化学反应工程作业习题六课件.ppt

1、1习题六习题六解答解答浙江工业大学浙江工业大学化材学院化材学院2 P 6-6A 对于下列气相反应对于下列气相反应 B为主产物，为主产物，X、Y为副产物，且分离成本为副产物，且分离成本较高。反应速率常数为较高。反应速率常数为27时的数值。时的数值。反应在反应在CSTR内进行，反应温度为内进行，反应温度为27，压，压力为力为4atm，A以以10L/min的体积流率进入反的体积流率进入反应器。应器。min)/(25.0min3.0min)/(004.03231221211211 molLkCkrYAkCkrBALmolkCkrXAAYABAX3的的变变化化关关系系曲曲线线。随随浓浓度度）画画出出瞬瞬

2、时时选选择择性性（AYXBXYBBYBXCrrrSSS)(,)1(/LmolRTpCCCCkCkkCkCkCkrrrSCCCkkCkCkrrSCCCkkCkCkrrSAAAAAAAAAYXBXYBAAAAAYBBYAAAAAXBBX/1624.0300314.83.101425.0004.03.02.125.03.075004.03.00002132112232112/1132232212121122112 40.000.020.040.060.080.100.120.140.160.1805101520253035020406080100120SBX,SB/XYCA(mol/L)SBX SB

3、/XY SBY SBY5（2）当）当A的转化率为的转化率为50%时，反应器的体时，反应器的体积为多少？积为多少？LVLmolXCCXLvLmolCCkCkCkCCvVrCCvVAVXCSTRAAAAAAAAAAA300812.025.00812.03.00812.0004.05.01624.010/0812.0)1(,5.0min/10,/1624.0)(:?,5.0:25.00002325.010000 其其中中，对对 6(3)反应器出口反应器出口A，B，X，Y的浓度是多少？的浓度是多少？LmolrCrCvVYLmolrCrCvVBLmolrCrCvVXLmolXCCAvVCXCSTRYYY

4、YBBBBXXXXAAi/0049.00812.025.03:/0731.00812.03.03:/0034.00812.0004.03:/0812.0)1(:min31030?,5.0:2005.0000 对对对对对对对对7(4)如果如果A的转化率为的转化率为90%，反应器体积为多少？，反应器体积为多少？LVLmolXCCXLvLmolCCkCkCkCCvVrCCvVAVXCSTRAAAAAAAAAAA26801624.025.001624.03.001624.0004.09.01624.010/01624.0)1(,9.0min/10,/1624.0)(:?,9.0:25.00002325

5、.010000 其其中中，对对 8（5）设）设E1=20000cal/mol，E2=10000cal/mol，E3=30000cal/mol。对于停留时间为。对于停留时间为10min，A的进的进料浓度料浓度0.1mol/L的的CSTR反应器，你认为应该在什么反应器，你认为应该在什么温度下操作更好？温度下操作更好？反反应应。所所以以应应尽尽可可能能在在低低温温下下0/13333100003300002000023232exp232232)2(0)()25.0()(231231330210203332123235.0123231*2235.0135.012235.012235.012 molcal

6、EEERTEEEkkkkkkCkCkCkSkkCCkCkCkCkCkCkCkkdCdSCkCkCkSAAAXYBAAAAAAAAAXYBAAAXYBP6-11 CSTR中进行的液相反应，温中进行的液相反应，温度度325K 反应器浓度：反应器浓度：min)/(2.0334min)/(3.032min7.033332222221111 molLkCCkrECDmolLkCCkrDACkCkrCBAECDEEDACDDAAAALmolCCCCDCBA/049.0,51.0,93.0,01.0单单位位：(1)计算计算r1A，r2A，r3A0334min)/(1061.201.051.03.031313

7、1312min)/(10701.07.01133333422222222311111 AECDACDDADACAAACBArrrrLmolCCkrrrrrLmolCkrrrrECDDACCBA334323 (2)计算计算r1B，r2B，r3B03340312min)/(00233.001.07.031311133333222211111 BECDBDACAABCBArrrrrrrrLmolCkrrrrECDDACCBA334323 (3)计算计算r1C，r2C，r3Cmin)/(10998.451.0049.02.0334min)/(10202.501.051.03.0323232312min

8、)/(00233.001.07.03131113333333342222222211111 LmolCCkrrrrrLmolCCkrrrrrLmolCkrrrrCDEECECDACDDCDACAACCBAECDDACCBA334323 (4)计算计算r1D，r2D，r3Dmin)/(10664.651.0049.02.0343434334min)/(10803.701.051.03.031201133333333422222221111 LmolCCkrrrrrLmolCCkrrrrrrrrCDEEDECDACDDDACDCBAECDDACCBA334323 (5)计算计算r1E，r2E，r3

9、Emin)/(10998.451.0049.02.03340312011333333322221111 LmolCCkrrrrrrrrrrrrCDEEECDEDACECBAECDDACCBA334323 (6)计算计算A、B、C、D、E的净生成速率的净生成速率min)/(10998.410998.400min)/(10884.510664.610803.70min)/(10188.310998.410202.500233.0min)/(1033.20000233.0min)/(10261.701061.2007.033321334321334321332134321 LmolrrrrLmolr

10、rrrLmolrrrrLmolrrrrLmolrrrrEEEEDDDDCCCCBBBBAAAA(7)进料体积流量为进料体积流量为100L/min，A的的浓度为浓度为3mol/L时，计算时，计算CSTR体积体积30300414117979.411100min79.41110261.701.03mLvVCSTRrCCvVCSTRAAA 反应器体积：反应器体积：设计方程：设计方程：P6-13 等温液相反应在等温液相反应在50L的的PFR中中进行进行 已知：已知：min)/(0.52min)/(1.032min)/(25.02223233222221211 molLkCCkrFDCBmolLkCCkr

11、ECADmolLkCCkrDCBAFCBFFEDAEEDBADDLmolCLmolCLvBA/0.2/5.1min/10000 反应动力学反应动力学0022211211211121112111 FEBADDBADDCBADDBBADDArrCCkrCCkrrCCkrrCCkrrDCBA022033322222222222222 FDAEEDAEEDDAEECBDAEEArCCkrCCkrrCCkrrrCCkrrECAD2333233323132333302202CBFFECBFFDCBFDCCBFFBACCkrrCCkrrCCkrrCCkrrrFDCB 反应动力学反应动力学2322322123

12、22123212212223CBFFiFDAEEiECBFDAEBADDiDCBFDAEBADCiCCBFBADBiBDAEBADAiACCkrrCCkrrCCkCCkCCkrrCCkCCkCCkrrCCkCCkrrCCkCCkrr min)/(0.52min)/(1.032min)/(25.02223233222221211 molLkCCkrFDCBmolLkCCkrECADmolLkCCkrDCBAFCBFFEDAEEDBADD(1)做出各组分浓度和做出各组分浓度和A的转化率随的转化率随50L PFR反应器长度（或体积）的变化关系曲线反应器长度（或体积）的变化关系曲线软软件件求求解解可可

13、以以采采用用对对组组分分等等温温液液相相反反应应：设设计计方方程程：polymathFrdVdXvrdVdCrdVdFPFRAAAiiii00:A d(CA)/d(V)=rA/v0d(CB)/d(V)=rB/v0d(CC)/d(V)=rC/v0d(CD)/d(V)=rD/v0d(CE)/d(V)=rE/v0d(CF)/d(V)=rF/v0d(XA)/d(V)=-rA/FA0rA=-kD1*CA*CB 2-3*kE2*CA*CDrB=-2*kD1*CA*CB 2-kF3*CB*CC 2rC=kD1*CA*CB 2+kE2*CA*CD-2*kF3*CB*CC 2rD=kD1*CA*CB 2-2*k

14、E2*CA*CD+kF3*CB*CC 2rE=kE2*CA*CDrF=kF3*CB*CC 2v0=10FA0=15kD1=0.25kE2=0.1kF3=5CA(0)=1.5CB(0)=2CC(0)=0CD(0)=0CE(0)=0CF(0)=0XA(0)=0V(0)=0V(f)=50(2)确定确定50L CSTR反应器出口浓度及转化率反应器出口浓度及转化率软软件件求求解解可可以以采采用用对对组组分分等等温温液液相相反反应应：设设计计方方程程：polymathFrVXvrVCCrVFFCSTRAAAiiiiii0000:A f(CA)=rA*V/v0-CA+CA0f(CB)=rB*V/v0-CB+

15、CB0f(CC)=rC*V/v0-CC+CC0f(CD)=rD*V/v0-CD+CD0f(CE)=rE*V/v0-CE+CE0f(CF)=rF*V/v0-CF+CF0f(XA)=-rA*V/FA0-XArA=-kD1*CA*CB 2-3*kE2*CA*CDrB=-2*kD1*CA*CB 2-kF3*CB*CC 2rC=kD1*CA*CB 2+kE2*CA*CD-2*kF3*CB*CC 2rD=kD1*CA*CB 2-2*kE2*CA*CD+kF3*CB*CC 2rE=kE2*CA*CDrF=kF3*CB*CC 2v0=10FA0=15kD1=0.25kE2=0.1kF3=5CA0=1.5CB0

16、=2CC0=0CD0=0CE0=0CF0=0V=50CA(0)=0.75CB(0)=1CC(0)=0.5CD(0)=0.5CE(0)=0.5CF(0)=0.5XA(0)=0.5Calculated values of NLE variables Variable Value f(x)Initial Guess 1 CA 0.6083162-1.155E-14 0.75 2 CB 0.7927325-9.931E-12 1.3 CC 0.1126657-1.977E-11 0.5 4 CD 0.4535278 9.898E-12 0.5 5 CE 0.1379442-1.943E-16 0.5

17、6 CF 0.2515649 9.892E-12 0.5 7 XA 0.5944559 7.883E-15 0.5(3)若反应在含有若反应在含有40L液体的间歇反应器中进液体的间歇反应器中进行，做出各组分浓度及转化率随时间的变化行，做出各组分浓度及转化率随时间的变化关系曲线。考虑两种情况：关系曲线。考虑两种情况：A注入注入B中；中；B注注入入A中。比较两种情况的不同之处。中。比较两种情况的不同之处。的的浓浓度度为为连连续续加加料料物物流流中中组组分分注注意意：物物料料衡衡算算方方程程：组组分分或或者者恒恒定定加加料料流流量量：等等温温等等容容：物物料料衡衡算算：半半间间歇歇反反应应器器中中组组

18、分分iCrVCCvdtdCitvVVvdtdVVrCvdtCVdVrFdtdNiiiiiiiiiiii000000000)(:,)(0 求求解解初初始始条条件件转转化化率率：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分或或者者反反应应体体积积：到到中中：加加入入）情情形形（polymathCCCCCCVtICCtCvCVXAVCvrdtdCFVCvrdtdCEVCvrdtdCDVCvrdtdCCVCvrdtdCBVCCvrdtdCAtvVVvdtdVBAFEDCBAAAAAFFFEEEDDDCCCBBBAAAA0)0(,0)0(,0)0(0)0(,2)0(,0)0(,4

19、0)0(,0:)(5.11)(:,10000000000000 d(CA)/d(t)=rA+v0*(CA0-CA)/Vd(CB)/d(t)=rB-v0*CB/Vd(CC)/d(t)=rC-v0*CC/Vd(CD)/d(t)=rD-v0*CD/Vd(CE)/d(t)=rE-v0*CE/Vd(CF)/d(t)=rF-v0*CF/VXA=1-V*CA/(v0*CA0*t)V=V0+v0*trA=-kD1*CA*CB 2-3*kE2*CA*CDrB=-2*kD1*CA*CB 2-kF3*CB*CC 2rC=kD1*CA*CB 2+kE2*CA*CD-2*kF3*CB*CC 2rD=kD1*CA*CB

20、2-2*kE2*CA*CD+kF3*CB*CC 2rE=kE2*CA*CDrF=kF3*CB*CC 2v0=10V0=40CA0=1.5kD1=0.25kE2=0.1kF3=5CA(0)=0CB(0)=2CC(0)=0CD(0)=0CE(0)=0CF(0)=0t(0)=1.0e-6t(f)=100求求解解初初始始条条件件转转化化率率：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分：组组分分或或者者反反应应体体积积：到到中中：加加入入）情情形形（polymathCCCCCCVtICCCCVCVXAVCvrdtdCFVCvrdtdCEVCvrdtdCDVCvrdtdCCVCCvrdtd

21、CBVCvrdtdCAtvVVvdtdVABFEDCBABAAAAFFFEEEDDDCCCBBBBAAA0)0(,0)0(,0)0(0)0(,0)0(,5.1)0(,40)0(,0:)(2,5.11)(:,200000000000000 d(CA)/d(t)=rA-v0*CA/Vd(CB)/d(t)=rB+v0*(CB0-CB)/Vd(CC)/d(t)=rC-v0*CC/Vd(CD)/d(t)=rD-v0*CD/Vd(CE)/d(t)=rE-v0*CE/Vd(CF)/d(t)=rF-v0*CF/VXA=1-V*CA/(V0*CA0)V=V0+v0*trA=-kD1*CA*CB 2-3*kE2*

22、CA*CDrB=-2*kD1*CA*CB 2-kF3*CB*CC 2rC=kD1*CA*CB 2+kE2*CA*CD-2*kF3*CB*CC 2rD=kD1*CA*CB 2-2*kE2*CA*CD+kF3*CB*CC 2rE=kE2*CA*CDrF=kF3*CB*CC 2v0=10V0=40CA0=1.5CB0=2kD1=0.25kE2=0.1kF3=5CA(0)=1.5CB(0)=0CC(0)=0CD(0)=0CE(0)=0CF(0)=0t(0)=0t(f)=100(4)改变进入改变进入PFR中的中的B与与A的比例的比例(1B10)，结果如何？，结果如何？10,5,2,1,5.1:A0000

23、0000000 BAABABABBAAAiiiiCpolymathCCCvCvFFFrdVdXvrdVdCrdVdFPFR 软软件件求求解解可可以以采采用用投投料料比比：对对组组分分等等温温液液相相反反应应：设设计计方方程程：CA0.5249CB0.2571CC0.1204CD0.4299CE0.1621CF0.2653XA0.6501CA0.0832CB0.6068CC0.0683CD1.1256CE0.1592CF0.5150XA0.9445CA1.e-10CB3.9065CC0.0060CD2.1155CE0.0219CF0.7252XA1.0CA7.2e-72CB11.276CC0.0

24、018CD2.2276CE0.0036CF0.7455XA1.035 P6-18B 肯塔基肯塔基9号煤的液化反应在悬浮反应器中号煤的液化反应在悬浮反应器中进行，煤颗粒小于进行，煤颗粒小于200目，溶解在目，溶解在400加氢饱和加氢饱和的回炼油中的回炼油中(250 之前的减压馏分之前的减压馏分)，反应顺序：，反应顺序：所有反应均为一级反应。计算下列反应器中各组所有反应均为一级反应。计算下列反应器中各组分的摩尔流量随停留时间变化的函数关系。分的摩尔流量随停留时间变化的函数关系。煤煤(C)k1预沥青质预沥青质(P)沥青质沥青质(A)油油(O)k5k3k4k236（1）PFR反应器。反应器。（2）3m

25、3的的CSTR反应器。反应器。已知：煤进料浓度已知：煤进料浓度=2kmol/m3，进料流量，进料流量=10L/min 400时，时，k1=0.120min-1，k2=0.046min-1，k3=0.020min-1，k4=0.034min-1，k5=0.040min-137求求解解反反应应器器中中：PolymathFFFmolFmolCvFLmolCCvFCkrCkCkCkCkrCkCkCkrCkkrrvddFrdVdFPFROAPCCCCiiAOAAPCAAPCPCCiiii0min,/20:0min/20102,/2)(0000055432431210 3839求求解解值值，设设定定不不同同的的反反应应器器中中：PolymathFFFmolFmolCvFLmolCCvFCkrCkCkCkCkrCkCkCkrCkkrrvFFrFFVCSTROAPCCCCiiAOAAPCAAPCPCCiiiiii 0min,/20min/20102,/2)(0000000005543243121000 4005010015020025030005101520Ci(mol/L)t(min)CC CP CACO