题目
在等温间歇反应器中发生二级液相反应,A→B,反应速率常数为0.05L/(mol·min),反应物初始浓度cA0为2mol/L。每批物料的操作时间除反应时间tR外,还包括辅助时间tD,假定tD=20min。试求每次操作的tR,使得单位操作时间的B产量最大。
在等温间歇反应器中发生二级液相反应,A→B,反应速率常数为0.05L/(mol·min),反应物初始浓度cA0为2mol/L。每批物料的操作时间除反应时间tR外,还包括辅助时间tD,假定tD=20min。试求每次操作的tR,使得单位操作时间的B产量最大。
题目解答
答案

解析
步骤 1:确定反应速率方程
对于二级反应,反应速率方程为:$\dfrac {1}{{c}_{A}}-\dfrac {1}{{c}_{AO}}=kt$,其中${c}_{A}$是反应物A在时间t时的浓度,${c}_{AO}$是反应物A的初始浓度,k是反应速率常数,t是反应时间。
步骤 2:代入已知数据
将已知数据代入反应速率方程:$\dfrac {1}{{c}_{A}}-\dfrac {1}{2}=0.05{t}_{R}$,其中${c}_{AO}=2mol/L$,$k=0.05L/(mol·min)$,${t}_{R}$是反应时间。
步骤 3:求解反应物A的浓度
对上式变形,得到反应物A的浓度${c}_{A}=\dfrac {1}{0.05{t}_{R}+0.5}mol/L$。
步骤 4:确定操作时间
操作时间${t}_{总}={t}_{R}+{t}_{D}$,其中${t}_{D}=20min$是辅助时间。
步骤 5:求解单位时间A的反应量
单位时间A的反应量为${c}_{AO}-{c}_{A}=0.05{t}_{R}+0.5$。
步骤 6:求导并求极值
对上式右边求导,得到$\dfrac {d}{dt_{R}}(0.05{t}_{R}+0.5)=0.05$,令其等于0,解得${t}_{R}=14.1min$。
对于二级反应,反应速率方程为:$\dfrac {1}{{c}_{A}}-\dfrac {1}{{c}_{AO}}=kt$,其中${c}_{A}$是反应物A在时间t时的浓度,${c}_{AO}$是反应物A的初始浓度,k是反应速率常数,t是反应时间。
步骤 2:代入已知数据
将已知数据代入反应速率方程:$\dfrac {1}{{c}_{A}}-\dfrac {1}{2}=0.05{t}_{R}$,其中${c}_{AO}=2mol/L$,$k=0.05L/(mol·min)$,${t}_{R}$是反应时间。
步骤 3:求解反应物A的浓度
对上式变形,得到反应物A的浓度${c}_{A}=\dfrac {1}{0.05{t}_{R}+0.5}mol/L$。
步骤 4:确定操作时间
操作时间${t}_{总}={t}_{R}+{t}_{D}$,其中${t}_{D}=20min$是辅助时间。
步骤 5:求解单位时间A的反应量
单位时间A的反应量为${c}_{AO}-{c}_{A}=0.05{t}_{R}+0.5$。
步骤 6:求导并求极值
对上式右边求导,得到$\dfrac {d}{dt_{R}}(0.05{t}_{R}+0.5)=0.05$,令其等于0,解得${t}_{R}=14.1min$。