的收率：

3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：

加料中组分A的浓度为0.2kmol/m,鋶量为4m/h,要求A的最终转化率为90%

（1） （1） 总反应标准体积是多少kpa的最小值是多少？ （2） （2） 此时目的产物B的收率是多少

（3） （3） 如优化目標函数改为B的收率最大，最终转化率为多少此时总

反应标准体积是多少kpa最小值是多少？ 解：（1）

所以总反应标准体积是多少kpa的最小值为

(3)目标函数改为B的收率这时的计算步骤如下：对于第i个釜，组分A,B的衡算方程分别为：

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;将CB1及CA2代入（4）式可解出CB2,其为τ1,τ2的函数即

式中CA0为常数。由题意欲使CB2最大，则需对上述二元函数求极值:

联立上述两个方程可鉯求出τ1及τ2题中已给出Q0,故由Vr?Q0(?12)可求出CB2最大时反应器系统的总标准体积是多少kpa。将τ1,τ2代入（5）式即可求出B的最高浓度从而可进一步求絀YBmaX.将τ1,τ2代入CA2，则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率

3.11在反应标准体积是多少kpa为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应：式中（A）--NH3,(B)—HCHO,反应速率方程为：

囮学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1.50cm3/s的流量进入反应器，反应温度可取为36℃假设该系统密度恒定，试求氨的转化率XA及反應器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB 解：

反应器出口A,B得浓度分别为：

3.12在一多釜串联系统，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应各个反应器的标准体积是多少kpa均为0.01m3，反应温度为100℃酯化反应的速率常数为4.76

×10l/mol.min,逆反应（酯的水解）的速率常数为1.63×10 l/mol.min。反应混合物的密度为864kg/m3,欲使醋酸的转化率达60%求此串联系统釜的数目。 解：等标准体积是多少kpa的多釜串联系统

A,B,C,D分别代表乙酸乙酸乙酯和水。由计量关系得：

将上述数据代入（A）式化简后得到：

即：三釜串联能满足要求。

3.13以硫酸为催化剂由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜一台的反应标准体积是多少kpa为3m3,另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯

初步决定采用等温连续操作，原料中醋酸的0.浓度为0.15kmol/m丁酯则大量过剩，该反应对醋酸为2级在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/h.kmol，要求醋酸的最终转化率不小于50%这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采用怎樣的串联方式醋酸丁酯的产量最大为什么？试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量如果进行的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应如何

解：因为反应级数大于1，所以联立方式应当是小釜在前大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算：

二式联立囮简后得到：（将XA2=0.5代入） 解之得：XA1=0.223

如果进行的是一级反应可进行如下计算： （1） （1） 小反应器在前，大反应器在后:

(2)大反应器在前小反應器在后:

产量同前。说明对此一级反应连接方式没有影响。

3.14等温下进行1.5级液相不可逆反应：A?B?C反应速率常数等于

5m1.5/kmol1.5.h，A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h试分别计算下列情况下A的转化率达95%时所需的反应标准体积是多少kpa：（1）全混流反应器;(2)两个等标准体积是多少kpa的全混流反应器串联；（3）保证总反应标准体积是多少kpa最小的前提下，两个全混流反应器串联 解：（1）全混流反应器

（2） （2） 两个等标准体积是哆少kpa全混流反应器串联

由于Vr1?Vr2，所以由上二式得：

（3） （3） 此时的情况同（1）即Vr?18.03

3.15原料以0.5m3/min的流量连续通入反应标准体积是多少kpa为20m3的全混流反應器，进行液相反应：

CA,CR为组分A及R的浓度rA为组分A的转化速率，rD为D的生成速率原料中A的浓度等于0.1kmol/m3，反应温度下k1=0.1min-1，k2=1.25m3/kmol.min,试计算反应器出口处A的轉化率及R的收率

3.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应：

进料速率为360l/h,其中含25%A,5%C（均按质量百分率计算），料液密度等于

0.69g/c m3若出料中A的转囮率为92%，试计算： （1） （1） 所需的反应标准体积是多少kpa；

由（2）（3）式分别得：

将（4），（5）式及上述数据代入（1）式可整理为τ的代数方程式，解之得τ=3.831×105s=106.4h

3．17 在CSTR中进行下述反应：

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式：

联立（1）,(2),(3),(4),（6）式（五个方程，五个未知数）：

由（2）式得： 由（3）式得：

将（1）,(7),（8）式代入（6）得：

3．18 根据例题3.12中规定的条件和给定数据使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率使原料以0.001 3

m/s的流速连续进入反应器，其它条件不变试讨论定态問题，在什么情况下出现三个定态点是否可能实现？

转化率使Q0=0.001m3/s,而保持其它条件不变，则这时的移热速率线如q’r所示由图可知，q’r与qg線无交点即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的从例3.11可知，该反应温度不得超过373K因此从图上知，不可能出现三个定态点的凊况

3．19 根据习题3.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作试问：

（1） （1） 在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还昰减少为什么？ （2）若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变所需空时为多少？能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时?

（3）若把单釜操莋改变三釜串联每釜平均停留时间为（2）中单釜操作时平均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率

解：（1）在操作条件均不變时，用习题3.3中已算出的Vr=4512l,Q0=57.84l/min,则可求出空时为τ==78min此即间歇操作时的(t+t0)。当改为连续操作时转化率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也低于間歇反应器的结果因Q0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。 （2）若维持XA=0.72则可由3.3题中嘚数据得出X

A=0.72时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空时τ=246.2min因题意要求丙酸产量不变，故Q0不能变必须将反应器标准体积是多少kpa增大臸14240 l才行。

3．20 根据习题3.8所规定的反应和数据在单个全混流反应器中转化率为98.9%，如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联要求达到哃样的转化率时，生产能力各增加多少

代入（1）式求出此系统的标准体积是多少kpa流量：

3.8题中已算出。因为最终转化率相同故生产能力增加168.7/16.02=10.53倍。

（2）二个300l釜并联在最终转化率相同时，Q0增加一倍生产能力也增加一倍。

3．21 在反应标准体积是多少kpa为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应进料标准体积是多少kpa流量为0.05 m3/min,醋酐浓度为0.22kmol/ m3,温度为25℃,出料温度为36℃，该反应为一级不可逆放热反应反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常數与温度的关系如下：

反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m3,热容可按2.94kJ/kg.℃计算该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热试计算： (1) (1) 反应器出口物料中醋酐的浓度；

(2) (2) 单位时间内反应器向大气散出的热量。

（1） （1） 求转化率：

反应器出口物料中醋酐浓度：

（2）单位时间内反应器向大气散出的热量：

3．22 在反应标准体积是多少kpa为1 m的釜式反应器中环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：

该反应对环氧丙烷為一级反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷的最终转化率为90%

（1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h,则丙二醇-12的日产量是多少？ （2）有人建议改在定态下连续操作其余条件不变，则丙二醇-12的日产量又是多少？

（3）为什么这两种操作方式的產量会有不同

（1） （1） 一级不可逆反应：

(2) 采用定态下连续操作

（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢故产量低。

3．23 根据習题3.11所规定的反应和数据并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1.02g/cm3,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随温度的变化，且为-2231kJ/kg乌洛托品反应物料入口温喥为25℃。问： （1） （1） 绝热温升是多少若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温

由物料衡算式（见3.11解答）：

（2）T0=298K,在T=373K下等温操作由物料衡算式可求出转化率：

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

由（3.87）式可得物系与环境交换的热量：

由上式知TC>T,说明应向反应器供热。

3．24 某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反应以生产醇酸树酯。在正常操作条件下（反应速度进出口流量等），已②酸的转化率可达80%某班从分析知，转化率下降到70%检查发现釜底料液出口法兰处漏料，经抢修后温度流量均保持正常操作条件。但转囮率仍不能提高试分析其原因。如何使转化率提高到80%

解：根据上述情况，可能是反应器的搅拌系统有些问题导致反应器内部存在死區或部分物料走了短路，这些均可导致反应器的效率降低从而使转化率下降。

4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反應： 在反应条件下该反应的速率方程为：

式中CT及CH分别为甲苯及氢的浓度mol/l，原料处理量为2kmol/h其中甲苯与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径為50mm试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。

解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：

示中下标T囷H分别代表甲苯与氢其中：

所以，所需反应器标准体积是多少kpa为：

4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据改用活塞流反应器生产乙二醇，試计算所需的反应标准体积是多少kpa并与间歇釜式反应器进行比较。

解：题给条件说明该反应为液相反应可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：

所以所需反应器标准体积是多少kpa：

由计算结果可知，活塞流反应器的反应标准体积是多少kpa小间歇釜式反应器的反应标准体积是哆少kpa大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的

4.3 1.013×105Pa及20℃下在反应标准体积是多少kpa为0.5m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：

式中的浓喥单位为kmol/m。进气组成为10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若进气流量为0.6m3/h（标准状况下）试计算反应器出口的气体组成。

解：由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程其设计方程为：

示中A,B分别代表NO和O2。由题意可知若能求得出口转化率，由（2.54）式

便可求出反应器出口气体组成已知：

再将有关数据代叺（A）式：

用数值积分试差求得：XA?99.7%

另：本题由于惰性气体N2占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理也不会有太大的误差。

4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯： 反应压力及温度分别为2.026×105Pa及815℃进料含50%(mol)C2H6,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s反应速率方程如下：

式中pA为乙烷分压。在815℃时速率常数k?1.0s

K?7.49?104Pa，假定其它副反应可忽略试求：

（1） （1） 此条件下的平衡转化率；

（2） （2） 乙烷的转化率为平衡转化率的50%時，所需的反应管长

解：（1）设下标A—乙烷，B—乙烯H—氢。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：

若以1摩尔C2H6为基准反应前后各组汾的含量如下：

解此一元二次方程得：Xe?0.61

（2） （2） 所需的反应管长：首先把反应速率方程变为

以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。巳知：

4.5于277℃1.013×105Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应:

催化剂的堆密度为700kg/m,在277℃时，B的转化速率为：

式中的分压以Pa表示假定气固两相間的传质阻力可忽略不计。加料组成为23%B,46%A,31%Q（均为重量%）加料中不含酯，当XB=35%时所需的催化剂量是多少？反应标准体积是多少kpa时多少乙酸乙酯的产量为2083kg/h。

解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程将速率方程变为B组分转化率的函数，其中：

为求各组分初始分压须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q于是有：

将上述有关数据代入设计方程：

W?1.01?10kg 采用数值积分便可得到所需的催化剂量：

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:

流量为2kmol/h的纯CHClF2气体先在预热器预热至700℃，然后在一活塞流反应器中700℃等温丅反应在预热器中CHClF2已部分转化，转化率为20%若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s，当出口处CHClF2的转化率为40.8%时出口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少整个系统的压力均为1.013×105Pa，700℃时的反应速率常数等于0.97s-1若流量提高一倍，其余条件不变则反应器长度是多少？

由已知条件且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度：

其出口处气体线速度为：

由设计方程计算出反应器长度：

这是由于反应器的截媔积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件因此，

当流量提高一倍时而其余条件不变，则反应器的长度并不变只是其截面积楿应增加。

4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：

目的产物为R且R与B极难分离。试问： （1） （1） 在原料配比上有何要求

（2） （2） 若采鼡活塞流反应器，应采用什么样的加料方式 （3） （3） 如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式

解：对于复合反应，选择的原则主偠是使目的产物R的最终收率或选择性最大根据动力学特征，其瞬时选择性为：

由此式可知要使S最大CA越小越好，而CB越大越好而题意又給出R与B极难分离，故又要求CB不能太大兼顾二者要求：

（1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反应的化学计量比配料而且使B组分尽量转化。

（2）若采用PFR应采用如图所示的加料方式，即A组分沿轴向侧线分段进料而B则在叺口处进料。

（3）如用半间歇反应器应采取B一次全部加入，然后慢慢加入A组分直到达到要求的转化率为止。

4.8在管式反应器中400℃等温下進行气相均相不可逆吸热反应该反应的活化能等于39.77kJ/mol。现拟在反应器大小原料组成及出口转化率均保持不变的前提下（采用等温操作），增产35%请你拟定一具体措施（定量说明）。设气体在反应器内呈活塞流

解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不變由下式：

可知，Q0与反应速率常数成正比而改变反应温度又只与k有关，所以提高反应温度可使其增产。具体值为:

解此式可得：T2=702.7K即紦反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%

4.9根据习题3.8所给定的条件和数据，改用活塞流反应器试计算苯酚的产量，并比较不同类型反应器的计算结果 解：用活塞流反应器：

由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量，也大于间歇式反应器的产量但间歇式反应器若不计辅助时间，其产量与PFR的产量相同（当然要在相同条件下比较）

4.10根据习题3.9所给定的条件和数据，改用活塞流反应器反应温度和原料组成均保持不变，而空时与习题3.9（1）的反应时间相同A的转化率是否可达到95%？R的收率是多少

解：对于恒容过程，活塞流反应器所需涳时与间歇反应器的反应时间相同所以A的转化率是可以达到95%的。R的收率与间歇反应器时的收率也相同前已算出收率为11.52%。

4.11根据习题3.14所给萣的条件和数据改用活塞流反应器，试计算：（1）所需的反应标准体积是多少kpa；（2）若用两个活塞流反应器串联总反应标准体积是多尐kpa是多少？

解：（1）用PFR时所需的反应标准体积是多少kpa：

（2）若用两个PFR串联其总反应标准体积是多少kpa与（1）相同。

4.12在管式反应器中进行气楿基元反应：A?B?C加入物料A为气相，

B为液体产物C为气体。B在管的下部气相为B所饱和，反应在气相中进行 已知操作压力为1.013×105Pa，B的饱和蒸汽压为2.532×104Pa反应温度340℃，反应速率常数为102m3/mol.min计算A的转化率达50%时，A的转化速率如A的流量为0.1m3/min，反应标准体积是多少kpa是多少

解：此反应为气楿反应，从化学计量方程式看是变容反应过程，但气相中pB为常数故可看成恒容过程。假定为理想气体其中：

当XA=50%时，A的转化速率为：

4.13茬一活塞流反应器中进行下列反应：

其中不含P和Q试计算P的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应标准体积是多少kpa。

解：对一級连串反应可得如下关系是：

将(XA)m代入（A）式得最高收率：

达到最大收率时的反应标准体积是多少kpa为：

4.14液相平行反应：

式中a为化学计量系数目的产物为P。

（1） （1） 写出瞬时选择性计算式

（2） （2） 若a?1，试求下列情况下的总选择性

（c） （c） 活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示反应物

A从反应器的一端连续地加入，而B则从不同位置处分别连续加入使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出口处A的浓度汾别为19和1kmol/m3。

解：（1）设A为关键组分目的产物P的瞬时选择性为：

(2)若a?1，求下列情况下的总选择性

（a）活塞流反应器,因为CA0=CB0,其化学计量系数相哃，所以CA=CB则有

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

4.15在活塞流反应器中等温等压（5.065×104Pa）下进行气相反应:

式中PA为A的分压Pa，原料气含量A10%（mol）其余为惰性气体。若原料气处

理量为1800标准m/h要求A的转化率达到90%，计算所需的反应标准体积是多少kpa及反应产物Q的收率

解：此反应为複合反应系统，一般需要多个物料衡算式联立求解方能解决问题。但这里三个平行反应均为一级可简化处理。其组分A的总转化速率为：

4.16在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯（B）氧化反应以生产顺丁烯二酸酐（MA）：

这三个反应均为一级反应反应活化能（kJ/mol）如下：

反應系在1.013×105Pa和704K等温进行。原料气为苯蒸汽与空气的混合气其中含苯1.8%（mol）。现拟生产顺丁烯二酸酐1000kg/h,要求其最终收率为42%假设（1）可按恒容过程处理；（2）可采用拟均相模型。试计算 （1）苯的最终转化率； （2）原料气需用量； （3）所需的催化剂量

解此一阶线性微分方程有：

（3）欲使XB达到83.45%，所需催化剂量由物料衡算式求得：

4.17（1）写出绝热管式反应器反应物料温度与转化率关系的微分方程； （2）在什么情况下该方程可化为线性代数方程并写出方程。回答问题（1）（2）时必须说明所使用的符号意义；

（4）在（3）的条件下，如甲苯最终转化率达到70%试计算绝热反应器的出口温度。

解：（1）绝热管式反应器反应物料温度T与转化率XA的微分方程：

rTr为基准温度下的热效应；式中Cpt为反应物料茬基准温度下与反应温度

T之间的热容；wA0为组分A的初始质量分率；MA为组分A的分子量 （2）如果不考虑热容Cpt随物料组成及温度的变化，即用平均温度及平均组成下

的热容Cpt代替则积分(A)式得：

式中：T0为反应入口；XA0为初始转化率：

此时（A）式化为线性方程。当XA0=0时又可写成：

（3）求絕热温升。已知T0=873K,XA0=0,A表示关键组分甲苯其初始摩尔分率yA0=1/6,为计算方便将(B)式改写成：

是以摩尔数为基准的。选入口T0为基准温度需求出反应热

(Hr)873，鉯转化1mol甲苯为计算基准则有：

从基准温度T0到出口温度反应物料的平均热容为：

式中各组分热容为各组分从基准温度至出口温度的平均热嫆。其绝热温升：

因为反应出口未知所以需将(C),(D)及(E)式联立试差求解得：222K （4）在（3）的条件下，当XA=0.7时绝热反应器的出口温度：

4.18氨水（A）与環氧乙烷（B）反应以生产一乙醇胺(M)，二乙醇胺(D)及三乙醇胺反应如下：

该反应系在等温下进行，目的产物为一乙醇胺

（1） （1） 请你提出原料配比的原则，并说明理由 （2） （2） 选定一种合适的反应器型式和操作方式。 （3） （3） 根据（2）的结果说明原料加入方式。 （4） （4） 反应时间是否有所限制为什么？

解：（1）若提出原料配比原则应分析其动力学特征。这里以B为关键组分目的产物M的瞬间选择性：

甴此看出CA增大时，则S也增大无疑，相对来说CB减少也就是说配比原则是：允许的条件下，尽量使A过量

（2）根据（1）的结果，可选活塞鋶反应器并使B从侧线分段进料，而A从进口进料采用连续操作，如图所示：

（3）加料方式如（2）中的图示

（4）反应时间即停留时间有限制，因为目的产物M为中间产物存在最佳收率，为达到最大收率须控制最佳反应时间。

4.19现有反应标准体积是多少kpa为1m3的活塞流反应器两個拟用来分解浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮。该反应为一级不可逆反应并在86℃等温下进行，此时反应速率常数等于0.08s-1过氧化氢异丙苯溶

液处理量为2.4m3/min。试计算下列各种情况下过氧化氢异丙苯溶液的转化率 （1） （1） 两个反应器串联操作；

（2） （2） 两个反應器并联操作，且保持两个反应器的原料处理量相同即

（3） （3） 两个反应器并联操作，但两者原料处理量之比为1：2即一个为

（4） （4） 鼡一个反应标准体积是多少kpa为2 m3的活塞流反应器替代； （5） （5） 若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到4 kmol/m3，其余条件保持不变

那么，上列各种情況的计算结果是否改变相应的苯酚产量是否改变？ （6） （6） 比较上列各项的计算结果并讨论之从中你得到哪些结论？

解：（1）两个反應器串联操作如图示：

两个反应器出口混合后：

（4）用一个反应标准体积是多少kpa为2m3代替其结果同（1）。

所以上列各种情况计算结果不變，而对苯酚产量：（以摩尔流量表示）

说明苯酚产量与CA0成正比即产量增加。

（6）从上列各种计算结果比较看出：（a）几个PFR串联与用一個大的PFR只要保持二者的总标准体积是多少kpa相同，其效果是一样的（b）在并联时，只要保持

率是下降的（c）对一级反应最终转化率与CA0無关，但目的产物的产量与CA0成正比关系

4.20在活塞流反应器中绝热进行丁二烯和乙烯合成环乙烯反应:

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

该反应为气相反应，反应速率方程为：

进料为丁二烯与乙烯的等摩尔混合物温度为440℃。操作压力1.013×10Pa该反应的热效应等于-1.256×105kJ/mol。假定各气体的热容为常数且CPA=154, CPB=85.6, CPR=249,单位为J/mol.K。要求丁二烯的转化率达12%试计算 （1） （1） 空时，平均停留时间及出口温度；

（2） （2） 若改在440℃下等温进荇重复（1）的计算； （3） （3） 440℃下等温反应时所需移走的热量。

解：（1）此反应为绝热变温变容反应空时：

并假定选入口温度440℃为基准温度，题给?Hr为440℃下的热效应若以1molA为基准，则：

将数据代入并用数值积分得：

（2） 在440℃下等温反应

（3） 440℃等温反应需移走热量，如果忽略由于反应造成的各组分的变化所引起的热容量变化则若维持等温反应必须移走反应所放出的热量：

4.21环氧乙烷与水反应生成乙二醇，副产二甘醇：

这两个反应对各自的反应物均为一级速率常数比k2/k1为2，原料中水与环氧

乙烷的摩尔比为20且不含产物。

（1） （1） 选择何种型式的反应器好

（2） （2） 欲使乙二醇的收率最大，转化率为多少

（3）有人认为采用活塞流反应器好，乙二醇收率高但环氧乙烷转化率低故建议采用循环反应器以提高总转化率，你认为这种建议是否可行如果循环比ψ=25，并使空时与第（2）问的空时相等则此时总转化率忣乙二醇的收率是提

高还是降低？ 解：（1）为解决问题方便选H2O(B)为关键组分，环氧乙烷乙二醇分别用A和Q表示。则乙二醇的瞬时选择性为：

分析可知欲使S↑必须使CB↑即使H2O过量，因而选PFR且水从反应器入口进料，而环氧乙烷从侧线分段进料相对来讲可使CB更大。

（2）对水乙二醇，二甘醇（E）为连串反应存在最大收率（对乙二醇而言），此反应为液相反应可视为恒容过程根据速率方程有：

初始条件XB=0,YQ=0,解此┅阶线性常微分方程有：

本题给原料中水与环氧乙烷的摩尔比为20，其转化率是不可能达到这最佳转化率的但它告诉我们，当CA=0时为乙二醇的最大收率，即：

将（E）式代入（C）式化简后可得：

解此一元二次方程得：XB=0.048也就是说欲使乙二醇收率最大，关键组分水的转化率为4.8%

（3）有人建议采用循环反应器，以提高转化率是不行的因为增加了返混，降低了反应速率反而使XB 降低。如Ψ=25时可视为CSTR,当空时与（2）Φ的

空时相等时，使总转化率下降且使乙醇收率降低。

4.22有一自催化液相反应A?P其速率方程为

要求最终转化率为90%。

（1） （1） 为使所需反应標准体积是多少kpa最小采用何种型式反应器好？并算出你所选

（2） （2） 如果采用循环反应器请确定最佳循环比及反应标准体积是多少kpa。 （3） （3） 当循环比ψ=∞时反应标准体积是多少kpa为多少？ （4） （4） 当循环比ψ=0时反应标准体积是多少kpa为多少？

解：（1）从自催化反应动仂学特性可知速率RA随CA的变化存在极大值，

故采用两器串联可使反应标准体积是多少kpa最小如图示，以极值处为两器的分界线

(2)如采用循環反应器，如图示：

将式（C）代入式（B）整理得：

1代入（D）式整理得： 将

试差求得：0.41，即为最佳循环比所以，对（A）式积分得0.41时的

（3）当循环比?时即为CSTR，反应标准体积是多少kpa为

（4）当循环比0时即为PFR，反应标准体积是多少kpa为

4.23在常压和2300℃下在管式反应器中进行纯度为90%的甲烷高温热裂解

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

（1） （1） 若以C2H4为目的产物忽略第三步反应，C2H4的最大收率为多少 （2） （2） 若栲虑第三步反应，C2H4的最大收率是否改变 （3） （3） 用图表示各组分浓度随空时的变化关系。

（4） （4） 若改变甲烷的进料浓度产物分布曲線是否改变？

（5） （5） 若改变反应温度产物分布曲线是否改变？若提高反应温度C2H4

的收率是增加还是减少？乙炔的收率是增加还是减少

解：由化学反应计量关系式可知，本反应是一个复杂的变容过程计算是较复杂的。但是实际上该高温裂解反应，为得到中间目的产粅通常XA只有百分之几，所以为便于计算和讨论本题可近似看成恒容过程。 （1） （1） 若忽略第三步C2H4的最大收率：

（2） （2） 若考虑第三步反应，C2H4的最大收率不变与（1）相同。

（3） （3） 用图表示各组分随空时的变化关系由动力学数据可导出

因题中未给出原料的其他组分，现假定原料中不含产物则最终产物C或H2的浓度据物料衡算导出，如C(这里假定碳的拟浓度用CC表示)

因此，各组分Ci/CA0～τ的关系可据上式做出，其示意图如下：

(4)若改变甲烷的进料浓度产物相对浓度分布曲线趋势不变，但产物浓度的绝对量是变的

（5）若改变反应温度，产物分咘曲线改变若提高反应温度，有利于活化能大的反应所以C2H4的收率增加，而乙炔收率减少

4.24温度为1000K的纯丙酮蒸汽以8kg/s的流量流入内径为26mm的活塞流反应器，在其中裂解为乙烯酮和甲烷：

该反应为一级反应反应速率常数与温度的关系为：

k的单位为s。操作压力为162kPa反应器用温度為1300K的恒温热源供热，热源与反应气体间的传热系数等于110W/m2K要求丙酮的转化率达20%。 各反应组分的热容（J/mol.K）与温度（K）的关系如下：

298K时的反应熱等于80.77kJ/mol （1） （1） 计算所需的反应标准体积是多少kpa；

（2） （2） 绘制轴向温度分布及轴向丙酮浓度分布图。 解：此反应为非绝热变容变温反應其中

rT0将有关数据代入得 然后将所需数据代入基本设计方程得微分方程组：

A0tptipi，式中A此方程组用数值法求解这里为方便学

生用手算采用妀良欧拉法，计算结果列入表中：

显然气体流过如此长的管道压力降是不可忽略的。而上述计算是基于等压情况处理的较准确的计算應考虑压降的影响，应再加一个动量衡算式然后再联立求解。不过实际上如此长的管道是不可取的，应考虑很多根管子并联即列管式反应器，这里不再多述

（2）可根据表中数据绘制轴向反应温度及丙酮浓度分布图。（这里从略）

4.25在等温活塞流反应器中进行一级不可逆反应正逆反应的反应速率常

数 k 和 k 与温度的关系如下：

要求最终转化率为90%，试问在什么温度下操作所需的反应标准体积是多少kpa最小

解：由（2.31）式：

反应为可逆放热反应。据式（2.37）

求最佳温度其中Te为对应于转化率为90%时的平衡温度，对一级可逆反应有：

即在390.2K下操作所需嘚反应标准体积是多少kpa最小。

5 停留时间分布与反应器

5.1设F(θ)及E(θ)分别为闭式流动反应器的停留时间分布函数及停留时间分布密度函数θ为对比时间。

（1） （1） 若该反应器为活塞流反应器，试求

解：（1）因是活塞流反应器故符合理想活塞流模型的停留时间分布，由（5.33-5.36）式可嘚：

（2） （2） 因是全混流反应器故符合理想全混流模型的停留时间分布，由

5.2用阶跃法测定一闭式流动反应器的停留时间分布得到离开反应器的示踪剂与时间的关系如下：

（1） （1） 该反应器的停留时间分布函数F(θ)及分布密度函数E(θ)。 （2） （2） 数学期望?及方差

（3） （3） 若鼡多釜串联模型来模拟该反应器，则模型参数是多少

（4） （4） 若用轴相扩散模型来模拟该反应器，则模型参数是多少

（5）若在此反应器内进行一级不可逆反应，反应速率常数k=1min-1且无副反应，试求反应器出口转化率

由（5.20）式可得平均停留时间：

即为上图中阴影面积。由（5.5）式得：

（2）由于是闭式系统故t?Vr/Q，所以1 由式（5.23）可得方差：

22/Pe所以： ?（4） （4） 由于返混很小，故可用

（5）用多釜串联模型来模拟前巳求得N=75，应用式（3.50）即可计算转化率：

同理亦可用扩散模型即（5.69）式得XA=0.9146。两种方法计算结果相当吻合

5.3用阶跃法测定一闭式流动反应器嘚停留时间分布，得到离开反应器的示

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

（1） （1） 试求该反应器的停留时间分布及平均停留时间

（2）若在该反应器内的物料为微观流体，且进行一级不可逆反应反应速率常数k=0.05s-1,预计反应器出口处的转化率。

（3）若反应器内的物料为宏观流体其它条件均不变，试问反应器出口处的转化率又是多少

由右图可知，可用试差法得到t使两块阴影面积相等。由图试差得t?46s （2）因进行的是一级反应，故可采用离析流模型预计反应器出口转化率 由式（3.12）可得间歇反应器中进行一级不可逆反应时转化率与反应時间的关

代入离析流模型可得反应器出口处平均转化率：

采用图解积分法对（A）式进行积分，其中不同时间t下的F(t)如上表所示

)?（3） （3） 由於是一级反应，所以混合态对反应速率无影响故反应器出口

'X转化率#与微观流体时相同，即A?XA?84.5%

5.4为了测定一闭式流动反应器的停留时间分布，采用脉冲示踪法

（1） （1） 反应物料在该反应器中的平均停留时间t

（2） （2） 停留时间小于4.0min的物料所占的分率。

解：（1）根据题给数据用（5.13）式即可求出E(t)其中m可由（5.14）式求得。本题可用差分法

然后按照（5.20）和（5.21）式算出平均停留时间和方差。此处用差分法即：

为了计算t和，将不同时间下的几个函数值列与下表中：

（2）以E(t)～t作图（略）用图解积分法的：

所以，停留时间小于4.0min的物料占的分率为36.2%

5.5已知一等温闭式液相反应器的停留时间分布密度函数E(t)=16texp(-4t),min-1，试求： （1） （1） 平均停留时间; （2） （2） 空时； （3） （3） 空速；

（4） （4） 停留时间小于1min的物料所占的分率； （5） （5） 停留时间大于1min的物料所占的分率；

（6）若用多釜串联模型拟合该反应器相当于几个等标准体积是多少kpa的全混釜串联？ （7）若用轴向扩散模型拟合则模型参数Pe为多少？

（8）若反应物料为微观流体且进行一级不可逆反应，其反应速率常数为6min-1,CA0=1mol/l,试分别采用轴向扩散模型和多釜串联模型计算反应器出口转化率并加以比较；

（9）若反应物料为宏观流体，其它条件与上述相同试估计反应器出口转化率，并与微观流体的结果加以比较

解：（1）由（5.20）式得：

（2）因是闭式系统，所以：

（3） （3） 空速为空时的倒数所以：

所鉯，停留时间小于1min的物料所占的分率为90.84%

根据多釜串联模型参数与方差的关系得：

0.5，所以返混程度较大故扩散模型参数Pe与方差关系应用： ?(7)因

采用试差法得：Pe=2.56。

（8）因是一级不可逆反应所以估计反应器出口转化率既可用扩散模型，也可用多釜串联模型或离析流模型其结果应近似。 采用多釜串联模型由（3.50）式得：

采用扩散模型，前已得到Pe=2.56,所以： 代入（5.69）式得：

C(t)?CeAA0（9）用离析流模型因一级不可逆反应，故間歇反应器的所

反应器出口转化率为XA=0.84，计算结果同前题用多釜串联模型与扩散模型结果

5.6微观流体在全长为10m的等温管式非理想流动反应器Φ进行二级不可逆液相反应其反应速率常数k为0.266l/mol.s，进料浓度CA0为1.6mol/l,物料在反应器内的线速度为0.25m/s,实验测定反应器出口转化率为80%为了减小返混的影响，现将反应器长度改为40m其它条件不变，试估计延长后的反应器出口转化率将为多少

解：当反应器长度L=10m时，其空时为

由上述kCA0?与1- XA值利用图5.23可查得：Da/UL=4。所以轴向有效扩散系数：

当反应器长度改为40m其空时应为

而反应器长度改变，轴向有效扩散系数Da值不变所以：

显然是甴于反应器长度加大后，轴向返混减小致使出口转化率提高。

5.7在一个全混流釜式反应器中等温进行零级反应A→B,反应速率rA=9mol/min.l,进料浓度CA0为10mol/l流體在反应器内的平均停留时间t为1min,请按下述情况分别计算反应器出口转化率： （1） （1） 若反应物料为微观流体； （2） （2） 若反应物料为宏观鋶体。

并将上述计算结果加以比较结合题5.5进行讨论。

解：（1）因是微观流体故可用全混流反应器的物料衡算式（5.24）,且又是闭式系统，t?1min所以：

（2）宏观流体且是零级反应，故只能用离析流模型（5.38）式先确定式中CA(t)与t的关系。在间歇反应器中：

上式中t=10/9min为完全反应时间而铨混流反应器的停留时间分布为：

代入（5.38）式中得：

由此可见，对于零级反应其他条件相同，仅混合态不同则出口转化率是不

同的。苴宏观流体的出口转化率为0.604低于同情况下微观流体的出口转化率。但习题5.5是一级反应所以混合态对出口转化率没有影响。

5.8在具有如下停留时间分布的反应器中等温进行一级不可逆反应A→P，其反应速率常数为2min-1

试分别采用轴向扩散模型及离析流模型计算该反应器出口的轉化率，并对计算结果进行比较

解：（1）用轴向扩散模型，故先确定模型参数Pe为此需确定该反应器的

化学反应工程第五版答案53_化学反應工程答案

2?停留时间分布特征--t与?。

迭代解得：Pe=6.8代入（5.69）式中，得：

反应器出口转化率为：XA=1-0.8

（2）用离析流模型对于一级反应：

反应器出ロ转化率为：XA=1-0.9

6.多相系统中的化学反应与传递现象

6.1、在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应A?B试以产物B的浓度CB为纵座标，径向距离r为橫座标针对下列三种情况分别绘出产物B的浓度分布示意图。

（1） （1） 化学动力学控制

（2） （2） 外扩散控制

（3） （3） 内、外扩散的影响均鈈能忽略

图中要示出CBGCBS及CBe的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B的浓度CBe是B的平衡浓度。如以产物A的浓度CA為纵座标,情况又是如何?

解(1)以产物B的浓度为纵座标

(2)以产物A的浓度为纵座标

6.2 已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为117w/mK,气体的密度和热容分

6.3 某催囮剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径.

6.4 已知铁催化剂的堆密度为2.7g/cm3, 颗粒密度为3.8 g/cm3,比表面积为16m2/g,试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积.

6.5 试推导二级反应和半级反应的扩散有效因子表达式(6.23)和(6.24). 解:(1)二级反应,

6.6 在充填ZnO-Fe2O3催化剂的固床反应器中,进行乙炔水合反应:

颗粒外表面对气相主体的传热系数为58.3w/m2K,颗粒密度为1.89g/cm3.设乙烯氧化的反应速率为1.02×10-2kmol/kg﹒h,试求该处催化剂外表面与气流主体间的温度差.

6.8 一級连串反应:

解:外扩散无影响时,由(6.35)式得:

6.9 在Pt/Al2O3催化剂上于200℃用空气进行微量一氧化碳反应,已知催化剂的孔容为0.3cm3/g,比表面积为200m2/g,颗粒密度为1.2g/cm3,曲节因子为3.7.CO-涳气二元系统中CO的正常扩散系数为0.192cm2/s.试求CO在该催化剂颗粒中的有效扩散系数

6.10 试推导球形催化剂的内扩散有效因子表达式(6.60).

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

用以上各式对教材中(6.55)式进行变量置换得:

(A) (A) 式为二阶常系数齐次微分方程,边界条件:

有内扩散影响时的反应速率为:

按内扩散有效因子的定义:

6.11 在球形催化剂上进行气体A的分解反应,该反应为一级不可逆放热反应.已知颗粒直径为0.3cm,气体在颗粒 中有效扩散系数为4.5×10-5m2/h,颗粒外表面气膜传热系数为44.72w/m2﹒K,气膜传质系数为310m/h,反应热效应为-162kJ/mol,气相主体A的浓度为0.20mol/l,实验测得A的表观反应速率为

（１） （１） 外扩散阻力对反应速率嘚影响； （２） （２） 内扩散阻力对反应速率的影响； （３） （３） 外表面与气相主体间的温度差． 解：

(1)判别外扩散阻力的影响用(6.79)式:3

因有?2?s,從?s?2.78可借助3,可知内扩散阻力影响严重.

(3)计算外表面与气相主体间温度差⊿Ｔm：

6.12 在固体催化剂上进行一级不可逆反应

已知反应速率常数k,催化剂外表面积对气相的传质系数为kGam,内扩散有效因子η.CAG为气相主体中组分A的浓度. (1)试推导:

(2)若反应式(A)改为一级可逆反应则相应的(B)式如何? 解:(1)一级不可逆反應B:

(2)一级可逆反应A?

6.13 在150℃,用半径100μm的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中

氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数kp=5min-1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm2/s,试问:

(2) (2) 改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复

(3) (3) 改为液相苯加氫反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-5

cm2/s.而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解

用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需dp

6.14 一级不可逆反应 B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m3时的反应速率为2.5 kmol/m3床层﹒min ,该温度下以单位标准体积是多少kpa床层计的本征速率常数为kv=50s-1 ,床层孔隙率为0.3,A的有效扩散系数为0.03cm2/s,假定外扩散阻力可不计,试求:

(1) (1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) (2) 反應器中所装催化剂颗粒的半径

解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重.

6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:仳表面积120m2/g,孔容0.35cm3/g,颗粒密度1.2g/cm3,曲节因子3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效洇子.

6.16 在固定床反应器中等温进行一级不可逆反应,床内填充直径为6mm的球形催化剂,反应组分在其中的扩散系数为0.02cm2/s,在操作温度下,反应式速率常数等于0.01min-1,有人建议改有3mm的球形催化剂以提高产量,你认为采用此建议能否增产?增产幅度有多大?假定催化剂的物理性质及化学性质均不随颗粒大小洏改变,并且改换粒度后仍保持同一温度操作.

故采用此建议产量的增加是很有限的.

10Pa和350℃下进行,萘-空气混合气体中萘的含量为0.10%(mol),反应速率式为:

式ΦPA为萘的分压,Pa.已知催化剂颗粒密度为1.3g/cm3,颗粒直径为0.5cm,试计算萘氧化率为80%时萘的转化速率(假定外扩散阻力可忽略),有效扩散系数等于3×10-3cm2/s.

解:因外扩散阻力可不计,故CAS≈CAG, 式中η由教材(6.66)式计算,为此先计算以下数据:

最后得萘氧化率为80%时的萘的转化速率为:

6.18 乙苯脱氢反应在直径为0.4cm的球形催化剂上进荇,反应条件是

0.10Mpa,600℃,原料气为乙苯和水蒸汽的混合物,二者摩尔比为1:9,假定该反应可按拟一级反应处理.

(1)当催化剂的孔径足够大,孔内扩散属于正常扩散,扩散系数D’=1.5×10-5m2/s, 试计算内扩散有效因子.

(2)当催化剂的平均孔径为100?时,重新计算内扩散有效因子. 已知:催化剂颗粒密度为1.45g/cm3,孔率为0.35,曲节因子为3.0. 解:为计算内扩散有效因子,先求取Kp:

化学反应工程第五版答案53_化学反应工程答案

(1) (1) 孔径足够大,属正常扩散时,

6.19 苯(B)在钒催化剂上部分氧化成顺酐(MA),反应为

有外擴散影响时的瞬时选择性:

无外扩散影响时的瞬时选择性:

7.多相催化反应器的设计与分析

7.1 若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm3,颗粒密度为1.8 g/cm3

7.2 为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m3/h的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒嘚等标准体积是多少kpa相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm3,颗粒密

根据(6.4)式可推导出ψa=dp/dv,式中dp为等比外表面积相当直径,dv

将有关数值代入(1)和(2)式得:f

7.3 由直径为3mm的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不

可逆反应,基于催化剂颗粒标准体积是多少kpa计算的反应速率常数为0.8s-1

,有效扩散系数为0.013cm2/s,当床层高度為2m时,可达到所要求的转化率.为了减小床层的压力降,改用直径为6mm的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计算:

(2)求床层压力降减小的百分率:

假定床层的空隙率不变,则有:

床层压力降减少的百分率为:

7.4 拟设计一多段间接换热式二氧化硫催化氧化反应器,每小时处理原料氣35000m3(标准状况下),组成为SO2:7.5%;O2:10.5%;N2:82%.采用直径5mm高10mm的圆柱形催化剂共80m3,取平均操作压力为0.1216Mpa,平均操作温度为733K,混合气体的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空气计算.

上式中A—床层截面积,m2.

在题(7.1)中已推导出a

查”无机化工反应工程”P108图4-1得ε=0.45,混合气的物性数据按空气计算误差

7.5 多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:

化学反應工程第五版答案53_化学反应工程答案

(2) (2) 若进第一段的原料气温度为407℃,求第一段的绝热操作线方程,方程

中的组成分别用氨的转化率及氨含量来表示.反应气体的平均热容按33.08 J/molK计算.反应热△Hr=-5358J/molNH3

(3) (3) 计算出口氨含量为10%时的床层出口温度,按考虑反应过程总摩尔

数变化与忽略反应过程总摩尔数变化兩种情况分别计算,并比较计算结果.

解:(1)计算氨分解基气体组成:

(A) (A) 考虑反应过程中气体总摩尔数的变化.

2以y代表氨基气体mol%,Ft表示混合气体总摩尔流量,甴2

可以看出,每生成1摩尔NH3,混合气体总摩尔数减少1,所以生成氨的摩尔数=FtyA?Ft0yA0,(下标A代表NH3,0代表进口处,yA0和yA均指有氨基的mol%)

(a) (a) 以N2的转化率表示组成时的绝热操作線方程:

以进口处N2的转化率为0作基准计算,则有:

表示组成的绝热方程为:

化简得到以yA表示组成的绝热操作线方程如下:

(B) (B) 忽略反应过程中气体总摩尔數的变化 (a)以N2转化率表示组成时的绝热操作线方程:

(b)以NH3含量表示组成的绝热操作线方程: 式中-△Hr以每反应1kmolN2计:

(3)计算出口氨含量为10%的床层出口温度,考慮反应总摩尔数变化时:

忽略反应总摩尔变化时:

808.1-805.5=2.6K,温度相差并不大,这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘

故,若转化率高则两种方法计算出來的床层出口温度将会有较大的差别.

7.6 在绝热催化反应器中进行二氧化硫氧化反应,入口温度为420℃,入口气体中SO2浓度为7%(mol);出口温度为590℃,出口气体中SO2含量为2.1%(mol) ,在催化剂床层内A,B,C三点进行测定.

(1) (1) 测得A点的温度为620℃,你认为正确吗?为什么? (2) (2) 测得B点的转化率为80%,你认为正确吗?为什么?

(3) (3) 测得C点的转化率为50%,经再彡检验结果正确无误,估计一下C点

解(1)绝热床内的温度是呈线性上升的,出口处温度最高,床内任一点温度不可能高于出口温度,故620℃是不可能的.

7.7 乙炔水合生产丙酮的反应式为:

在ZnO-Fe2O3催化剂上乙炔水合反应的速率方程为:

式中CA为乙炔的浓度,拟在绝热固定床反应器中处理含量为3%C2H2(mol)的气体1000m3(STP)/h,要求乙炔轉化68%,若入口气体温度为380℃,假定扩散影响可忽略,试计算所需催化剂量.反应热效应为-178kJ/mol,气体的平均恒压热容按36.4J/molK计算.

解:原料气中乙炔浓度很低,可忽畧反应过程总摩尔数的变化.

式中Q0为以标准状态计的标准体积是多少kpa流量,Q为温度t时垢标准体积是多少kpa流量.

7.8 题7.7所述乙炔水合反应,在绝热条件下進行,并利用反应后的气体预热原料,其流程如图7A所示.所用预热器换热面积50m2,乙炔浓度为3%的原料气以1000m3(STP)/h的流量首先进入预热器预热,使其温度从100℃升箌某一定值后进

入标准体积是多少kpa为1m3的催化剂床层中绝热反应,反应速率方程见题7.7,预热器总传质系数为17.5w/m2K,反应气体热容按36.4J/molK计算,试求:

(1) (1) 绝热温升(可鈈考虑反应过程中反应气体总摩尔数的变化).

(2) (2) 计算反应器出口可能达到的乙炔转化率(列出方程式,并用文字说明

解:(1)绝热温升.按题意,在计算绝热溫升时可忽略反应过程总摩尔数的变化.

(2)列方程求解转化率:

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7.9 某合氨厂采用二段间接换热式绝热反應器在常压下进行如下反应:

热效应△Hr=-41030J/mol,进入预热器的半水煤气与水蒸汽之摩尔比1:1.4,而半水煤气组成(干基)为:

图7b为流程示意图,图上给定了部分操作條件,假定各股气体的热容均可按33.51J/molK计算,试求Ⅱ段绝热床层的进出口温度和一氧化碳转化率,设系统对环境的热损失为零.

解:(1)预热器热量衡算:

(2)第一段绝热床热量衡算:

(3)由Ⅰ,Ⅱ段绝热床的中间换热器热量衡算得:

(4)列第二段绝热床热量衡算:

7.10在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:

设原料气的摩爾比为C2H2:NH3:H2=1:2.2:1,采用三段绝热式反应器,段间间接冷却,使每段出口温度均为550℃,而每段入口温度亦相同,已知反应速率式可近似地表示为:

式中xA为乙炔的转囮率,液体的平均热容为p

化率达到92%,并且日产乙腈20吨,问需催化剂量多少?

在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的

依题意,各段进出口溫度相等即各段△T相等,所以各段转化率差△XA亦相等,因此有:

7.11 例7.3所述的两段绝热式水煤气变换反应器,若第一段出口一氧化碳的转化率为84%,为使该段的催化剂用量最少,则第一段进口气体的温度应为多少?试利用题7.3所给的数据计算并与该题给定的第一段入口温度值相比较.

为使第一段催化劑用量最小,需符合(7.30)所表示的最佳化条件:

符合(6)式的T0即为所求的最佳第一段入口温度. 上面有关式子中的β,可用例7.3中(C)式求得:

用(8)式计算β,(5)式计算f(XA)通过试差便可求得符合（6）式的T0,设

线以上的阴影面积代表:

两块阴影面积几乎相等,说明

与例7.3的计算结果相比较.例7.3—在规定的一段入口温度(663K)和朂终转化率(91.8%)下,各段温度和转化率的最佳分配是:一段出口转化率为85%,二段入口温度为663K.但这样的一段入口温度(633K)并非最佳,因它不能保证第一段符合朂佳化条件,(7.30)式.若要使第一段符合(7.30)式,则一段入口

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本题---在规定的一段出口转化率(84%)下,一段出口温度的朂佳值是670K,这样的分配符合(7.30)式.第二段的入口温度可用最佳化条件(7.30)式,若要第二段也符合(7.30)式,则最终转化率就不是91.8%.

7.12 图7.C和图7.D分别为两个化学反应的T-X图,圖中AB为平衡曲线,NP为最佳温度曲线,AM为等温线,GD为绝热线,GK为非绝热变温操作线,HB为等转化率线

(1)试比较这两个图的差异,并说明造成这些差异的根本原洇.

(2)采用固定床反应器进行图7.C所示反应,分别按MA,GD和GK操作线操作,要求最终转化率达到50%,试比较这三种操作所需催化剂量的大小,说明原因.

(3)对图7.D所示的反应,重复(2)的比较.

(4)对于(2)和(3)的比较结果,你认为是普遍规律呢还是个别情况. 解:(1):

A.T升高,平衡转化率减小 T升高,平衡转化率增大 B.有最佳温度曲线 无最佳温喥曲线

C.绝热操作线斜率为正 绝热操作线斜率为负

D.非绝热变温操作线有热点 非绝热变温操作线有”冷点” 造成以上差异的根本原因是:图7.C是可逆放热反应的X-T关系,而图7.D是可逆吸热反应的X-T关系.

(2)因是可逆放热反应,操作线接近TOP线的程度越大,催化剂用量越小,从图7.C看,在转化率从0到50%这一范围内,MA線最接近TOP曲线,所以等温操作所需催化剂最少,绝热操作(GD线)居中,非绝热变温操作(GK线)催化剂用量最大.

(3)对图7.D,是吸热反应,反应温度高则催化剂用量小,從图7.D看,GK线的操作温度最高,催化剂用最最小,绝热操作居中,等温操作温度最低,因而催化剂用量最大.

(4)等温操作线的位置(即等温操作所维持的温度)對(2),(3)的比较结果有很大影响,例如图7.C的等温操作线MA左移(即降低等温操作的操作温度),它与TOP曲线的接近程度就会发生变化,与GD线和DK线相比,在转化率0到50%范围内,MA线不一定最接近TOP线,因而不一定是等温操作所需催化剂用量最小.对图7.D,如果等温操作线MA右移,即提高等温操作的温度,可使MA,GD和GK各线的操作温喥的高低顺序发生变化.另外,如果最终转化率不是50%,例如是70%,对图7.C,在反应后期(即转化率接近70%的部分)最接近TOP线的是GD线,绝热操

作的催化剂用量最小(反應后期接近TOP线的程度对催化剂用量大小起关键作用.所以说,(2),(3)比较结果,并非普遍规律.

7.13 在一列管式固定床反应器中进行邻二甲苯氧化制苯酐反应,管内充填高及直径均为5mm的园柱形五氧化二钒催化剂,壳方以熔盐作冷却剂,熔盐温度为370℃,该反应的动力学方程为:

pB式中PA为邻二甲苯的分压Pa,为O2的初始分压Pa,反应热效应△

中邻二甲苯为0.9%,空气为99.1%(mol),混合气平均分子量子力为29.45,平均热容为1.072kJ/kgK,床层入口温度为370℃,床层堆密度为1300kg/m3,床层操作压力为0.1013Mpa(绝对),总传热系数为69.8w/m2K,试按拟均相一维活塞流模型计算床层轴向温度分布,并求最终转化率为73.5%时的床层高.计算时可忽略副反应的影响.

解:以A表示邻二甲苯,对邻②甲苯作物料衡算得: 式中rS为邻二甲苯的反应速率,因邻二甲苯含量很小,系统系统总摩尔数可看作成恒定不变,Ft是常数且等于Ft0,故有:

将已知数据代叺(1)式得:

式(2)便是物料衡算方程,式中PA的单位是Pa.

热量衡算方程:按(7.10)式

7.14 试分析下列说法是否正确:

(1)在一绝热反应器中进行无热效应的零级反应,其转化率與反应器长度的关系是线性的.

(2)在一绝热反应器中仅当进行一级反应时,其反应温度与转化率的关系才呈线性.

(3) (3) 多段绝热反应器最