吴元欣版反应工程答案

第一章例题与习题解答例 1每 100 kg 乙烷（纯度 100% ）在裂解器中裂解，产生 45.8 kg 乙烯， 乙烷的单程转化率为 59% ，裂解气经分离后，所得到的产物气体中含有4.1kg乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解器。求乙烯的选择性、收率、总收率和乙烷的总转化率。解： 以 b 点的混合气体为计算基准进行计算即得到单程转化率和单程收率，而以对a点的新鲜气体为计算基准进行计算得到全程转化率和全程收率。新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率，单程转化率（反应器进口为基准）；新鲜原料进入反应系统起到离开系统止所达到的转化率，全程转化率（新鲜原料为基准）。现对 b 点进行计算，设b 点进入裂解器的乙烷为100 kg 。循环 e精品资料新鲜乙烷裂解器分离器产品ab由于乙烷的单程转化率为59% ，则在裂解器中反应掉的原料乙烷量为h1000.5959kge 点乙烷的循环量qa 点补充的新鲜乙烷量为f100100h4.1100594.136.9kgq10036.963.1kg乙烯的选择性为s45.8/ 28100%45.8/ 28100%83.172%h / 3059 / 30乙烯的单程收率乙烯的总收率（摩尔收率）y45.8/ 28100%49.07%100 / 30y45.8 / 28100%45.8 / 28100%77.77%f / 3063.1/ 30乙烯的总质量收率y45.8fh100%45.863.159100%72.58%乙烷的总转化率x100% f63.1100%93.5%例 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：co2h 2ch 3oh2co4 h 2（ ch 3）2oh 2o）co3h 2ch 4h 2 o4co8h 2c4 h 9oh3 h 2ocoh 2oco2h 2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， 可凝组分分离为液体即为粗甲醇， 不凝组分如氢及一氧化碳等部分放空， 大部分经循环压缩机压缩后与原料气混合返回合成塔中。下面是生产流程示意图。合成冷凝分离原料气粗甲醇放空循环压缩原料气和冷凝分离后的气体中各组分的摩尔分数如下组成原料气冷凝分离后气体co26.8215.49h 268.2569.78co 21.460.82ch 40.553.62n 22.9210.29粗甲醇中各组分的质量分数分别为ch 3oh89.15%、（ch 3 ） 2o 3.55% 、c 4h 9oh1.1% 、h2 o 6.2% 。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷却冷凝中可部分溶解于粗甲醇中， 对 1kg 粗甲醇而言，其溶解量为co 2 9.82g 、co 9.38g 、h2 2.14g 、ch 4 2.14g 、n2 5.38g 。若循环气与原料气之比为7.2 （摩尔比），试计算：（1） ）一氧化碳的单程转化率和全程转化率；（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 ，根据已知条件，计算进料原料气组成如下：组分摩尔质量y i0(mol%)fi0(kmol/h)质量分率 x i0%质量流量kg/hco2826.8226.8272.05760.96h2268.2568.2513.1136.5co 2441.461.466.16464.24ch 4160.550.550.84438.8n2282.922.927.84481.76总计1001001001042.26其中xiyi mi /yi m i ，进料的平均摩尔质量m myi m i10.42kg / 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coh2co 2ch 4n2总计摩尔质量m i282441628摩尔分率yi15.4969.780.823.6210.29100其中冷凝分离后气体平均分子量为mmyi mi9.554又设放空气体流量为a kmol/h ，粗甲醇的流量为b kg/h 。对整个系统的n 2 作衡算得：5.38b / 2810000.1029a2.92（ 1 ）对整个系统所有物料进行衡算得：10010.42b9.554a（ 2）联立（ 1）与（ 2）两个方程，解之得：a 26.91 kmol/h,b=785.2 kg/h反应后产物中co 摩尔流量为fco0.1549 a9.38b / 2810004.431kmol / h故 co 的全程转化率为xcofco ,0fco26.824.43183.48%fco ,026.82由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器进口处的co 摩尔流量为：f co ,01000.26827.21000.1549138.4kmol / h所以 co 的单程转化率为xcofco , 0fco26.824.43116.18%f co , 0138.4产物粗甲醇中所溶解的co 2， co 、h2、 ch 4 和 n2 总量 d 为（9.82d9.361.7610002.145.38） b0.02848b22.3624kg / h粗甲醇中甲醇的量为(bd) x甲 / m m(785.20.02848 b)0.8915 / 3221.25kmol / h所以，甲醇的全程收率为y 21.25100%79.24%总26.82甲醇的单程收率为单y 21.25100%15.36%138.4第二章例题习题与解答例 1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，测得正反应活化能为 9.629 104j/mol ，如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为 550 时的速率比反应温度为400 时的反应速率大多少倍？解：由题可知，反应条件除温度不同外，其它条件均同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可利用反应速率常数之比来描述反应速率之比。r550k550aexp(e / rt500 )e / r(e1t4001)t55096290 / 8.314 (e16731)82323 (倍)r400k400aexp(e / rt400 )例 2下面是两个反应的t x 关系图，图中ab 是平衡线， 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：naadbdxhxbhcrofepf orc emmtt图 1图 2（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） ）在 c 、r 两点中，谁的速率大？（6） ）根据图中所给的十点，判断哪一点速率最大？ 解：如下表所示。图 1图 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 点速率最大需依据等速线的走向来判断h、m 点的速率大小第三章例题习题与解答例 1在一个恒容间歇反应器中进行下列液相反应：abrrr1.6c akmol/(m 3.h)2 adr8.2c2 akmol/(m 3.h)d式中 rr 、 rd 分别表示产物r 和 d 的生成速率。反应用的原料为a 和 b 的混合物，其中a的浓度为2kmol/m 3，试计算：（1） ） a 的转化率达到95% 时所需要的反应时间。（2） a的转化率为 95% 时， r的收率是多少 ?（3） 若反应温度不变，要求d 的收率达 70% ，能否办到 ?（4） 改用全混流反应器操作，反应温度与原料组成均不变，保持空时与情况的反应时间相同，a 的转化率能否达到95%?（5） 在全混反应器操作时，a 的转化率如仍要达到95% ，其它条件不变，r的收率是多少?解：（1 ）反应物 a 的消耗速率应为两反应速率之和，即rarr2rd1.6c a16.4c2 a1.6c a (110.25c a )可写出此条件下a 反应速率： dcadt1.6ca (110.25ca )分离变量，积分可得：(1x )11 .6tca( 1c a0ca10.2510.25ca)dc a1ln(1xa )lna10.25c a0 1110.25c a 0代入相关数值，可得：t0.6463/1.60.4038h注意：体系中物质浓度影响不同反应的反应速率时，是同时作用的；多个反应存在时，关键反应组分的反应速率是几个反应分支的反应速率叠加。（ 2）sr( dcr ) /(dtdc a )dtdcr dc1.6c a12110.25ca1.6c a16.4c aac ac a 0 (1cacrsrxa )dc a2(10.10.95)dc a0.1= 0.2305kmol/m3c a02110.25c a（ 3）s28.2c ad32.8(1x a )1.616.4c a34.432.8 xax a fydsd dx a0.9532.8(1x a )dxa0.8348 0.70034.432.8 x a表明 d 的收率能达到70% 。（ 4）对全混流反应器，若t0.4038h，则有：0.4038 =ca 01.6c aca216.4c a得，c a = 0.4433则，x ac a0ca0.7784 0.95c a 0说明该条件下转化率达不到95% 。（5）对全混流反应器，若xa0.95 ，则 r 的收率为 :yrsfxafxaf0.950.4 6 9 1110.25c a 0 (1xaf )110.252(10.95)思考：针对（3 ）、（4 ）改成平推流反应器时，其结果又如何？例 2在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应abp, rp2cakmol/ (m3h)2 aq, r0.5c 2 kmol / ( m3h)qa反应开始时a 和 b 的浓度等于2kmol/ m3 ，目的产物为p，试计算反应时间为3h 时 a 的 转化率和 p 的收率。22解：因rarp2rq2ca20.5ca2caca由间歇反应器的设计方程，反应时间t 为catc a0dca22caca即1tln2c a0 (2c a (2c a ) ca 0 )（a ）由题给组分a 的起始浓度ca 02kmol/ m3 ，反应时间t3h ，代入式（ a ）可求此时组分 a 的浓度 ca2.482103 kmol/ m3 。组分 a 的转化率为axca0caca 022.482 10 320.9988即 x a = 99.88% 。只知道a 转化率尚不能确定p 的生成量，因转化的a 既可以转化成p 也可能转化成q。由题给的速率方程知dcp dt2ca(b)dca又dt2ca2ca ，两式相除，有dcadcp11 ca2积分得c pcapdc0ca 0 1dcaca / 2即1cp2ln1c a0 / 2 c a / 2(c)将有关数值代入式（c）得cp所以， p 的收率为2ln12 / 212.48210 3 / 21.3838kmol / m3ypacppca 01.38380.69192例 3有如下平行反应：abp（主反应，p 为目的产物）abs（副反应）其动力学方程为：rpk cc 0.3 ,rk c 0. 5c 1.8（mol/m 3.s ），已知： kk1，1ab2ab12sa和 b 两种物料的初浓度：c a0cb 01.0mol / l，分别从反应器进口等流量加入，反应转化率x a0.9 。 写出瞬时选择性与转化率x a 间的关系式； 计算在全混流反应器中p 的总选择性。解：写出瞬时选择性与组分a 的转化率关系表达式sp=rpk1ca0 .3c11brrk cc 0.3k c0.5c1.8k20.51.51c 0 .5c1.5ps1ab2.ab1cacbabk1又ca0=c b0 ， c ac a0 (1x a )sp =11c a0 (1x a )11c a计算在全混流反应器中的总选择性s ap = s af =11caf，且caf =c a0 (1-x af)=0.05s ap =1/(1+0.05)=0.95例 4在一全混流反应器中进行可逆反应kabrsk 进料混合物总体积流量为1.33104 m3 /s ，其中不含产物； a、b 浓度分别为1400mol/ m3和 800mol/ m3 。已知 k1.167104 m3/ (mols)， k 0.5104 m3/ (mols) 。反应混合物体积可认为不变。要求b 转化率达到0.75 ，计算所需的反应器有效容积。解反应动力学方程可写为rarbkcacbk crcs(a)由化学反应的计量关系，有cbcb0 (1x b )caca0cb0 x bcb 0 (x b )crcscb 0 x b式中，为配料比，ca 0 /cb0 。将上式各浓度表达式代入式（a ），得rkc2 (x)(1x)k c2 x 2(b)bb0bbb0b在要求的出口条件（x bf0.75 ）下rbf1.