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1、2022-8-81习题八习题八浙江工业大学化材学院浙江工业大学化材学院刘华彦刘华彦2022-8-82 P8-5A 不可逆有机液相基元反应不可逆有机液相基元反应A+BC，在流动，在流动反应器中绝热进行。反应器中绝热进行。A和和B在在27 时等摩尔进料，时等摩尔进料，且体积流率为且体积流率为2L/s。 （1）计算达到）计算达到85%转化率时必需的转化率时必需的PFR和和CSTR反应器体积。反应器体积。 （2）完全转化时最高的入口温度为多少时才不至）完全转化时最高的入口温度为多少时才不至于超过液体的沸点（于超过液体的沸点（550K）？）？ （3）绘出作为）绘出作为PFR反应器体积函数的转化率和温反应
2、器体积函数的转化率和温度变化图（即距反应器入口的距离）度变化图（即距反应器入口的距离）2022-8-83 （4）计算在一个体积为）计算在一个体积为500L的的CSTR反应器中和反应器中和在两个串联的在两个串联的250L的的CSTR反应器中可达到的转反应器中可达到的转化率。化率。 （5）在）在1000E3000(cal/mol)之间改变活化能，之间改变活化能，在在2000|HRX|25000(cal/mol)之间改变反应热，之间改变反应热，研究对研究对PFR反应器转化率分布的影响。反应器转化率分布的影响。 （6）讨论失控反应判据的应用。如果在）讨论失控反应判据的应用。如果在Ta=300K时时=3
3、，你将用什么样的，你将用什么样的Tc值以防止失控？值以防止失控？2022-8-84 （7）你认为这个问题的要点是什么？）你认为这个问题的要点是什么？ （8）对这个反应，问另外一个问题或建议另一）对这个反应，问另外一个问题或建议另一种计算。种计算。molcalEsmolLKkKmolcalCKmolcalCCmkmolCmolkcalHmolkcalHmolkcalHpApBpAACBA/10000);/(01. 0)300()/(30);/(15/1 . 0;/41)273(/15)273(;/20)273(30000 已已知知：2022-8-85（1）计算达到）计算达到85%转化率时必需的转
4、化率时必需的PFR和和CSTR反应反应器体积器体积KTXXTTXKTyyCCCCmolcalHHHHTTCTHTTCXEBiABBApBpApCpBACRXRpRRXipiiEB470,85. 0300200)6000()300(30300, 1, 10/6000)273()()()(000000000 能能量量衡衡算算方方程程：2022-8-86LVsmolLrsmolLkKTXeeKkTkXkCCkCrrXFVCSTRCSTRATRETREABAAAACSTR9 .174)/(1072. 9)/(32. 4,470,85. 001. 0)300()()1(:4)30011()30011(2
5、200 摩摩尔尔衡衡算算方方程程2022-8-87LVrFrkTXXTXedXrdXFVTXrdVdXFPFRPFRAAATREXAAPFRAA6 .363206146103163435200071. 97 .133 .193 .126 . 411032. 442. 321. 134. 0072. 001. 047046042038034030085. 08 . 06 . 04 . 02 . 00 . 0300200)1(1 . 001. 02 . 0),(0485. 0022)30011(000 采采用用梯梯形形积积分分：摩摩尔尔衡衡算算方方程程：2022-8-88（2）完全转化时最高的入口
6、温度为多少时才不至）完全转化时最高的入口温度为多少时才不至于超过液体的沸点（于超过液体的沸点（550K）？）？KTKTXTXT350550,1200max,0max0 （3）绘出作为）绘出作为PFR反应器体积函数的转化率和温度反应器体积函数的转化率和温度变化图（即距反应器入口的距离）变化图（即距反应器入口的距离）5 .4068 .3549 .3293 .3035 .243037114610316343520004804604203803403009 . 08 . 06 . 04 . 02 . 00 . 0,300200000VrFTXrdXFVXTAAXAAPFR 01002003004000
7、.00.20.40.60.81.0280300320340360380400420440460480 XXV(m3) T T(K)2022-8-89（4）计算在一个体积为）计算在一个体积为500L的的CSTR反应器中和反应器中和在两个串联的在两个串联的250L的的CSTR反应器中可达到的转化反应器中可达到的转化率率KTXLVeeKkTkXkCrXTrXFVCSTRTRETREAAAACSTR484,92. 050001. 0)300()()1(300200,:)30011()30011(2200 单单个个2022-8-810KTXLVTXXTXXTrXXFVKTXLVeeKkTkXkCrXTr
8、XFVCSTRAACSTRTRETREAAAACSTR6 .493,9687. 0502)(200)(200)(476,8808. 050201. 0)300()()1(300200,:222111121202111)30011()30011(2201101 第第二二釜釜：第第一一釜釜：串串联联两两个个2022-8-811（6）讨论失控反应判据的应用。如果在）讨论失控反应判据的应用。如果在Ta=300K时时=3，你将用什么样的，你将用什么样的Tc值以防止失控？值以防止失控？KTTTKTTTERTTTacc4 .32010987. 130030031300330014202 2022-8-812
9、P8-6 不可逆气相基元反应不可逆气相基元反应AB+C 在装填有催化剂的在装填有催化剂的PFR反应器中绝热进行。反应器中绝热进行。纯纯A组分以组分以20L/s的体积流率，在压力为的体积流率，在压力为10atm且温度且温度为为450K条件下进入反应器。条件下进入反应器。molkJEscatkgLTREkKmolkJHmolkJHmolkJHKmolJCKmolJCKmolJCCBApCpBpA/4 .31)14501(exp133. 0273/50/50/70)/(15)/(25)/(40:000 及及。均均为为所所有有生生成成热热的的参参考考温温度度已已知知2022-8-813 （1）绘出转化
10、率和温度沿活塞流反应器直）绘出转化率和温度沿活塞流反应器直至达到至达到80%的转化率（如果可能）的变化的转化率（如果可能）的变化图。（图。（PFR反应器催化剂最大装填量为反应器催化剂最大装填量为50kg）。假设）。假设p=0.0。)14501(8 .3776exp133.0)14501(exp133.08 .3776314.831400, 11121/42.5271.020/271.0450082.01011)1(1)1(PBR000000000000000TTREkREysmolCvFLmolRTpyCTTXXCCppTTXXCCkCrFrdmdXrdmdXFAAAAAAAAAAAAAAA
11、不不考考虑虑压压降降化化学学计计量量学学：反反应应动动力力学学：摩摩尔尔衡衡算算：2022-8-814 求求解解。采采用用绝绝热热、无无功功：能能量量衡衡算算：polymathXXTKTKTKmolJCCCCCCmolkJHHHKHCXTTCTHTTTTCTHXFTTCFWQRpApiipApCpBpACBRXpiiRpRRXRpRRXApiiAOS50045040)1020(450273450)/(400401525/20)70()40()50()273()()(0)()()(30000000000 2022-8-815 d(X)/d(m) = rA / FA0 T = 450 + 500
12、* X rA = k * CA CA = CA0 * (1 - X) / (1 + X) * 450 / T k = 0.133 * exp(3776.8 * (1 / 450 - 1 / T) CA0 = 0.271 FA0 = 5.42 m(0) = 0 m(f) = 50 X(0) = 0要求解的方程要求解的方程参数计算方法参数计算方法边界条件或初始值边界条件或初始值2022-8-816Calculated values of DEQ variables VariableInitial valueMinimal valueMaximal valueFinal value1 m 0 0 5
13、0. 50. 2 X 0 0 0.9061183 0.9061183 3 T 450. 450. 903.0591 903.0591 4 CA0 0.271 0.271 0.271 0.271 5 CA 0.271 0.0066512 0.271 0.0066512 6 k 0.133 0.133 8.964334 8.964334 7 rA 0.036043 0.036043 0.156723 0.0596232 8 FA0 5.42 5.42 5.42 5.42 2022-8-8172022-8-818 （2）在）在CSTR反应器中要达到反应器中要达到80%的转化的转化率必须的催化剂质量为
14、多少？率必须的催化剂质量为多少？kgmskgmolrskgLTksmolFLmolCTTXXCkkCrKTXTrXFmAAAAAAXAA4.39110.08.042.5110.08504508.01)8.01(271.0905.6905.6)85014501(8.3776exp133.0)14501(8.3776exp133.0/42.5/271.01)1(850500450CSTR00008.00 催催化化剂剂质质量量：反反应应动动力力学学：能能量量衡衡算算：摩摩尔尔衡衡算算：2022-8-819关系：先降后升1XrA 2022-8-820P8-13A 在串联的带有级间冷却的多在串联的带有级
15、间冷却的多级填充床反应器中进行级填充床反应器中进行 A+B=C+D 求其绝热平衡转化率求其绝热平衡转化率 反应物料可以被冷却到的最低温度为反应物料可以被冷却到的最低温度为27。 A和和B等摩尔进料并每个反应器中的催化剂质量足以使其等摩尔进料并每个反应器中的催化剂质量足以使其达到平衡转化率的达到平衡转化率的99.9%。 进料温度为进料温度为27且反应绝热进行。且反应绝热进行。 如果有如果有4个反应器和个反应器和3个冷却器可供利用，可以达到多高的个冷却器可供利用，可以达到多高的转化率？转化率？ 已知：已知：min/10500000)50()(25/3000000molFCKKmolcalCCCCA
16、molcalHACpDpCpBpARX 2022-8-821)(. 1CDCBAAKCCCCkr 速速率率方方程程：CCeAeAKCCr 0. 2 化化学学平平衡衡：XCCCXCCCvvADCABA000)1(3. 化化学学计计量量学学：)(1)()1(00TKTKXKXCXCCCeCeAeA 平平衡衡转转化化率率：2022-8-822)13231(987. 130000exp500000)(0. 4TTKCCCCCCpBpApDpCp 平平衡衡常常数数：)13231(987. 130000exp5000001)13231(987. 130000exp500000. 5TTXe 衡衡转转化化率
17、率：计计算算作作为为温温度度函函数数的的平平2022-8-823600/ )300(30000)300)(2525()()(. 600 TTXHTTCCHTTCXEBRXpBpARXpiiEB ）（绝绝热热反反应应器器热热量量衡衡算算：对于对于300K进料温度，绝热平衡温度为进料温度，绝热平衡温度为 474.3K ，相，相应的绝热平衡转化率为应的绝热平衡转化率为0.2904可采用可采用Polymath求解求解2022-8-824KXTXXKTXeee474600300290. 0999. 03 .4742904. 0. 711111 出出口口温温度度：出出口口转转化化率率：绝绝热热平平衡衡温温
18、度度绝绝热热平平衡衡转转化化率率第第一一绝绝热热段段：KXTXXKTXeee445)290. 0(600300532. 0999. 06 .4455327. 0. 822222 出出口口温温度度：出出口口转转化化率率：绝绝热热平平衡衡温温度度绝绝热热平平衡衡转转化化率率第第二二绝绝热热段段：2022-8-825KXTXXKTXeee423)532. 0(600300736. 0999. 01 .4237372. 0. 923333 出出口口温温度度：出出口口转转化化率率：绝绝热热平平衡衡温温度度绝绝热热平平衡衡转转化化率率第第三三绝绝热热段段：KXTXXKTXeee397)736. 0(600
19、300898. 0999. 05 .3978985. 0.1024434 出出口口温温度度：出出口口转转化化率率：绝绝热热平平衡衡温温度度绝绝热热平平衡衡转转化化率率第第四四绝绝热热段段：2022-8-8263003504004505000.00.20.40.60.81.0X / -T / K XT XeT2022-8-827 P8-22A 在在CSTR反应器中进行反应器中进行可逆基元反应可逆基元反应AB 在同一图上绘出发热曲线和移热曲线在同一图上绘出发热曲线和移热曲线 (1)存在多少个多定态？存在多少个多定态？ (2)改变气温改变气温Ta(冬季冬季-夏季夏季)对多定态有什么影响？对多定态有什
20、么影响？molkJEsKkCTKmolJCCCTLmolCLVsKJUAsmolFAmolkJHpBpAaAARX/150,001. 0)373(,27)/(40,40/2,500),/(2000/10,/8010000 已已知知：2022-8-828)13501(314. 880000exp100)13731(314. 8150000exp001. 0/80000)()/(40,10010250011)()(11)1(:)()()(00000TKTkAmolJTTCHHKmolJCCsvVKKkkHTGKKkkXKXXkCXCrXCCSTRKCCkrHXTGeRpRxRpBpAeeReeeA
21、AAAeBAAR 可可逆逆基基元元反反应应：发发热热曲曲线线：2022-8-829)311(240)(3115131353001540102000)/(40)(1()(0000 TTRKTTTCFUAKmolJCCTTCTRacpAApApcp 移移热热曲曲线线：三个交点：三个交点：T1=311.0K；T2=380.9K；T3=431.1K250300350400450500550600-20000-1000001000020000300004000050000600007000080000R(T),G(T)T(K) G(T) R(T)2022-8-8300100200300400500600200225250275300325350375400425450475500T / KT0 / K