化学反应工程(郭锴)第二版习题解答(1) - 下载本文

《化学反应工程》第二版习题解答

dx?k1?(k1?k2)xdtdx?dtk1?(k1?k2)x?t?0,x?0??t?t,x?x

?1k?(k1?k2)xln1?tk1?k2k1K?K?k1cPecA0xex0.667???e??2 k2cAecA0(1?xe)1?xe1?0.667k1?2k2x?0.333t?8??1???1ln?1?1??0.333?????8k1?k2?2?????10.6931ln?0.5???8k1?k2k1?k2?k1?k2?0.08664?k1/k2?2??k1?0.05776min?1??1k?0.02888min?2dc?rA??A?0.05776cA?0.02888cPdt6.

平行液相反应 A→P rP=1 A→R rR=2cA A→S rS=cA2

已知cA0=2kmol·m-3,cAf=0.2kmol·m-3,求下列反应器中,cP最大为多少?

(1) 平推流反应器;(2)全混流反应器;(3)两相同体积的全混流反应器串联,cA1=1 kmol·m-3。

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SP?rP11??2rP?rR?rS1?2cA?cA(1?cA)21cA0?cAfFor PFRSp??cA0cAfSPdcAcA0

cP?Sp(cA0?cAf)???cAf1dcA2(1?cA)1111????0.5kmol?m-3(1?cAf)(1?cA0)1?0.21?2For CSTRcP?Sp(cA0?cAf)?(cA0?cAf)?1.25kmol?m-311?(2?0.2)(1?cAf)2(1?0.2)2

For two CSTR in SeriescP?(cA0?cA1)SP1?(cA1?cAf)SP211?(1?0.2)(1?1)2(1?0.2)2?0.25?0.56?(2?1)?0.81kmol?m-3 7.

自催化反应A+P→2P的速率方程为:?rA=kcAcP,k=l m3kmol-1min-1,原料组成为含A 13%,含P 1%(摩尔百分数),且cA0+cP0= l kmol·m-3,出口流中cP= 0.9 kmol·m-3,计算采用下列各种反应器时的空间时间(τ=VR/V0)。(1)平推流反应器;(2)全混流反应器;(3)平推流与全混流反应器的最佳组合;(4)全混流反应器与一分离器的最佳组合。 解

cA0?1kmol?m31?0.0714xAf?0.914

2?rA?kcAcP?kcA0(1?xA)cA0xA?kcA0(1?xA)xAxAin? 17

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For PFR??cA0?xAfxAindxA1???rA?kcA0?xAfxAindxA1??1?xA?xAkcA0?11? ????xAin??dx1?xxAA??xAf?xAf??0.9???????1?xAf?111?0.9????ln?ln?4.76minkcA0?xAin?1?1?0.0714?????1?x??1?0.0714??Ain??For CSTR xAf?xAin10.9?0.0714??cA02???9.2minkcA0?1?xAf?xAf1?1?1?0.9??0.9For CSTR?PFR由于1d??rA?与?rA的极值点相同,令?0,有1?2xA?0,xA1?0.5?rAdxA?1?1x?xAin10.5?0.0714?Af???1.71minkcA0(1?xA1)xA11?1(1?0.5)?0.5cA1?cA0(1?xA1)?0.5kmol?m?3?0.9???1?0.9???2?ln?2.20?0.5????1?0.5????1??2?1.71?2.20?3.91min

For CSTR?分离器d??rA??0,dxAxA1?0.5

?? 8. 证

1xAf?xAin10.5?0.0714???1.71minkcA0(1?xA1)xA11?1(1?0.5)?0.5在两个串联的全混流反应器中进行一级反应,进出口条件一定时,试证明当反应器大小相同时,两个反应器的总容积最小。

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??cA0?cAf(?rA)f?1??cA0?cA1cA01??kcA1kcA1k?2?cA1?cAfc1?A1?kcAfkcAfkcA1?cA0cAfd(?1??2)?0dcA1cA01??02kcA1kcAf

2cA1?cA0cAf?cA011?cA0?????1??kcA0cAfkk?cAf??1??2VR1?VR2?1??2??cA0cAf11?cA0?????1?? kcAfkk?cAf? 9. 解

半衰期为20小时的放射性流体以0.1m3hr-1的流量通过两个串联的40m3全混流反应器后,其放射性衰减了多少?

只有一级反应存在半衰期的概念。首先求反应速率常数:cA?e?ktcA00.5?e?20kk?0.03466hr?1

对全混流反应器,??40c??cA0?1?xA??代入数据?第一釜?:?A00.1kcA0?1?xA?第二釜,单釜转化率仍为0.9327。总转化率1??1?0.9327??0.99552cA0?cA?rA400?xA?1?xA?0.03466xA?0.932710. A进行平行分解反应,其速率式为

↗R rR=1 kmol·m-3min-1 A →S rS=2cA kmol·m-3min-1 ↘T rT=cA kmol·m-3min-1

其中R是所要求的目的产物,cA0=1kmol·m-3。试问在下述反应器进行等温操作时,预计最大的cR为多少?(1)全混流反应器;(2)平推流反应器。 解

低浓度操作对生成目的产物R有利,对全混流反应器,可在极低的浓度下操作

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cR?(cA0?cAf)Sp?(cA0?cAf)?(1?0)1?11?0?011?2cAf?cAf

对平推流反应器,则尽量使其转化率提高。

cR??cA0?cAf?Sp??1dcAcAf1?3cAfcA011?ln?0.462mol?m331?0

11. 在0℃时纯气相组分A在一恒容间歇反应器依以下计量方程反应:A→2.5P,实验测得

如下数据: 时间/s

pA/MPa 解

当t→∞时,pAe=0.2故为可逆反应,设此反应为一级可逆反应,则

0 0.1

2 0.08

4

0.0625

6 0.051

8 0.042

10 0.036

12 0.032

14 0.028

∞ 0.020

求此反应的动力学方程式。

dpA?k1pA?k2pP?k1pA?2.5k2?pA0?pA?dt

pAe?pA0积分,得(k1?2.5k2)t?lnpA?pAe?以(-ln(pA-pAe))对t作图

t pA PA-pAe -ln(pA-pAe)

0 0.1 0.08 2.526

2 0.08 0.06 2.813

4 0.0625 0.0425 3.158

6 0.051 0.031 3.474

8 0.042 0.022 3.817

10 0.036 0.016 4.135

12 0.032 0.012 4.423

14 0.028 0.008 4.828

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