第三章理想流动均相反应器设计题解

第三章 理想流动均相反应器设计题解

1、[间歇反应器与全混釜恒容一级]

有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多大的空速?

解:㏑CA 0CA =kt, CA0CA

CA0

- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min

-1

在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926⨯=25.2 min -1

∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -1

2、[平推流恒容一级]

有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压力下进行A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C A

mol/m 3

·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?

解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1

k ㏑PA0PA =1k ㏑

A0

A

y y =1k ㏑1

1A

x -=10.27㏑110.95-=11.1 S

∴V R =τP ·v 0=τP 00

A A F

C

而C A0=

A P RT

=30.30.082555⨯⨯=0.0198mol/L=19.8mol/m 3

V R =11.1s ×

3

6.3/19.8/mol s mol m =3.53m 3

3、[平推流变容过程一级]

有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学

方程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa.

772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积.

解: ∵εA =21

2-=0.5

∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf

0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5

∴τP =1.5ln 20.25

0.4-=1.974h

V R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 3

4、[间歇釜变容一级]

一级气相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后,其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率? 速率常数多大? 解: 膨胀因子 δA =3-11=2

膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5

对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =

V V 0

A

1ε-=2-11.5=66.7%

K=1t ㏑1

1A

x -=18㏑110.667-=0.0735 min -1

5、[全混流恒容二级反应]

在全混流反应器中进行液相均相二级反应:A+B →C,在298K 下的动力学方程式为

r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3

/min.A,B 的初始浓度相同,均为0.1mol/L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜? 解:

R 0

V v =

A0Af A

C x r =

A0Af A B

C x kC C =

A02

Af A C x kC =A02

2

0(1)Af

A Af C x kC

x -=τm

τm =

2

0.9

0.60.1(10.9)⨯-=150 min

∴V R =v 0τm =0.018 m 3/mi n ×150min=2.7 m 3

6、[多釜串联液相二级]

某一液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3

，

在两个等体积的全混釜中进行反应,最终出口转化率0.875.进料体积流量为0.278m 3

/KS .求全混釜的总体积? 解： τ1=

10

R V v =

01

1A A C C r -=01

2

2

01(1)A A A A C x kC

x -

τ2=

20

R V v =

12

2

A A A C C r -=02

122

2()

(1

)A A A A A C x

x kC x

--

∵ τ1=τ2 两釜相同

所以， 121

(1)A A x x -=2

1

2

2(1)A

A A x

x x

--, 而x A2 =0.875

整理有 (1-0.875)2

x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2

试差解得 x A1=0.7251

所以，V R1=001220

1

(1)A A A A v C x

kC x ⨯-=20.2780.7521

9.920.08(10.7521)

⨯⨯⨯-=4.16 m 3

总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 3

7.【自催化反应优化】

自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？（5分）

解：A+R → R+R -r A =kC A C R C 0 =C A + C R . 串联连接，管式反应器加釜式反应器 速度较快，同样转化时所用的体积较小。 只有当C Am = C Rm = 0.5(C A0 + C R0) = 0.5C 0 时速度最快。 ∵A

A A a r x x F --∇=0

10

A A a r C C --=1

01τ A

A a r C C --=2

12τ

或 ⎰-=01

1A A A

A C C

r dC

τ ⎰-=12

2A A A

A C C

r dC

τ