《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案

第一章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%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164循环压缩合成冷凝分离CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844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＝＝－）＋－（＝，AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAiiAAAAAAiiiAAAAAAiiiXyXXyXXXXXXyXypXyXXyXpppPyiip各组分的分率及分压值为NH310%pNH3=3MPaN219.06%pN2=5.718MPaH257.18%pH2=17.15MPaAr+CH413.79%pAr+CH4=4.137MPa反应速率为：322321.51.541.5121.5333317.15333.05.7181.05510317.154.02310/.(179.6/.)NHHNNHHpprkpkppmmcathkmolmcath2.6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。2.7解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。400550119629011()()5505505508.314673823400400400exp()23exp()（倍）ERTTEArkRTeerkEART2.8解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：以100mol为基准xSO2O2SO3N2∑07.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-5.6×0.5=8.25.6082.097.22222332233320.10131.4/97.21.4610()0.10138.2/97.28.5510()0.10135.6/97.25.8410()0.101382/97.28.5510()SOSOOOSOSONNpPyMPapPyMPapPyMPapPyMPa（2）求与上述组成对应的平衡常数KP值：32230.50.5335.841043.261.46108.5510SOPSOopKpp(3)求平衡温度Telog4905.5/4.64554905.5780.96.282peeKTTK(4)利用（2.31）式求逆反应活化能E值4459.629109.211101.40310/2rrHEEJmol(5)利用（2.31）式求最佳温度TOP4780.9739.0048.314