《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案

第一章1.1用银催化剂将甲醇氧化成甲醛反应：进入反应器的原料气体中，甲醇：空气：水蒸气=2:4:1.3(摩尔比)，反应后甲醇的转化率为72%，甲醛的收率为69.2%。 估算(1) (1)反应选择性(2) (2)反应器出口气体的组成。解： (1)式(1.7 )得到的反应的选择性如下(2)在进入反应器的原料气体中，以甲醇：空气：水蒸气=2:4:1.3(摩尔比)，进入反应器的总原料量为100摩尔时，反应器的供给组成为成分摩尔分数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合计1.000100.0若设甲醇转化率为XA、甲醛的收率为YP，则根据(1.3)式和(1.5)式，反应器出口的甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别如下na=na0 (1- xa )=7.672摩尔NP=na0yp=18.96摩尔NC=na0 (xa-yp )=0.7672摩尔结合上述反应的化学计量式、水(nW )、氧(nO )、氮(nN )的摩尔数分别如下NW=NW0NP2NC=38.30摩尔no=no0-1/2np-3/2nc=0.8788摩尔nn=nn0=43.28摩尔因此，反应器出口气体组成成分摩尔数摩尔分数%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391. 1. 2工业应用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，主要副反应如下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为甲醇，为了提高原料的利用率，在生产中采用循环操作，冷却反应后的气体，形成可冷凝成分为液体的粗甲醇，氢和一氧化碳等不可冷凝成分部分开放，大部分通过循环压缩机与原料气体混合下图是生产流程图冷凝分离合成原料气体Bkg/h粗甲醇Akmol/h循环压缩100kmol排气原料气体和冷凝分离后气体组成如下： (mol )成分原料气体凝结分离的气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%、(CH3)2O 3.55%、C3H9OH 1.10%、H2O 6.20%，均为重量百分比。 在操作压力和温度下，其馀成分均为不凝结成分，但在凝结冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，相对于1kg粗甲醇，其溶解量为CO2 9.82g、CO 9.38g、H2 1.76g、CH4 2.14g、N25.38g . 如果循环气体与原料气体之比为7.2 (摩尔比)，则试制计算：(1) (1)一氧化碳的单程转换率和总转换率(2) (2)甲醇的单程收率和总收率。解： (1)如果将新鲜原料气体供给流量设为100kmol/h，则基于已知的条件计算供给原料气体组成，以质量分率表示如下成分摩尔质量yi0 (摩尔% )Fi0(kmol/h )质量分数xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844合计100100100其中xi=yiMi/yiMi。 进料的平均摩尔质量Mm=yiMi=10.42kg/kmol。凝结分离的气体的组成(即放出空气的气体的组成)如下所述成分摩尔质量摩尔分数yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29合计100这里，冷凝分离后气体平均分子量mm=yimi=9.554另外，废气的流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h。 如果计算整个系统的N2，则5.38B/281000 0.1029A=2.92 (A )要平衡计算整个系统中的所有物料，请执行以下操作10010.42=B 9.554A (B )求解联立(a )、(b )两个方程式A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反应后生成物中的CO摩尔流量FCO=0.1549A 9.38B/(281000 )代入求出的a、b的值FCO=4.431 kmol/h所以CO的总转化率由已知循环气体与新鲜气体的摩尔比可知，反应器出口的CO摩尔流量fco，0=1000.268227.21000.1549=138.4 kmol/hCO的单程转化率生成物粗甲醇溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2的总量d粗甲醇中甲醇的量(B-D)X甲/mm=(785.2-0.028148 b ) 0.8915/32=21.25 kmol/h因此，甲醇的总收率y合计=21.25/26.82=79.24%甲醇的单程收率y单曲=21.25/138.4=15.36%2反应动力学基础2.1解：利用反应时间和成分a的浓度变化数据，制作CAt的关系曲线，用镜面法求出t=3.5h时该点的切线，为水解速度。切线的斜率为由(2.6 )式可知，反应物水解速度2.2解：流动反应器，其反应速度式可以用(2.7 )式表示反应速度可以表示如下以XAVR/Q0绘图，以超过VR/Q0=0.20min的点为切线，则得到该条件下的dXA/d(VR/Q0 )值。VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.0CO的转化率2.3解：问题的解可以用(2.10 )式及(2.28 )式求出。 在注意问题中给出的比表面的单位被转换成m2/m3。2.4解：问题中由条件可知是等容反应过程，而且a和b的初始浓度均相同，为1.5mol/l，因此可简化反应速率公式由(2.6 )式可知代入比率方程式精简整理能得分XA=82.76%。2.5解：问题中显示了450下的k2值，但由于反应为490，因此首先求出了490下的k2值。(2.27 )通过测试，求出频率因子A:490的Kp值由问题公式计算求出k1的值：求出各组分压值：各组分率和分压值NH3气体10%pNH3=3MPaN219.06%pN2=5.718MPaH257.18%pH2=17.15MPaAr CH413.79%pAr CH4=4.137MPa反应速度：2.6解：图2.1图2.2(1)可逆反应可逆反应(2)发热反应吸热反应(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点比率大于c点比率c点比率大于r点比率(6)M点的速度最大从等速线的方向判断h、m点的速度的大小。2.7解：由问题可知，反应条件除了温度不同以外是相同的，温度的影响出现在反应速度常数k上，因此用反应速度常数之比来描述反应速度之比。2.8解： (1)求出转化率为80%时各成分的分压以100mol为基准xSO2O2SO3N2金种07.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-5.60.5=8.25.6082.097.2(2)求出与上述组成对应平衡常数KP的值(3)求出平衡温度Te根据(4)式(2.31 )求出逆反应活化能值(5)用(2.31 )式求出最佳温度TOP2.9解：反应物a的消耗速度必须是两个反应速度之和利用(2.6 )式积分的2.10解：以100mol为计算基准，x为三甲苯的转化率，生成y的甲苯的摩尔数。(1) (1)用材料平衡求出出口气体组成成分名称X=0时X=0.8时三甲基苯(a )33.3333.33(1-X )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 )0y金种100.0100.0根据问题赋予条件，混合气中氢的含量为20%66.67-33.33X-Y=20解答Y=66.67-33.330.8-20=20.01kmol (甲苯量)生成的二甲苯量： 33.330.8-20.01=6.654kmol生成的甲烷量： 33.330.8 20.01=46.67kmol其馀三甲苯量： 33.33(1-0.8)=6.666kmol氢含量： 20kmol出口废气组成为三甲苯6.666%、氢20%、二甲苯6.654%、甲烷46.67%、甲苯20.01%。(2) (2)从问题赋予条件可知，三甲苯出口浓度2.11解： (1)定容过程，其反应式可表示如下反应速度公式如下所示作为理想气体，反应物a的初始浓度为亚硝酸乙酯分解速度如下所示乙醇的生成速度(2)恒压过程是可变电容过程，因为反应前后的摩尔数有变化，可以从(2.49 )式求出总摩尔数的变化。反应物为纯a，因此yA0=1。由(2.52 )式可以求出成分瞬间浓度乙醇的生成速度2.12解： (1)从问题意义可以如下表示反应速度恒容过程中XA0=0.8时(2)恒压过程是可变电容反应过程，可以由(2.49 )式求出总摩尔数的变化反应物a原始百分比：由(2.52 )式可以求出转化率为80%时浓度2.13解：方法(1)首先求总摩尔变化数。首先，将生成物生成速度改变为对应的反应物的转化速度总反应速度如下：以反应物a1摩尔为基准，总摩尔变化数如下初始浓度如下所示有的方法(2)可将CA表示为：方法(3)能够利用物质平衡计算分别求出反应物a生成r和s的瞬间选择性SR、SS，因此能够求出生成物r和s的收率yR、yS，求出a转化率为85%时的分率其中：2.14解：根据速度控制程序和稳态近似原理，除表面反应外，其馀两个阶段均衡，阐述如下表面反应的速度方程式，表示整个反应的速度方程式因为如果代入上式整理：代入速率方程式其中2.15解：根据速度控制步骤和稳态近似原理，除表面反应步骤外，其馀近似达到平衡，并写出相应的复盖率公式整个反应的速度方程用表面反应的速度方程表示根据总复盖率为1的原则，可以：或者整理：如果代入反应速度方程式其中2.17解：根据问题意见，假定反应步骤如下假设第二步骤为控制步骤，速率方程表示整个反应的速率方程其馀两个步骤可以认为是平衡的原因如下：如果代入汇率表达式，则仪式中。 因此，上述假设符合问题的含义。 然而，上述假设的反应程序并非唯一。2.18解：首先用积分法求动力学方程。设定为一次不可逆反应，其速度式如下所示要点：用t作图