化学反应工程第一章习题参考答案

12010级第一章习题参考答案1-1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：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）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）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（1-7）和（1-9）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%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.39解二：（1）根据定义：目的产物收率LAY=A消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量目的产物选择率LAS=A消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量反应物的转化率AAAx转化了的关键组分的量＝进入反应系统的的初始量转化率、收率和选择率的关系Y=SAx已知：xCH3OH=72%YHCHO=69.2%则%11.96%72%2.693OHCHHCHOxYS2（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol，则即反应后混合气体中：NCH3OH=2*(1-72%)=0.56molNHCHO=2*69.2%=1.384molNH2O=1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molNCO2=2*(72%-69.2%)=0.056molN空气=4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中NO2=4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molNN2=4*79%=3.16mol）总物质的量为：NT=0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：yCH3OH=0.56/8.02*100%=6.98%y空气=3.224/8.02*100%=40.20%（其中yO2=0.80%,yN2=39.4%）yHCHO=1.384/8.02*100%=17.26%yH2O=2.796/8.02*100%=34.86%yCO2=0.056/8.02*100%=0.70%1-5某气-固一级不可逆催化反应，按单位质量催化剂表示的本征动力学方程为AwAfkdWdN，式中fA为反应组分A的逸度。若ρb、ρP分别表示催化剂床层的堆密度和催化剂的假密度，ε为催化剂床层的空隙率，Si、Sv和Sg分别为单位体积催化床、单位体积催化剂颗粒和单位质量催化剂的内表面积。（1）推导按单位体积催化床和单位质量催化剂颗粒表示的本征反应速率常数kVR与kw间的关系。（2）催化床层中某一微元体积的压力为p，温度为T，组分A的摩尔分数为yA，浓度为cA。若将本征动力学方程AwAfkdWdN改写为ApApkdWdN，AyAykdWdN，AcAckdWdN，推导pk、yk、ck与wk间的关系式。解：（1）AVRRAfkdVdN；AWAfkdWdN；3AWbbARARbbRfkdWdNdVdNdWdVV或者AWPViPViARARPViPViRfkSSSSdWdNdVdNdWdVSSWSSV即WigWPViWbVRkSSkSSkk或AWgigiARARgigiRfkSSSSdWdNdVdNdWdVSSWSSVWigWPViWbVRkSSkSSkk（2）AfAWAfkfkdWdNAPAgCgACACAPkPTRkTRPkCkdWdNAyAgCgACACAykyTRPkTRPykCkdWdN对于理想气体，f接近于p，所以有ygWgfgPgCkPTRkTRkTRkTRk如不是理想气体，设A的逸度系数为ФA，AAAPfAAfAfAWAPkfkfkdWdNygWAgfgPgCkPTRkTRkTRkTRk41-6有如下平行反应，P为目的产物，各反应均为一级不可逆放热反应，反应活化能依次为E2E1E3，0jk为j反应的指前因子，证明最佳温度)()(ln2102130323EEkEEkREETop证明：nARTEnARTEnARTEcekkcekkcekk321033022011因n相同，所以P的选择率RTEERTEEPTPSTSPPekkekkrrrrrrrrS/)(0103/)(010231211111令0dTdS所以0)1()1(/)(2310103/)(2210102/)(0103/)(010231213121RTEERTEERTEERTEEeRTEEkkeRTEEkkdTekkekkddTSddTdS整理，得RTEERTEEeRTEEkkeRTEEkk/)(2130103/)(2210102312121130203/)(/)(3121EEEEkkeeRTEERTEE5即)()(ln2102130323EEkEEkREETop