化学反应工程课后习题答案

1绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CHOHO2HCHO2HO32222CHOH3O2CO4HO进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算（1）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629YS0.961196.11%X0.720（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为组分摩尔分率yi0摩尔数ni0(mol)CH3OH2/（2+4+1.3）=0.274027.40空气4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81总计1.000100.0设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：nA=nA0(1-XA)=7.672molnP=nA0YP=18.96molnC=nA0(XA-YP)=0.7672mol结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：nW=nW0+nP+2nC=38.30molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788molnN=nN0=43.28mol所以，反应器出口气体组成为：组分摩尔数（mol）摩尔分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO2HCHOH23222CO4H(CH)OHO242CO3HCHHO24924CO8HCHOH3HO222COHOCOH由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图原料气Bkg/h粗甲醇Akmol/h100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的组成为CH3OH89.15%,(CH3)2O3.55%,C3H9OH1.10%,H2O6.20%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO29.82g,CO9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：（1）（1）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；（2）（2）甲醇的单程收率和全程收率。解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件，计算进料原料气组成以质量分率表示如下：组分摩尔质量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)质量分率xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844总计100100100其中xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=10.42kg/kmol。经冷凝分离后的气体组成（亦即放空气体的组成）如下：组分摩尔质量摩尔分率yiCO2815.49循环压缩合成冷凝分离H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29总计100其中冷凝分离后气体平均分子量为M’m=∑yiMi=9.554又设放空气体流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h。对整个系统的N2作衡算得：5.38B/28×1000+0.1029A=2.92(A)对整个系统就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A(B)联立（A）、（B）两个方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反应后产物中CO摩尔流量为FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)将求得的A、B值代入得FCO=4.431kmol/h故CO的全程转化率为CO,0COCOCO,0FF26.824.435X83.48%F26.82由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO摩尔流量为F’CO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4kmol/h所以CO的单程转化率为CO,0CO'COCO,0FF26.824.435X16.18%F138.4产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为(9.829.381.762.145.38)BD0.02848Bkmol/h1000粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B)×0.8915/32=21.25kmol/h所以，甲醇的全程收率为Y总=21.25/26.82=79.24%甲醇的单程收率为Y单=21.25/138.4=15.36%2反应动力学基础2.1在一体积为4L的恒容反应器中进行A的水解反应，反应前A的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL，反应物A的分子量为88。在等温常压下不断取样分析，测的组分A的浓度随时间变化的数据如下：反应时间（h）1.02.03.04.05.06.07.08.09.0CA(mol/L)0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03试求反应时间为3.5h的A的水解速率。解：利用反应时间与组分A的浓度变化数据，作出CA～t的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h时该点的切线，即为水解速率。切线的斜率为0.760.125/.6.1mollh由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.dCArmollhAdt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2423COHCHHO催化剂体积为10ml，原料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变进口原料气流量Q0进行实验，测得出口CO的转化率为：Q0(ml/min)83.367.650.038.529.422.2X(%)203040506070试求当进口原料气体流量为50ml/min时CO的转化速率。解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)AARAAAAAAAAdFrdVFFXQCXdFQCdX故反应速率可表示为：0000(/)AAAAARRdXdXrQCCdVdVQ用XA～VR/Q0作图，过VR/Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dXA/d(VR/Q0)值α。VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.00.650.041.790.34故CO的转化速率为40030.10130.036.3810/8.31410573AAPCmollRT43006.38101.791.1410/.min(/)AAARdXrCmolldVQ2.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：20.850.4/wCOCOrkyykmolkgh式中yCO和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化剂的比表面积为30m2/g，堆密度为1.13g/cm3，试计算：（1）（1）以反应体积为基准的速率常数kV。（2）（2）以反应相界面积为基准的速率常数kg。（3）（3）以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。（4）（4）以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3。33230.450.45330.45(1)1.13100.053560.46/.6(2)1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）vbwbbgwwvbnpwncwkkkmolmhkkkkmolmhakmolkkPkghMPamRTkkPkm0.45)().kmololkgh2.4在等温下进行液相反应A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：1.50.50.8/minAABrCCmoll若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的转化率。解：由题中条件知是个等容反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得1.50.522200.80.80.8(1)AABAAArCCCCX由（2.6）式可知00(1)AAAAAAdCXdCdXrCdtdtdt代入速率方程式22000.8(1)AAAAdXCCXdt化简整理得00.8(1)AAAdXCdtX积分得00.81AAAXCtX解得XA=82.76%。2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。该塔是在30MPa压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol），试计算该处的反应速率。在Fe催化剂上氨合成反应速率式为：322321.531.512/NHHNNHHpprkpkkmolmhpp逆反应的活化能417.5810/EJmol。450℃时30.5322277()/kmMPamh，且212/PkkK，490℃时，Kp可按下式计算：472log2047.8/2.4943log1.256101.8564103.206pKTTTT注：m3为标准立方米。解：题中给出450℃时的k2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k2值。利用（2.27）试，求出频率因子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/1.14510exp()1.145101.05510()/.EkARTEAkeRTEkAemMPamhRT490℃的Kp值由题给公式计算出4722log2047.8/7632.4943log7631.256107631.8564107633.2061.25245.59210ppKK求k1值：22'112'222431.531(5.59210)1.0551033()/.ppkKkKkkkmMPamh求各组分的分压值：2233122NHNH5716.0.14160*(-2)*2087.01.14160*2087.0*3-626.01y13yy1904.0.14160*(-2)*2087.01)1416.0-(12087.01yyy1416.05.6914.45*(-2)*2087.01*2087.0*211035.010.01yyy22123211%87.20Py,1yyy1000HH000AA00R0RR0000000＝＝－）＋－（＝，AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAiiAAAAAAiiiAAAAA