《化学反应工程》(第五版)第三章课后习题答案(经典).ppt

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1、习题3-1解答,习题3-1解答,解：根据BSTR基本方程,分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长；若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。,习题3-2解答,(反应时间与反应体积无关）,习题3-3解答,（1）PFR,（2）CSTR,解：,（1）,（2）,操作条件不变，等体积反应器，则,习题3-4解答,平推流,全混流,习题3-5解答,习题3-6解答,解：,（1）串联两个体积0.25m3的CSTR,试求下列方案的转化率。,（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFR,（3）一个0.25m3的PFR，后接一个0.25m3的CSTR,（4）两个0.25m3的PFR

2、 串联,习题3-7讲解,3-7,已知：,下列各种情况下的反应体积。,解：,（1）单个PFR,（2）单个CSTR,（3）两个CSTR串联,习题3-8讲解,3-8,已知：,如何调节加料速率，,解：,当反应达到平衡转化率时,加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化率达到0.5。,习题3-9讲解,3-9,已知：,进料浓度为CA0。试证明在PFR中，L最大收率为,证明：,对于PFR：,证毕。,习题3-10解答,已知：,B大量过量，,【分析与解答】,结果为：,解：（1）由于是间歇反应器，所以,液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。,B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。,习题3-11解答,

3、解：,对于CSTR：,对于PFR：,由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：,证毕。,习题3-12解答,在平推流反应器中进行基元反应,L为目的产物，已知，求L的最大收率及最优接触时间。,解：,根据,同11题一样，求L的最大浓度。,数学知识：一阶非齐次线性微分方程：,的通解为,则该反应的最佳时间为：,CL存在极大值的必要条件是：,CL的最大浓度为：,习题3-13解答,CSTR,求定状的反应温度和转化率。,解：,根据QR和QC方程确定定态点,935.45,分别作TQR、QC1QC2、QC3曲线，有5个交点，其中是稳态操作点2个，分别为Q1=187.09,和Q2=

4、935.45;对应温度分别为:T1=310K T2=345K,187.09,3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？,1,2,4,5,6,10,11,7,3,9,8,15,13,12,14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,130,有序,无序,130,物料粒子从出口流出状况,先流入的物料粒子 不一定先流出,同时流入的物料粒 子不一定同时流出,物料粒子在反应器 内的停留时间各不 相同,反应器内的混合不同停留时间的物料粒子间 的混合，称之为返混。,停留时间,物料粒子从反应进口算起，到出口为止所耗费的时间；,物料粒子的标签，以区别物料在反应器内

5、反应时间的不同；,描述物料粒子在反应器内返混程度强 弱的一个参量。,思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子 越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？,第一节 理想流动模型概述,物料粒子：,反应物料的最小构成单元；,认识反应物料的一种概念模型；,既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒；,等同于流体质点假说；,其大小与原子、分子相比，是一个很大 的集合体，但与宏观颗粒相比，是一个 微不足道的微小单元。,第一节 理想流动模型概述,流动模型,1、理想置换活塞流模型,2、理想混合全混流模型,同一截面上组成、温度、流速、密度等均匀一致。,不存在任何“返混”现象,反应器内均匀一致，浓度、温度等参数与出口浓度

6、相等。,达到最大程度的“返混”,第一节 理想流动模型概述,理想流动反应器：,物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器称为理想流动反应器。,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,无返混，物料粒子同进同出。,无返混，物料粒子同进同出。,返混程度极大，不同停留时 间的物料粒子混合均匀。,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,连续流动反应器,第一节 理想流动模型概述,没有混合,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,（平推流反应器）,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,第一节 理想流动模型概述,思考题：试比较混合与返混的区别。,混合,返混,*不同外观特征的个体混和在一起的过程,*

7、不同停留时间的个体混和在一起的过程,*仅仅是空间位置的搅混过程,*不仅是空间位置的搅混过程，而且是时间顺序的搅混,（BSTR）,有混合,无返混,第一节 理想流动模型概述,偏离平推流的情况,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,第一节 理想流动模型概述,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,第一节 理想流动模型概述,流动状况对化学反应的影响-由物料粒子的停留时间不同所造成,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少A+BPS 产物P减少,停留时间的不均,第一节 理想流动模型概述,反应器设计

8、的基本内容,选择合适的反应器型式,反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性,确定最佳的工艺条件,最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率,计算所需反应器体积,规定任务+反应器结构和尺寸的优化,反应器设计的基本方程,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,流入,流出,反应器,积累,反应器设计的基本方程,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,带入,带出,传给环境,反应器,累积,反应器设计的基本方程,动量衡算方程,气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为

9、了简化计算，常采用估算法。,例题讲解,请考虑化学反应,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.ks)。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：,对于全混流反应器，应有：,3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较,比较基准,相同的反应，（一级不可逆反应）相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率相同体积,比较参量,（比什么）,不同组合方式下的出口浓

10、度,全混流,平推流,m,i,1,对于 i 级,(a)CSTRCSTR并联,物料处理量V0均分到每个CSTR，则,结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR并联组合生产，残余浓度低，转化率提高。,分母增大残余浓度低,停留时间延长,(b)CSTRCSTR串联,结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR串联组合生产，残余浓度比(a)更低，转化率比(a)更高。,(c)PFRCSTR串联,结论：完成相同生产任务，若用 PFR-CSTR串联组合生产，残余浓度比(b)更低，转化率比(b)更高。,(d)CSTR PFR串联,结论：完成相同生产任务，若用 CSTR-PFR串联组合生产，残余浓度和转化

11、率同 等效。,(e)PFR PFR并联,结论：完成相同生产任务，若用两台同体积PFR并联组合生产，出口浓度低，转化率较高。,(g)PFR CSTR并联,结论：完成相同生产任务，若用 PFR CSTR并联组合生产，残余浓度为两者混合物的平均浓度。,相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率,理想流动反应器反应体积比较,比较基准,比较参量,（比什么）,CSTR反应体积,PFR反应体积,不同理想反应器的反应体积,相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率,理想流动反应器反应体积比较,比较基准,比较参量,（比什么）,CSTR反应体积,PFR反应体积,不同理想反应器的反应体积,比较基准,相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率,比较参量,（比什么）,（一级不可逆反应）,多级CSTR与PFR比较,（b）两个CSTR串联,（c）PFR-CSTR串联,2.7183,（d）CSTR-PFR串联=（c）,（e）PFR PFR并联,（f）PFR-PFR串联=（e）,（g）PFR CSTR并联,其中（e）PFR PFR并联和（f）PFR-PFR串联时，残余浓度最低，转化率最高。,