《化学反应工程》第三章课后习题答案详解

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

习题3-1解答 习题 解答

解：根据CSTR基本方程

t = c A0 ∫

xA

0

当cB 0 / c A0 = 1时， ( r ) = kc 2 (1 x ) 2 A A0 At1 =

dx A ( rA )

∫

xA

0

dx A 1 = 2 kc A 0 (1 x A ) kc A 0

∫

xA

0

d (1 x A ) 1 xA = 2 (1 x A ) kc A 0 (1 x A )

1 0.5 × = 5.30(h) 当x A = 0.5时， t1 = 0.615× 0.307 (1 0.5) 1 0.9 × = 47.70(h) 当x A = 0.9时， t1 = 0.615× 0.307 (1 0.9) 1 0.99 × = 524.70(h) 当x A = 0.99时， t1 = 0.615× 0.307 (1 0.99)

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

2 当cB 0 / c A0 = 5时， ( rA ) = kc A0 (1 x A )(5 x A )

1 t2 = kc A 0

∫

xA

0

dx A (1 x A )( 5 x A )

xA xA 1 dx A dx A = [∫ ∫ ] 4 kc A 0 0 (1 x A ) 0 (5 x A )

1 5 xA = ln 4 kc A 0 5(1 x A )

当x A = 0.5时，

1 5 0 .5 t2 = ln = 0.78 ( h ) 4 × 0 .615 × 0 .307 5 × (1 0 .5)

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

当x A = 0.9时， 1 5 0 .9 t2 = ln = 2.79 ( h ) 4 × 0.615 × 0 .307 5 × (1 0.9) 当x A = 0.99时，

1 5 0.99 t2 = ln = 5 .81( h ) 4 × 0.615 × 0 .307 5 × (1 0.99 )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。

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

习题3-2解答 习题 解答

已知：A + B → C + D;k = 5.6 L /(min mol );

C A0 = C B 0 = 0.02mol / L2 rA = kC AC B = 5.6C A

根据：t =

x Af kC A0 (1 x Af )3 3

∴当VR = 1m 和2 时： (反应时间与反应体积无关) 0.95 t= = 169.64(min) 5.6 × 0.02(1 0.95)

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习题3-3解答 习题 解答

解：

(1)PFR

1 kτ = ln (1 x Afp )

(1)

(2)CSTR

kτ =

x Afc (1 x Afc )(2)

操作条件不变，等体积反应器，则

1 1 kτ = = ln = ln = 2.303 (1 x Afc ) (1 x Afp ) (1 0.9)x Afc 2.303 = = 0.697 3.303

x Afc

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习题3-4解答 习题 解答

1 ; 平推流 k1τ 1 = ln 1 x A1

τ1 = τ 2 ;

x A2 全混流 k 2τ 2 = 1 x A2 k = k0 e E / RT

k 2 k0 e E / RT2 x A2 1 / ln = = E / RT1 k1 k0 e 1 x A2 1 x A1

1 1 8.314 0 .7 1 ln[ / ln ] = 423 T2 83.68 ×1000 1 0.7 1 0 .6 1 1 8.314 = × 0.9347; 423 T2 83.68 ×1000

T2 = 441K

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习题3-5解答 习题 解答

1 1 C A0 = × 3.0 = 1.5mol / L; C B 0 = × 2.0 = 1.0mol / L 2 2 C P 0 = C R 0 = 0; x Af = C B 0 xBf = 1.0 × 0.8 = 0.533; xBf = 0.8; C A0 1.5

C A = 1.5 × (1 0.533) = 0.7; C P = C R = C B 0 xBf = 1.0 × 0.8 = 0.8;C B = 1× (1 0.8) = 0.2;

VR C A0 x Af V = VR (8C ACB 1.7CP C R ) Q = ; 0 C A0 x Af (rA ) f V0

0.1× (8 × 0.7 × 0.2 1.7 × 0.8 × 0.8) V0 = = 0.004 L / min 1.5 × 0.533

V0 ∴V01 = V02 = = 0.5 × 0.004 = 2mL / min 2

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习题3-6解答 习题 解答

已知：

2 rA = kC A ;

k = 17.4ml /(mol min)

ρ = 0.75 g / ml ; V0 = 7.14 L / min;C A0 = 7.14mol / L; 试求下列方案的转化率。

解： (1)串联两个体积0.25m3的CSTRVR C A0 x A1 C A0 ( x A 2 x A1 ) τ= = = 2 2 V0 kC A1 kC A 2 0.25 = = 35 min 3 7.14 × 10

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

x A1 x A 2 x A1 = 35kC A0 = 2 2 (1 x A1 ) (1 x A 2 ) = 35

×17.4 ×10 × 7.14 × 10 = 4.3532 4.35 9.7 x A1 + 4.35 x A1 = 0;

6

x A1 = 0.62x A 2 0.62 = 4.35 2 (1 x A 2 )2 4.97 9.7 x A 2 + 4.35 x A 2 = 0

x A 2 = 0.80

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(2)一个0.25m3的CSTR,后接一个0.25m3的PFRx A 2 dx VR C A0 x A1 0.25 A τ= = = C A0 ∫ = = 35 min 2 2 3 x A1 kC V0 kC A1 7.14 ×10 A2 xA2 x A1 dx A =∫ = 4.35; 2 2 x A1 (1 x ) (1 x A1 ) A2

Q x A1 = 0.62

dx A ∴∫ = 4.35; 2 0.62 (1 x ) A2xA2

1 1 = 4.35; 1 x A 2 1 0.62

1 = 6.98; 1 x A2

x A2

1 = 1 = 0.86 6.98

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

(3)一个0.25m3的PFR ,后接一个0.25m3的CSTRx A1 dx C A0 ( x A 2 x A1 ) VR A τ= = C A0 ∫ = 2 2 0 V0 kC A1 kC A1

0.25 = = 35 3 7.14 ×10

∫

x A1

0

( x A 2 x A1 ) dx A = = 4.35 2 2 (1 x A1 ) (1 x A 2 )

1 1 = 4.35; (1 x A1 )

1 x A1 = 1 = 0.81 5.35

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

( x A 2 0.81) = 4.35; 2 (1 x A 2 )

2 5.16 9.7 x A 2 + 4.35 x A 2 = 0

x A 2 = 0.88(4)两个0.25m3的PFR 串联x A1 dx x A 2 dx VR A A τ= = C A0 ∫ = C A0 ∫ 2 0 x A1 kC 2 V0 kC A1 A2

0.25 = = 35 min 3 7.14 ×10

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

∫

x A1

0

xA2 dx A dx A =∫ = 4.35 2 2 x A1 (1 x ) (1 x A1 ) A1

1 1 1 1 = = 4.35 1 x A1 1 x A 2 1 x A1 1 1 = 4.35; 1 x A1 1 5.35 = 4.35; 1 x A2 1 = 5.35; x A1 = 0.81; 1 x A1

x A2

1 = 1 = 0.90 9.7

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

习题3-7讲解 习题 讲解

3-7

已知： A 2 3

P

rA = kC AC P ;

CP 0 = 03

k = 10 m /(kmol s );

V0 = 0.002m / s

C A0 = 2kmol / m ;3

问x A = 0.98时，

下列各种情况下的反应体积。

解：

(1)单个PFRx A dx VR A 根据τ = = C A0 ∫ 0 V0 rA

《化学反应工程》 朱炳辰 第四版 第三章课后习题答案详解

τ = C A0 ∫

xA

0

dx A 1 = kC A 0 (1 x A ) C A 0 x A kC A 0

∫

xA

0

dx A (1 x A ) x A

1 Q 被积函数 : f ( x ) = 是关于 x A = 0 . 5的对称函数 ; (1 x A ) x A ∴ 原积分可改写为

VR 2 τ = = V0 kc A 0

dx A 2 ∫0 .5 (1 x A ) + kxA

∫

xA

0 .5

dx A xA

2 xA 2 × 3 . 892 0 . 98 = [ln ] 0 .5 = = 389 . 2 s kC A 0 (1 x A ) 0 . 01 × 2

V R = V 0τ = 0 . 002 × 389 . 2 = 0 . 778 m 3

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(2)单个CSTR

VR C A0 x Af 根据τ = = V0 rA

C A0 x Af VR ∴τ = = V0 kC A0 (1 x Af )[C A0 C A0 (1 x Af )] 1 = = 2500( s ) 0.01× 2 × (1 0.98)

VR = 2500 × V0 = 2500 × 0.002 = 5(m )3