反应工程 课后答案 第二版

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）反应的选择性；（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设甲醛的生成量为x，CO2的生成量为y，则反应器出口处组成为：组分摩尔数n(mol)CH3OH27.40-x-y空气54.79-x/2-3y/2水17.81+x+2yHCHOxCO2y总计100+x/2+y/2由甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%得：2yx=72%;4.27x=69.2%解得x=18.96;y=0.77所以，反应器出口气体组成为：CH3OH:%100221004.27yxyx=6.983%空气：%1002210023279.54yxyx=40.19%水：%10022100281.17yxyx=34.87%HCHO:%10022100yxx=17.26%CO2:%10022100yxy=0.6983%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100kmol放空气体粗甲醇Bkg/hAkmol/h原料气和冷凝分离后的气体组成如下：组分原料气冷凝分离后的气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82循环压缩合成冷凝分离CH40.553.62N22.9210.29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）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；（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yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29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2.3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）以反应体积为基准的速率常数kV。（2）以反应相界面积为基准的速率常数kg。（3）以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。（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（2.27）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)().kmololkgh2.6下面是两个反应的T-X图，图中AB是平衡曲线，NP是最佳温度曲线，AM是等温线，HB是等转化率线。根据下面两图回答：（1）是可逆反应还是不可逆反应？（2）是放热反应还是吸热反应？（3）在等温线上，A,D,O,E,M点中哪一点速率最大，哪一点速率最小？（4）在等转化率线上，H,C,R,O,F及B点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？（5）C,R两点中，谁的速率大？（6）根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？解：图2.1图2.2(1)可逆反应可逆反应(2)放热反应吸热反应(3)M点速率最大，A点速率最小M点速率最大，A点速率最小(4)O点速率最大，B点速率最小H点速率最大，B点速率最小(5)R点速率大于C点速率C点速率大于R点速率(6)M点速率最大根据等速线的走向来判断H,M点的速率大小。2.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应：65326636(）CHCHCHCHCH以A,B及R分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：（1）AA（2）ABR（3）BB若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其它两步达到平衡，描述如下：AVAAAAVApAAKKpAARBABRrkkpBVBBBBVBpBBKKp以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程：AARBrkkp由于1ABV将,AB代入上式得：1AAVBBVVKpKp整理得：11VAABBKpKp将,,ABV代入速率方程中BBAAPRBABBAARBBAAAPKPKKPPPkPKPKPPKkPKkr1)/(1其中/APABkkKKkKkK2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应：2422422CHOCHO化作22()()2()ABR其反应步骤可表示如下：（1）AA（2）222BB（3）ABR（4）RR若是第三步是速率控制步骤，试推导其动力学方程。解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应步骤外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达式：(1)AAAVAAKp2(2)22BBBVBBKp(4)RRRVRRKp整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示：AABRVrkk根据总覆盖率为1的原则，则有：1ABRV或1AAVBBVRRVVKpKpKp整理得：1VAABBRRKpKpKp将,,,ABRV代入反应速率方程，得：222(/(1)ABRAAABBVRRVAABBRRkpppKrkKpKpkpKKpKpKp其中/ABRkkKKKkkK3釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325CHCOOCHNaOHCHCOONaCHOH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l，反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%。试问：（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95AfAfXXAAAAAAAAAAAdXdXXtCCRkCXkCXh(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h。3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222CHClCHOHNaHCOCHOHCHOHNaClCO以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h，要求转化率达到95%。（1）若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积；（2）若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。解：(1)氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84和62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%kgh每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%kgh原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02Qlh氯乙醇初始浓度：00.326610001.231/0.95275.8ACmoll反应时间：02000110.952.968(1)5.21.23110.95AfAfXXAAAABAAdXdXtChkCCkCX反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5rVQttl（2）反应器的实际体积：956.512750.75rVVlf3.8在一个体积为300l的反应器中86℃等温下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解：65323365()CHCC