《反应工程》(第二版李绍芬)课后答案

1绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3223223223222CHOHO2HCHO2HO2CHOHO2HCHO2HO2CHOHO2HCHO2HO2CHOHO2HCHO2HO+→++→++→++→+32223222322232222CHOH3O2CO4HO2CHOH3O2CO4HO2CHOH3O2CO4HO2CHOH3O2CO4HO+→++→++→++→+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：0.6290.6290.6290.629YYYYS0.961196.11%S0.961196.11%S0.961196.11%S0.961196.11%X0.720X0.720X0.720X0.720================（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：nnnnAAAA=n=n=n=nA0A0A0A0(1-X(1-X(1-X(1-XAAAA)=7.672)=7.672)=7.672)=7.672molmolmolmolnnnnPPPP=n=n=n=nA0A0A0A0YYYYPPPP=18.96=18.96=18.96=18.96molmolmolmolnnnnCCCC=n=n=n=nA0A0A0A0(X(X(X(XAAAA-Y-Y-Y-YPPPP)=0.7672)=0.7672)=0.7672)=0.7672molmolmolmol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：nnnn=n=n=n=nW0W0W0W0+n+n+n+nPPPP+2n+2n+2n+2nCCCC=38.30=38.30=38.30=38.30molmolmolmolnnnnOOOO=n=n=n=nO0O0O0O0-1/2n-1/2n-1/2n-1/2nPPPP-3/2n-3/2n-3/2n-3/2nCCCC=0.8788=0.8788=0.8788=0.8788molmolmolmolnnnnNNNN=n=n=n=nN0N0N0N0=43.28=43.28=43.28=43.28molmolmolmol所以，反应器出口气体组成为：1.1.2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：23232323CO2HCHOHCO2HCHOHCO2HCHOHCO2HCHOH+⇔+⇔+⇔+⇔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组分摩尔数（mol）摩尔分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.3923222322232223222CO4H(CH)OHO2CO4H(CH)OHO2CO4H(CH)OHO2CO4H(CH)OHO+⇔++⇔++⇔++⇔[phone]CO3HCHHOCO3HCHHOCO3HCHHOCO3HCHHO+⇔++⇔++⇔++⇔+24922492249224924CO8HCHOH3HO4CO8HCHOH3HO4CO8HCHOH3HO4CO8HCHOH3HO+⇔++⇔++⇔++⇔[phone]COHOCOHCOHOCOHCOHOCOHCOHOCOH+⇔++⇔++⇔++⇔+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）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：组分原料气冷凝分离后的气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29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循环压缩合成冷凝分离其中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：其中冷凝分离后气体平均分子量为MMMM’’’’mmmm====∑yyyyiiiiMMMMiiii=9.554=9.554=9.554=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,0COCO,0COCO,0COCO,0COCOCOCOCOCO,0CO,0CO,0CO,0FFFFFFFF26.824.43526.824.43526.824.43526.824.435X83.48%X83.48%X83.48%X83.48%F26.82F26.82F26.82F26.82−−−−−−−−============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FFFF’’’’CO,0CO,0CO,0CO,0=100=100=100=100×0.2682+7.20.2682+7.20.2682+7.20.2682+7.2×100100100100×0.1549=138.40.1549=138.40.1549=138.40.1549=138.4kmol/hkmol/hkmol/hkmol/h所以CO的单程转化率为CO,0COCO,0COCO,0COCO,0CO''''COCOCOCOCO,0CO,0CO,0CO,0FFFFFFFF26.824.43526.824.43526.824.43526.824.435X16.18%X16.18%X16.18%X16.18%F138.4F138.4F138.4F138.4−−−−−−−−============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)B(9.829.381.762.145.38)B(9.829.381.762.145.38)B(9.829.381.762.145.38)BD0.02848Bkmol/hD0.02848Bkmol/hD0.02848Bkmol/hD0.02848Bkmol/h1000100010001000++++++++++++++++========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%组分摩尔质量摩尔分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29总计1002222反应动力学基础反应动力学基础反应动力学基础反应动力学基础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：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0.760.760.760.760.125/.0.125/.0.125/.0.125/.6.16.16.16.1αααα−−−−==−==−==−==−mollhmollhmollhmollh由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.0.125/.0.125/.0.125/.−−−−========dCdCdCdCAAAArmollhrmollhrmollhrmollhAAAAdtdtdtdt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2422422422423333+→++→++→++→+COHCHHOCOHCHHOCOHCHHOCOHCHHO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：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00000000000000000000(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)−−−−=====−=−=−=−=−=−=−=−=−=−=−=−AAAAAAAARRRRAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAdFdFdFdFrrrrdVdVdVdVFFXQCXFFXQCXFFXQCXFFXQCXdFQCdXdFQCdXdFQCdXdFQCdX故反应速率可表示为：0000000000000000(/)(/)(/)(/)========AAAAAAAAAAAAAAAAAAAARRRRRRRRdXdXdXdXdXdXdXdXrQCCrQCCrQCCrQCCdVdVQdVdVQdVdVQdVdVQ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。0.650.040.650.040.650.040.650.041.791.791.791.790.340.340.340.34αααα−−−−========故CO的转化速率为反应时间（h）1.02.03.04.05.06.07.08.09.0CA(mol/L)0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03Q0(ml/min)83.367.650.038.529.422.2X(%)203040506070VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.044440000000033330.10130.030.10130.030.10130.030.10130.036.3810/6.3810/6.3810/6.381