化学反应工程纸质作业答案

第一章（摩尔衡算）作业答案：

P1-11A 在一个连续流动的反应器中反应：

A

B

等温进行，计算当进料的摩尔流率为5mol/h, 假设反应速率-r A 为： （a ） -r A =k ， k=0.05mol/h.L 时 （b ） -r A =kC A ， k=0.0001s -1 时 （c ） -r A =kC A 2， k=3 L/mol.h 时

消耗99%的组分A （即C A =0.01C A0）时，对CSTR 和PFR 反应器需要的反应器体积。

进料的体积流量为10L/h 。[注意：F A =C A v 。当体积流量恒定时，v=v 0, 因此，F A =C A v 0。故C A0=F A0/v 0=（5 mol/h ）/(10L/h)=0.5mol/L 。] 解：

（a ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao A

A

F F V r -=

- 00.0110/0.5/0.990.99990.05/.--⨯=

===⨯=Ao A Ao A Ao C v C v C v C v vC L h mol L

V L k k k mol h L

对PFR ，组分Ａ的摩尔平衡方程为：A A dF

r dV

=

摩尔流率与体积流率之间的关系：A A F C v = 由于体积流率v 恒定，故有：

A A A dF dC v dC

v dV dV dV

== 对零级不可逆反应，反应速率可写为：A r k -= 将r A 代入方程得到：A

A dC v

r k dV

==- 整理得：A v

dC dV k

-=

反应器入口的条件：当V=0 时 C A =C A0

对上式子积分：0

A

A C V

A C v dC dV k -=⎰⎰

给出方程：0()A A v

V C C k

=

- 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得：

10/(10.01)0.5/990.05/=

-⨯=⋅L h

V mol L L mol h L

（b ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao A

A

F F V r -=

- 01

00.0110/999927500.010.00013600---=

===⨯=⨯⨯⨯Ao A Ao A A A C v C v C v C v v L h

V L kC k C k h

根据（a ）中PFR 的求解方法，得出一级不可逆反应的V 的表达式：0

ln A A

v C V k C = 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得到：

1

10/1

ln 127.90.000136000.01-==⨯L h V L h （c ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao A

A

F F V r -=

- 00022

000.0110/9900990066000(0.01)3/0.5/--=

===⨯=⨯⋅⨯A

A A A A A A C v C v C v C v v L h

V L kC k C kC L mol h mol L 根据（a ）中PFR 的求解方法，得出二级不可逆反应的V 的表达式：0

11

()A A v V k C C =- 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得到：

10/11()6603/0.50.010.5

=-=⋅⨯L h V L L mol h

第二章（转化率和反应器尺寸）作业答案：

在体积为2.5 m 3的理想BR 中进行液相反应：A B P +→，反应温度维持在75℃，实验测定反应速率方程为：A A B r k C C -=，32.7810/.-=⨯k l mol s ，004/==A B C C mol l ，

0684/min =A F mol

求：（1）反应器中A 的转化率达80%时所需的时间。

（2）上述反应在PFR 中进行，A 的转化率达80%时所需反应器体积。 （3）上述反应在CSTR 中进行，A 的转化率达80%时所需反应器体积。

（4）上述反应在两个串联的PFR 中进行，A 的转化率分别为50％和80%时所需反应器体积。

（5）上述反应在两个串联的CSTR 中进行，A 的转化率分别为50％和80%时所需反应器体积。 解：

由于A 和B 的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程

中C A ＝C B ，所以反应速率可表达为2

A A kC r =-

（1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：

)(7.359)

8.01(41078.28

.0)1()1(3

022000200

s X kC X X KC dX C KC dX C r dX V

N

V r dX N t A

A A

A

X A A A A A A A X A

A

A X A A A A A X A =-⨯⨯⨯=-=-==-=-=-⎰

⎰⎰

⎰

（2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：

002232

0(684/60)0.8

5125.9()(1) 2.781044(10.8)

-⨯=

=

==--⨯⨯⨯⨯-A A

A A A

A A F X F X V L r kC X （3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：

002

223

0684/600.8

1025.2()(1)(1) 2.781044(10.8)

-⨯=====---⨯⨯⨯⨯-⎰

⎰

A

A

X X A A A A A A A A A A A dX F dX F X V F L r KC X KC X （4）由PFR 的设计方程可得当转化率为50％时反应器的体积为：

0.5

002

223

0.5684/600.5

256.3()(1)(10.5) 2.781044(10.5)-⨯=====---⨯⨯⨯⨯-⎰

⎰

A

X A A A A A A A A A dX F

dX F V F L r KC X KC 当转化率由50％到80％时所需反应器的体积为：

0.80.8

0002

2223

0.5

0.5

00

0.80.5684/600.80.5

()768.9()(1)(10.8)(10.5) 2.781044(10.8)(10.5)-===-=-=----⨯⨯⨯--⎰

⎰

A A A A A A A A A A A dX F

dX F F V F L r KC X KC KC （5）由CSTR 的设计方程可得当转化率为50％时反应器的体积为：

002232

0(684/60)0.5

512.6()(1) 2.781044(10.5)

-⨯=

=

==--⨯⨯⨯⨯-A A

A A A

A A F X

F X V L r kC X 当转化率由50％到80％时所需反应器的体积为：

021

0212232

02

()

()(0.6841000/60)(0.80.5)

1922()(1) 2.781044(10.8)---⨯⨯-=

=

==--⨯⨯⨯⨯-A A A A A A A

A A F X X F X X V L r kC X