《化學反應工程》(第五版)第三章課后習題答案(經(jīng)典).ppt

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習題3 1解答 習題3 1解答 解 根據(jù)BSTR基本方程 分析 等當量配料 隨轉化率提高 反應時間迅速增長 若采用過量組分配料 隨轉化率提高 反應時間增長放慢 習題3 2解答 反應時間與反應體積無關 習題3 3解答 1 PFR 2 CSTR 解 1 2 操作條件不變 等體積反應器 則 習題3 4解答 平推流 全混流 習題3 5解答 習題3 6解答 解 1 串聯(lián)兩個體積0 25m3的CSTR 試求下列方案的轉化率 2 一個0 25m3的CSTR 后接一個0 25m3的PFR 3 一個0 25m3的PFR 后接一個0 25m3的CSTR 4 兩個0 25m3的PFR串聯(lián) 習題3 7講解 3 7 已知 下列各種情況下的反應體積 解 1 單個PFR 2 單個CSTR 3 兩個CSTR串聯(lián) 習題3 8講解 3 8 已知 如何調節(jié)加料速率 解 當反應達到平衡轉化率時 加料速率減小到原來的1 3倍 可使轉化率達到0 5 習題3 9講解 3 9 已知 進料濃度為CA0 試證明在PFR中 L最大收率為 證明 對于PFR 證畢 習題3 10解答 已知 B大量過量 分析與解答 結果為 解 1 由于是間歇反應器 所以 液相反應 前后體積不變 由此可確定L濃度 B組分大大過量 近似為一級反應 由此可簡化速率方程 習題3 11解答 解 對于CSTR 對于PFR 由于PFR中的選擇率沿不同管截面而發(fā)生變化 其總選擇率應為瞬時選擇率的積分 證畢 習題3 12解答 在平推流反應器中進行基元反應 L為目的產(chǎn)物 已知 求L的最大收率及最優(yōu)接觸時間 解 根據(jù) 同11題一樣 求L的最大濃度 數(shù)學知識 一階非齊次線性微分方程 的通解為 則該反應的最佳時間為 CL存在極大值的必要條件是 CL的最大濃度為 習題3 13解答 CSTR 求定狀的反應溫度和轉化率 解 根據(jù)QR和QC方程確定定態(tài)點 935 45 分別作T QR QC1QC2 QC3曲線 有5個交點 其中是穩(wěn)態(tài)操作點2個 分別為Q1 187 09 和Q2 935 45 對應溫度分別為 T1 310KT2 345K 187 09 3 為什么將流動模型中的 混合 稱為 返混 1 2 4 5 6 10 11 7 3 9 8 15 13 12 14 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1 30 有序 無序 1 30 物料粒子從出口流出狀況 先流入的物料粒子不一定先流出 同時流入的物料粒子不一定同時流出 物料粒子在反應器內(nèi)的停留時間各不相同 反應器內(nèi)的混合 不同停留時間的物料粒子間的混合 稱之為返混 停留時間 物料粒子從反應進口算起 到出口為止所耗費的時間 物料粒子的標簽 以區(qū)別物料在反應器內(nèi)反應時間的不同 描述物料粒子在反應器內(nèi)返混程度強弱的一個參量 思考 如果停留時間等于平均停留時間的物料粒子越多說明該反應器內(nèi)返混程度是強還是弱 第一節(jié)理想流動模型概述 物料粒子 反應物料的最小構成單元 認識反應物料的一種概念模型 既不屬于微觀粒子 也不屬于宏觀顆粒 等同于流體質點假說 其大小與原子 分子相比 是一個很大的集合體 但與宏觀顆粒相比 是一個微不足道的微小單元 第一節(jié)理想流動模型概述 流動模型 1 理想置換 活塞流模型 2 理想混合 全混流模型 同一截面上組成 溫度 流速 密度等均勻一致 不存在任何 返混 現(xiàn)象 反應器內(nèi)均勻一致 濃度 溫度等參數(shù)與出口濃度相等 達到最大程度的 返混 第一節(jié)理想流動模型概述 理想流動反應器 物料的流動狀況具有理想流動模型特征的反應器稱為理想流動反應器 間歇反應器 活塞流反應器 全混流反應器 無返混 物料粒子同進同出 無返混 物料粒子同進同出 返混程度極大 不同停留時間的物料粒子混合均勻 BSTR PFR CSTR 連續(xù)流動反應器 第一節(jié)理想流動模型概述 沒有混合 BSTR PFR CSTR 平推流反應器 間歇反應器 活塞流反應器 全混流反應器 第一節(jié)理想流動模型概述 思考題 試比較混合與返混的區(qū)別 混合 返混 不同外觀特征的個體混和在一起的過程 不同停留時間的個體混和在一起的過程 僅僅是空間位置的攪混過程 不僅是空間位置的攪混過程 而且是時間順序的攪混 BSTR 有混合 無返混 第一節(jié)理想流動模型概述 偏離平推流的情況 漩渦運動 渦流 湍動 碰撞填料 截面上流速不均勻 溝流 短路 填料或催化劑裝填不均勻 第一節(jié)理想流動模型概述 偏離全混流的情況 死角 短路 攪拌造成的再循環(huán) 第一節(jié)理想流動模型概述 流動狀況對化學反應的影響 由物料粒子的停留時間不同所造成 短路 溝流 停留時間減少 轉化率降低 死區(qū) 再循環(huán) 停留時間過長 A B P 有效反應體積減少A B P S產(chǎn)物P減少 停留時間的不均 第一節(jié)理想流動模型概述 反應器設計的基本內(nèi)容 選擇合適的反應器型式 反應動力學特性 反應器的流動特征 傳遞特性 確定最佳的工藝條件 最大反應效果 反應器的操作穩(wěn)定性進口物料的配比 流量 反應溫度 壓力和最終轉化率 計算所需反應器體積 規(guī)定任務 反應器結構和尺寸的優(yōu)化 反應器設計的基本方程 物料衡算方程 某組分流入量 某組分流出量 某組分反應消耗量 某組分累積量 流入 流出 反應器 積累 反應器設計的基本方程 熱量衡算方程 帶入的熱焓 帶出的熱焓 反應熱 熱量的累積 傳給環(huán)境的熱量 帶入 帶出 傳給環(huán)境 反應器 累積 反應器設計的基本方程 動量衡算方程 氣相流動反應器的壓降大時 需要考慮壓降對反應的影響 需進行動量衡算 但有時為了簡化計算 常采用估算法 例題講解 請考慮化學反應 該反應在全混流反應器中進行 反應溫度為20 液料的體積流量為0 5m3 h CA0 96 5mol m3 CB0 184mol m3 催化劑的濃度CD 6 63mol m3 實驗測得該反應的速度方程為 rA kCACD式中k 1 15 10 3m3 mol ks 若要求A的轉化率為40 試求反應器的體積 解 設A的轉化率為x 則有 對于全混流反應器 應有 3 7理想流動反應器的組合與反應體積比較 比較基準 相同的反應 一級不可逆反應 相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應率相同體積 比較參量 比什么 不同組合方式下的出口濃度 全混流 平推流 m i 1 對于i級 a CSTR CSTR并聯(lián) 物料處理量V0均分到每個CSTR 則 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若改用兩臺同體積CSTR并聯(lián)組合生產(chǎn) 殘余濃度低 轉化率提高 分母增大殘余濃度低 停留時間延長 b CSTR CSTR串聯(lián) 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若改用兩臺同體積CSTR串聯(lián)組合生產(chǎn) 殘余濃度比 a 更低 轉化率比 a 更高 c PFR CSTR串聯(lián) 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若用PFR CSTR串聯(lián)組合生產(chǎn) 殘余濃度比 b 更低 轉化率比 b 更高 d CSTR PFR串聯(lián) 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若用CSTR PFR串聯(lián)組合生產(chǎn) 殘余濃度和轉化率同 等效 e PFR PFR并聯(lián) 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若用兩臺同體積PFR并聯(lián)組合生產(chǎn) 出口濃度低 轉化率較高 g PFR CSTR并聯(lián) 結論 完成相同生產(chǎn)任務 若用PFR CSTR并聯(lián)組合生產(chǎn) 殘余濃度為兩者混合物的平均濃度 相同的反應 相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應率 理想流動反應器反應體積比較 比較基準 比較參量 比什么 CSTR反應體積 PFR反應體積 不同理想反應器的反應體積 相同的反應 相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應率 理想流動反應器反應體積比較 比較基準 比較參量 比什么 CSTR反應體積 PFR反應體積 不同理想反應器的反應體積 比較基準 相同的反應 相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應率 比較參量 比什么 一級不可逆反應 多級CSTR與PFR比較 b 兩個CSTR串聯(lián) c PFR CSTR串聯(lián) 2 7183 d CSTR PFR串聯(lián) c e PFR PFR并聯(lián) f PFR PFR串聯(lián) e g PFR CSTR并聯(lián) 其中 e PFR PFR并聯(lián)和 f PFR PFR串聯(lián)時 殘余濃度最低 轉化率最高