反应工程计算题2010年

-1-1

2、在间歇反应器中进行等温液相反应A+B→R已知（-rA）=kCACBmolLmin,k=0.3Lmol-1min-1,

-1

CA0=CB0=0.2molL,试计算反应物A的转化率分别达到90%和99%时所需要的时间，并做比较。

3、在间歇反应器中用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，其反应式为：

CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O A B C D

反应在100℃等温进行，进料物质的量比为A:B=1:4.97，并以少量硫酸为催化剂。由于丁醇

2-23-1-1

过量，其动力学方程为（-rA）=kCA，式中k为1.74×10mkmolmin。已知反应物密度ρ

3

为750kg/m（反应前后基本不变），若每天生产乙酸丁酯2450kg（不考虑分离过程损失），每批物料的非生产时间取0.5h，求乙酸转化率为55%时所需间歇反应器的体积（装料系数φ=0.75）。

解：CH3COOH+C4H3OHCH3COOC4H9+H2O由化学反应方程可知：FA0=CAO 24500.0326kmol/min24601161-055.11.753kmol/m3601744.97750 F0.0326v0A00.0186m3/minCAO1.75322(rA)kCAkCA01xA2 xA0.55t40.07min2kCA01xA1.74101.75310.55VRv0tt0.018640.07301.30m3VRT1.301.73m30.75VR

答：略。

4、在间歇反应器中进行二级液相反应A+B→R+S,两种反应物的起始浓度均为1kmol/m,反应10min后的转化率为80%。如果将该反应改在全混流反应器中进行，求达到相同转化率所需要的反应时间。

3

解：间歇反应器：t=xA

kCA01-xAkxA0.80.4m3kmol1min1

tCA01-xA10110.8全混反应器：t=答：略。

xAkCA01-xA20.80.4110.8250min

5、间歇反应器中进行液相反应A+B→R+S,反应温度为75℃，实验测得的反应速率方程式为

-33-1-13

（-rA）=kCACB,k=3×10mkmolS。当反应物A和B的初始浓度均为5kmol/m,A的转化率达80%时，该反应器每分钟能处理0.684kmol(A)。今若将反应移到一个内径为300mm的管式反应器中进行，其他条件不变，试计算管式反应器的长度。

解：间歇反应器：t=xA0.8266.67[S]

kCA01-xA3103510.8在管式反应器中进行，达到同样转化率所需的反应时间相同：

已知FA0=0.684kmol/min;CA05kmol/m3

VRP=v0t0.684266.670.61m3;VRP=d2L 5604V0.61LRP8.63m

23.14d0.3244答：略。

6、环氧乙烷和水催化生成乙二醇，其反应如下：

该反应以硫酸作催化剂，其反应动力学方程为（-rA）=kCA(A为关键组分环氧乙烷)，k=0.311min-1,环氧乙烷和硫酸分别以0.04kmol/L和0.90%（质量分数）的水溶液等体积加入全混流反应器中。若转化率达80%，每天生产乙二醇8500kg，试计算： （1）全混流反应器有效体积；

（2）若用二个有效容积均为40L的全混反应器串联，其最终转化率为多少？ （3）若用二个有效容积均为40L的全混反应器并联，其最终转化率为多少？

（4）若将反应改在活塞流反应器中进行，其余条件不变，则反应器的有效容积为多少？

解：（）环氧乙烷1FA0 CA0=850017.14kmol/h24620.80.04=0.02kmol/L(等体积)2

FA07.14体积流量：v0357L/h5.95L/minCA00.02VRCSTRv0xA5.950.876.5Lk(1xA)0.31110.8xxxA1(2)VRCSTR40,串联：VRCSTR1VRCSTR2有：A1A2k(1xA1)k(1xA2)或：VRCSTR1又VRCSTR2v0xA15.95xA140xA167.6%

k(1xA1)0.311(1xA1)v（）0xA2xA140xA2.5%k(1xA2)1,v0

（3）并联：两个反应器的体积流量各为v0xA2=40xA=80.7%k(1xA)VRCSTR(4)PFR反应器：xA=80%VRP=答：略。v015.951lnln30.8L k1xA0.31110.87、若将3题的酯化反应改在活塞流反应器中进行，请利用3题的已知条件和计算结果计算：

（1）转化率达55%所需要的反应器有效体积； （2）反应进行80min时的残余乙酸浓度。

解：(1)达到相同转化率所需的反应时间相同：VRP=v0t=0.018640.07=0.75m3 CA01.7533(2)CA0.510kmol/m1kCA011.74102801.753答：略。8、在活塞流反应器中进行乙醛分解反应： CH3CHO→CH4+CO

在791K，1.013×105Pa，进料为纯乙醛的条件下，该反应的速率方程为

（-rA）=kC2A,k=0.33m3kmol-1。若乙醛质量流量为0.02kgs-1,求乙醛转化率为40%时所需要的反应器有效容积和物料在反应器中的平均停留时间。

xA解：活塞流反应器VRP=FA00dxAFA02kC2kCA0AxA1xAdx

21x0A2FA0kC2A021xA321ln1xAxA

1xA+B1+1-1R+S-A气体膨胀因子；A===1

A1yA0A111

乙醛的摩尔质量44：FA0=0.02=0.45510-3kmol/S 44在791K的条件下乙醛为气态：看成理想气体： nRT0.4558.314791-23PVnRTV===2.95410m/S5P1.013100.45510-33CA00.0154kmol/m -22.95410VRP=FA0kC2A021xA321ln1xAxA

1xA2110.432111ln10.410.4

10.40.45510-30.330.015425.8142.0430.42.6675.95m3 VRP1=tFA0kCA0CA021xA321ln1xAxA

1xA2110.4132111ln10.410.4 0.330.015410.4196.7731.0234201.4S

答：略。

9、顺丁烯二酸酐的稀水溶液，在298K下进行连续水解，由于酸酐浓度仅为0.15kmol/m3,可作一级反应处理，k=0.0024S-1，物料初始体积流量为1×10-5m3/S,现有两个3×10-3m3，一个6×10-3m3的全混流反应器和两个3×10-3m3和一个6×10-3m3的活塞流反应器可供采用，试求： （1）若用一个6×10-3m3的CSTR或两个3×10-3m3的CSTR串联操作，哪一个转化率较大？ （2）若用一个6×10-3m3的PFR操作，转化率为多少？

（3）若用两个3×10-3m3的CSTR并联操作，每一个反应器取1/2的流量，转化率为多少？ （4）若将一个3×10-3m3的PFR放在一个3×10-3m3的CSTR之前或之后，哪一个转化率较高？

（5）若用两个3×10-3m3的PFR串联或并联操作，哪一个转化率较高？

解：已知：k=0.0024S-1；v01105m3/S

VRTxAxA6103（）一个1CSTR:5v0k1xA1100.00241xA xA59.2%xA1xA13103串联：xA10.4186 5110k1xA10.00241xA1xA2xA1xA2xA13103xA266.2% 5110k1xA20.00241xA2VRP1kVRP0.0024610311（2）PFR:lnln1.445v0k1xA1xAv01101e1.444.2207xA76.31%1xAVRTxAxA3103(3)两个CSTR并联：1v0k1xA11050.00241xA 2xA59.02%

（4）PFRCSTRVRP11310311 lnln5v0k1xA11100.00241xA1xA151.3%xA2xA13103xA271.7%

1105k1xA2CSTRPFR：

xA1xA0VRPxA1031035v0k1xA11100.00241xA1 xA10.4186VRP1AdCA;CACA01xA;dCACA0dxA v0kCA0CAVRP1AdCA1v0kCA0CAkCxA2CdxA11xA1ln 1xk1xAA2xA13103110.4186lnxA271.7%

11050.00241xA2(5)PFRPFR

VRP11310311lnlnxA10.513 v0k1xA111050.00241xA1VRP11xA13103110.513lnlnxA276.3% 5v0k1xA21100.00241xA2VRP11310311并联：lnlnxA76.3%

11v0k1xA11050.00241xA22答：略。

10、一活塞流反应器和一全混流反应器按下图所示两种方式连接。今分别在其中进行二级不

BC,已知k=0.0472m3kmol-1S-1,物料在每个反应器中的停留时间均为可逆反应：2A60S，CA0=1kmol.m-3。若两反应器温度相同，反应过程中物料密度基本不变，试计算两种情

况下各反应器的出口浓度。

→PFR→CSTR→; →CSTR→PFR→

k解：(1)PFRCSTR:t=xA1xA160

kCA01-xA10.047211-xA1xA12.8322.832xA1xA10.739

VRCSTR2v0（xA2xA1）（xA20.739）60

kCA0(1xA2)20.04721(1xA2)222.832xA26.6xA23.5710

xA2bb24ac6.644.40940.45236.61.91 2a22.83222.8326.61.9182.5%

5.6CA=CA0(1-xA2)=11-0.8250.175kmol.m3

(2)CSTRPFR:VRCSTR2v0（xA1xA0）（xA10）6022kCA0(1xA1)0.04721(1xA1)

22.832xA16.6xA12.8320bb24ac6.644.40932.08096.63.5111xA12a22.83222.832

6.63.511155.7%;CACA01xA1110.5570.4435.6VRtv0xA2xA1dxAkCA01xA21kCA0xA2xA11xAdxA2xA2xA1160

kCA01xA21xA1xA20.5571=60xA280.4%

0.047211xA210.557CA=CA0(1-xA2)=11-0.8040.196kmol.m3答：略。