聚合反应工程作业及答案

1. 请考虑化学反应, A ＋ B --- C ,该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20℃，液料的体积流量为0.5m3/h, CA0=96.5mol/m3, CB0=184mol/m3,催化剂的浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速度方程为： rA=kCACD 式中k=1.15*10-3m3/(mol.s)。若要求A的转化率为40%，试求反应器的体积。

解：设A的转化率为x，则有： rA?kCA0(1?x)CD对于全混流反应器，应有：

2. 某二级液相反应A+B→C，已知CAo=CBO ，在间歇反应器中达到x=0.99，需反应的时间为10min,问：

m应为多少？ (1) 在全混流反应器中进行时，?

??CA0(x?x0)CA0xx??rAkCA0(1?x)CDk(1?x)CD??0.40?87.4ks?24.28h?3(1.15?10)(1?0.4)(6.63)VR?V0??0.5?24.28?12.14m3?m 又是多少？ (2) 在两个串联全混流反应器(反应体积相等)中进行时， 解：在间歇反应器中，对二级反应

x0.999.9 k? ? ? CA0?(1?x)10CA0(1?0.99)CA0xkCA0(1?x)2 (1)

（１）在单个CSTR中 ??

x0.999900k??? (1? ?(1 )2 C ? CA0?x)2 CA?0.990A0 (2)

(1)=(2) 则

VR?m??1000minV0

(2) 两个CSTR串联

22CSTR-1: V0CA0xA1?kCA0(1?xA1)VR1

VxA1 (3) ?1?R1?V0kCAo(1?xA1)2

CSTR-1: VC(x?x)?kC2(1?x)2V0A0A2A1A0A2R2

A2A1?2?R2?2VkC(1?x)0AoA2 (4)

Vx?x ; VR1?VR2?VR

xA1?xA2?VRkCA0(1?xA2)2V0VR代入(3) ; ?39.6V0

??2VR?2?39.6?79.2minV03 .试证明在间歇操作时，一级反应转化率达到 99.9%所需的时间约为转化率为50%时的10倍. 而在单釜连续操作时(设为理想操作),约为 999倍. .(1)间歇

dx/dt=k(1-x), t=1/k(ln(1/(1-x)) , 将 x1,x2 代入可得: t2/t1=10 (2)理想:

v0*c0=v0*c1+ raV , t= x/k(1-x) , 代入 x1,x2 可得: t2/t1=999

4．有一液相不可逆反应,反应速率方程为: -RA=KCAK=10M/kmol,CA0=0.2 kmol/ M转化率最大. (1) VR= 4 M

3

3

3

3

2

,已知

20℃下:

, 加料速度为 2 M/小时,比较下列方案,何种

时理想管式流动反应器.

3

(2) 理想管式流动反应器后串联一理想连续釜式反应器,体积各为2 M (3) 理想连续釜式反应器后串联一理想管式流动反应器, 体积各为2 M (4) 两段理想连续釜式反应器, 体积各为2 M

解:

1. 4M3 , PFR

3

3

??VR?0?4?2(h) , 由表2-13 得2

二级反应, PFR:

x(A)1?xA 2? , xA= 4/5=0.8 , CA= 0.04

10*0.22.

PFR----XAf ------CSTR--------X

x(A)1?xAV2 第一步: 在PFR中, 反应时间, ??R??1(h) , 1? , 得到: XA =

?0210*0.20.667 , CA=0.2*(1-0.667)=0.0667 第二步: CSTR : ??xAxA1? ; 2210*0.2*(1?0.667)(1?xA)kCA0(1?xA) XA= 0.318 , CA=0.066*(1-0.318)=0.045 , 总转化率: X=(0.2-0.045)/0.2=0.775

3. CSTR…… XA………………PFR………….X (1) CSTR ??xAxA1? ; ; XA=0.5 ; 22kCA0(1?xA)10*0.2*(1?xA)x(A)1?xA (2)PFR : 1? X2= 0.5 由此 : CA= 0.1*0.5 = 0.05

10*0.1

总转化率: X=(0.2-0.05)/0.2= 0.75

4. CSTR1……..CA1………..CSTR2……..CA2 (1 ) CSTR1: ??xAxA1? ; ; XA1=0.5

kCA0(1?xA)210*0.2*(1?xA)2 (2) CSTR2: ??xAxA1? ; ; XA2=0.381 2210*0.1*(1?xA)kCA0(1?xA) CA2= 0.1*(1-0.381)= 0.0618; 总转化率: X=(0.2-0.0618)/0.2= 0.691

0.8 (PFR, PFR) 0.775, (PFR, CSTR) 0.7(CSTR, PFR) , 0.691(CSTR,CSTR)

5.在体积为 VR的反应器中进行连续均相等温反应，A―→R ， rA＝kCA2

（1） 当该反应器为 CSTR时， XAR＝50％，若将此反应器改为PFR，XAR等于多少？ （2） 当该反应器为 CSTR时， XAR＝50％，若将此反应器体积增大6倍（仍为ＣＳ

ＴＲ），XAR等于多少？

（3） 若反应级数为 零级 , 求 (1),(2)的结果. (4). 若反应级数为 一级 , 求 (1),(2)的结果. 解: 二级反应 CSTR : ??xA1

kCA0(1?xA1)2x(A2)1?xA2 PFR: ??

k*CA0x(A2)xA11?xA2(1) 反应时间不变, ??= ; XA1=0.5 , 代入: XA2=0.67

kCA0(1?xA1)2k*CA0xA1kCA0(1?xA1)21? , XA1=0.5 得到: XA2=0.75 (2) 反应体积增加 6 倍 ,

xA262kCA0(1?xA2)(3) 若反应级数为0 时, PFR和CSTR的结果一样, (3).1 , XA2 =0.5

CA0xA1

Cx1k (3). 2 ??A0A , ? ; XA2=1

CA0xA26kk

x1ln()(A1)1?xA11?xA1(4) 若反应级数为1级 时, ?p? ; ?m?

kkx1)(A1)ln(1?xA21?xA1 (4).1 反应时间不变; ?m?= ; XA1=0.5 ; 代入得: XA2=0.632

kkxx(A1)(A2)1?xA11?xA2?(4).2 6* XA2=6/7=0.857 kk

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