化学反应工程课后习题答案.docx

1、化学反应工程课后习题答案1绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：2CH3OH O2 2HCH0 2H 2O2CH 30H 3O2 2CO2 4H2O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：S 二 Y 二062%。. 9611 9 6. 1 1 %X 0. 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10

2、0mol时，则反应器的进料组成为组分摩尔分率yio摩尔数nio (mol)CH32/( 2+4+1.3 ) =0.274027.40OH空气4/( 2+4+1.3 ) =0.547954.79水1.3/ ( 2+4+1.3 )17.81=0.1781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=n ao（1-X a）=7.672 molnp=n aoYp=18.96 molnc=n ao（X a-Yp）=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（n

3、o）和氮气（nN）的摩尔数分 别为：nW=n Wo+n p+2n c=38.30 moln o=n oo-1/2n p-3/2n c=0.8788 molnN=n no =43.28 mol所以，反应器出口气体组成为:组分摩尔数(mol)摩尔分率%CH37.6726.983OHHC18.9617.26HOH2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391. 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:CO 2H2= CH3OH2CO 4H2 二(CH 3)2。H2OCO 3H 2 二 CH 4 H 2O4CO

4、8H2 二 C4H9OH 3H2OCO H 2O = CO2 H2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 冷凝分离合成原料气 Bkg/h J粗甲醇循环压缩Akmol/hlOOkmol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

5、醇的组成为CH3OH89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H9OH 1.10%,H 2O6.20%,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,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g。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

6、分摩尔质量yi0 (molFi0 (kmol/质量分率%)h)Xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844总计100100100其中xi=y iM i/EyiM i。进料的平均摩尔质量 Mm =yiM i=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 = EyiM

7、 i=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 X1000+0.1029A=2.92 (A)对整个系统就所有物料作衡算得：100 X10.42=B+9.554A (B)联立(A )、(B )两个方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反应后产物中CO摩尔流量为Fco=0.1549A+9.38B/(28 X1000)将求得的A、B值代入得Fco=4.431 kmol/h故CO的全程转化率为Xco,0,026.82 一 4.43526.82二 83.48%由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处

8、的 CO摩尔流量为F co,0=100 X0.2682+7.2 X100 X0.1549=138.4 kmol/h所以CO的单程转化率为X coFCO,0F coFCO,026.82 一 4.435138.4=16.18%产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为二 0.02848Bkmol/h(9.82 9.38 1.76 2.14 538)B1000X0.8915/32=21.25 kmol/h粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X 甲/M m=(785.2-0.02848B)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=21.25/13

9、8.4=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)0.0.60.40.20.10.10.00.040.0912872853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Cat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076 二 一0 125

10、mol/l h 6.1由(2.6 )式可知反应物的水解速率为-dCAr A =0.125mol/l hA dt2.2在一管式反应器中常压300 C等温下进行甲烷化反应：CO 3H2 CH 4 H 2O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Qo进行实验，测得出口 CO的转化率为：Q(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 dFAFa 二 Fao(I Xa)二 QoCao(I

11、Xa)dFA 二-QoCAodXA故反应速率可表示为：Q0C A0dXAdVRdXAd(VR/Q0)Vr/Q 00.10.140.20.20.30.4min280645Xa%20.30.040.50.60.70.00000的点作切线，即得该条件下的用 Xa Vr/Q 0 作图，过 Vr/Q 0=0.20mindXA/d(V r/Q 0)值 a。_ 065 004 _ i 79-0.34 -故CO的转化速率为CA-A? 0 1013 J03 6.38 10 4mol/lRT 8314 10 573rA 二 CA0 丄、=638 10“ 179 = 114 10mol/lmind(VR/Q。)2.

12、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：r = kwyCO5ycO：kmol/ kg h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30m 2/g ， 堆密度为(1 )(2)(3)(4)解：1.13g/cm(1 )(2)(3)(4)3，试计算：以反应体积为基准的速率常数 kv。 以反应相界面积为基准的速率常数 kg以分压表示反应物系组成时的速率常数 kg。以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数 kc。利用(2.10 )式及(2.28 )式可求得问题的解。注意

13、题中所给比表面30的单位换算成m 2/m(1)kv二，bkw=1 13 103 00535= 6046kmol/m3h=k bkwav3kw = 1 780一6kmol/m2 h 订 30 103 w(3)k=(4)nk( 1 )045 00535 二 0.1508 kmo1 045p 9， w 01013 kgh (MPa)045-3 3k(Rp1)nk (831 沽 700)45 0.0535二 0.333(严2.4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：g = 0.8CA5cB5mol/l min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

14、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，得二 0.8CA5CB5 = 0.8C：二 0.8C；0(1 一 Xa)2由(2.6)式可知r 一 dCA 一 d Ca0(1 Xa) dXAr_dT_ dt CA0_dTkgdt代入速率方程式CA0dXAdt二 0.8CAo(1Xa)2化简整理得dXA(1 Xa)二 08CA0dt积分得8C A0tXa1 一 Xa解得 Xa=82.76%2.5 氨合成塔入口的气体组成为 3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及5.89CH 4。该

15、塔是在30MPa压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为 490 C,反应气体中氨含量为 化剂上氨合成反应速率式为：1.5Ph10% (mol )，试计算该处的反应速率。在 Fe催k1 PN2应的活化2 m 7 M 0p.-k2 f 15 kmol/m3 h百 P：能 E = 17.58 104J/mol5 2a ,)且k1/k2 =hKP , 490 C时，Kp可按下式计。450 C 时logK 20478/T 一24943logT 1.256 10*T 1.8564 10T2 3.206 注：m3为标准立方米。解：题中给出450 C时的k2值，而反应是在490 C下，故首先要求出490 C

16、 时的k2值。利用(2.27 )试，求出频率因子A:k2 二 Aexp算:RT)A 二 k?exp(毒)二 2277/e.58 也8.314 723 二 1.145 1016T 4k2 = Aexp(RT)= 1.145 代%17.5810 曲14 723 = 1.055 104m3(MPa f5/ m3.h 490 C的Kp值由题给公式计算出log Kp = 2047.8/ 763 - 2.4943log763 - 1.256 10 “ 763 1.8564 10 76323.20-1.2524K 5.592 10 求ki值:Kp二襄 ki 二 K pk2k22 2 4 3k(5.592 1

17、0 ) 1.055 10 = 33m (MPa)求各组分的分压值：訓2 3出 NH3Pi0 - pA0X AVaPi1 + yA0AX AyA0X AAyi0y i1 * yA0AX aPi *iP/ m3.h1一yA0 =20.87% ,、a=(丄 + 3 )= 一 212VRyR- y A0 XaVayR :1 。漱人10.035 *0.2087* XA1 A20.10 二1 0.2087*(-2)* XA45.914X6.5XayA-0.1416_ yA0 iyA0XA1 yAOgXA0.2087(1-0.1416)yH1 0.2087*(-2)*0.1416 = 0.19043yH0

18、- 丁yA0XA 1 YaO-IaXa0.626-3*0.2087* 0.1416 ,= 0.5716 1 0.2087* (-2)*0.1416Pi 二yiP各组分的分率及分压值为NH 310%p nh3 =3MPaN219.06pN2 =5.718M%PaH257.18pH2=17.15MP%aA叶13.79P Ar+CH4%CH4 =4.137MPa反应速率为:31.5Ph 21.5 =330 汉 5.718 汉 Ph 2呼 U055 104317.151 2.5=4.023 103m / m3cat h(179 6kmol / m3cat h)2.6下面是两个反应的T-X图，图中AB是

19、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:(6)(6)根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大?解：图2.1(1 )可逆反应(2 )放热反应M点速率最大，A点速率最小0点速率最大，B点速率最小(5)R点速率大于C点速率(6)M点速率最大点的速率大小。图2.2可逆反应吸热反应M点速率最大，A点速率最小 H点速率最大，B点速率最小 C点速率大于R点速率根据等速线的走向来判断 H,M2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用 B106催化剂进行试验,4测得正反应活化能为9629 10 J /mol，如果不考虑逆反应，试问反应温度是550 C时的速率比反应温度

20、是400 C时的速率大多少倍？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。Aexp（R）550550 _ k550（-! J） 96290（ 1 1）=eR T400 t550 = e8.314（ 673-823 23（倍）Aexp（ E ）RT 4002.8常压下，在钒催化剂上进行 SO2氧化反应，原料气组成为 7%0 2及82%N 2。试计算转化率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂上氧化的正4反应活化能为9211 10 J/mG，化学计量数等于2，反应式为：其平衡常数与温度的关系为:log K

21、p 二 4905.5/ Te - 4.64554该反应的热效应Hr = 9.629 10 J/mol。解：(1)求出转化率为80%时各组分的分压:以100mol为基准xSO2O2SO3N207.011.0082.100.000.87(1-0.80)=1.11-5.6 X5.682.97.2040.5=8.200Pso2 二 Pyso2=01013 14/972=1.46 10(MPa) 氐2 二 Py2=1013 &2/97.2= 8.55 10(MPa)Pso3 二 Pyso3= 0.1013 5.6/97.2= 5.84 10(MPa)Pn2 = PyN2 =O.1013沃 82/97.2

22、=8.55沃10，(皿卩3)(2 )求与上述组成对应的平衡常数 Kp值:K Pso3 5.84 10；K p _ - 3PsozPq 1.46 10 8.55 10y 43.26(3)求平衡温度Telog Kp 二 4905.5/ Te - 4.6455Te49055 = 780.9K6.282E = E 出=9.211 104 - 9629 10 二 1.403 105J/molVr(5)利用(2.31 )式求最佳温度TopTe780.9739.004KRTe E 彳 8.314 780.9 ln 14.03E_E E (14.03 9.211) 10 9.2112.9在一恒容反应器中进行下

23、列液相反应：TOP8.314 780.9利用(2.31 )式求逆反应活化能E值rR =1. 6DAkmol m3 h2A= d rD =8.2C：kmol/m3 h式中rjd分别表示产物R及D的生成速率。反应用的原料为A与B的混合物, 其中A的浓度为2kmol/m 3，试计算A的转化率达到95%时所需的反应时间。解：反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即RA 二 rR 2rD =1.6Ca 16.4C： = 1.6CA(1 10.25CA)利用(2.6 )式dCAdt二 1. 6Ca(1 10.25Ca)积分之- ACriolfAHg xa） in（1a）1025石t=O .6463/1 6

24、 =O4038h2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应:C6H3（CH 3）3 H2 CeH4（CH3）2 CH 4C6H4（CH 3）2 H2 C6H5CH3 CH及 523K反应器进口原料气组成为 66.67%H 2,33.33% 三甲基苯。在O.IMpa下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化率为 80%时，其混合气体的氢含量为20%，试求:（1） （ 1）此时反应器出口的气体组成（2） （ 2）若这两个反应的动力学方程分别为:rA =6300CACB5kmol/m3 h是=3400CCcB5kmol/m3 h则出口处二甲基苯的生成速率是多少？解：以100mol为计算基准，设X为三甲基苯

25、的转化率，Y为生成的甲苯 摩尔数。（1） （ 1）用物料衡算求出口气体组成：组分名称X=0时X=0.8 时三甲基苯33.3333.33 （1-X ）（A）氢（B）66.6766.67-33.33X-Y二甲基苯（C）033.33X-Y甲烷（D）033.33X+Y甲基苯（E）0Y100.0100.0由题给条件可知，混合气中氢的含量为 20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20解得 Y=66.67-33.33 X0.8-20=20.01kmol (甲苯量)生成的二甲基苯量：33.33 X0.8-20.0仁6.654kmol生成的甲烷量：33.33 X0.8+20.0仁46.67kmol剩余的

26、三甲基苯量：33.33 x(1-0.8 ) =6.666kmol氢气含量为：20kmol故出口尾气组成为：三甲基苯 6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%，甲烷 46.67%，甲基苯 20.01%。(2) (2)由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：CA0PaoRT0.1 0.33338.314 10； 523=7669 10；kmol/m3CA 二 CA0(108) = 7.669 10(1一0.8) = 1.534 10kmol/m3CBCc=瑟 1.534 104-610kmol/m3二瞬 1.534 询532 10”kmo|/m3倔4 1宀佃4宀皿CE 二勰 1.534 皿60

27、3 kmOl/m3RC 二 rA - 北=6300CAcB.5 - 3400CccB.5= 6300 1.534 10； (4.6 10冷0.5一 3400 1.532 10 (4.6 10)0.5 -0.6555 一 0.3533 二 0.3022kmol / m3 .h2.11在210 C等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：C2H5NO2 ，NO CH 3CHO IC2H5OH该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为14 4-1k39 10 expC1897 10 /T)(s )，若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa ，采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？解：(1 )恒容过程，其反应式可表示为：A B C D反应速率式表示为：rA = kCA=kCA(1XA)设为理想气体，反应物A的初始浓度为：0 1013CA0=pyA 01013 2523 10mol/lRT 8.314 10 483rA 二 kCA0(1 - XA) = 1 39