李绍芬版反应工程答案

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循环压缩合成冷凝分离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yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29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2.1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