吴元欣版反应工程答案

1、专业.专注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）。H =100 0.59 =

2、 59kgE 点乙烷的循环量Q=100-H -4.1=100-59-4.1=36.9kgA 点补充的新鲜乙烷量为F =100Q =100 -36.9 =63.1kg45 8/ 28而面100%皿.07%乙烯的总收率（摩尔收率）、，45.8/28 “45.8/28100% =77.77%63.1/ 30I QIUU乙烯的总质量收率45.845.8Y100% :100%-72.58%F63.1*产品59%，则在裂解器中反应掉的原料乙烷量为乙烯的选择性为乙烯的单程收率o45.8/28S H /30100%二45.8/ 2859/30100% =83.172%100 kg。B现对 B 点进行计算，设

3、B 点进入裂解器的乙烷为循环A由于乙烷的单程转化率为专业.专注乙烷的总转化率HX =100%=59100% = 93-5%F63.1专业.专注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）2O+H2O）CO 3H2=CH4H2O4CO 8H2=C4H9OH 3H2OCO H2O u 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

4、面是生产流程示意图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CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29CH3OH 89.15%、（ CH3）2。3.55%、C4H9OH 1.1%、H2O 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CO29.82g、CO 9.38g、H22.14g、CH42.14g、N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2 （摩尔比），试计算：粗甲醇中各组分的质量分数分别为专业.专注（1）一氧化碳

5、的单程转化率和全程转化率；专业.专注(2) 甲醇的单程收率和全程收率解: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?作衡算得:5.38B/28 1000 0.10292.92(2)组分摩尔质量yio(mol%)Fio(kmol/h)质量分率Xi0%质量流量kg/hCO2826.8226.8272.05760.96H2268.2568.2513.1136.5CO2441.461.466.16464.24CH4160.550.550.84438.8N2282.922.927.84481.76总计1001001001042.26(1)设新鲜原料气进料流量为1

6、00kmol/h ，根据已知条件，计算进料原料气组成如下Xi=yiMi/7yiMi，进料的平均摩尔质量Mm八yiMi= 10.42kg/kmol。其中组分COH2摩尔质量 Mi282摩尔分率屮15.4969.78其中冷凝分离后气体平均分子量为Mm八CO2CH4N2总计4416280.823.6210.29100yM = 9.554(1)对整个系统所有物料进行衡算得：100 10.42=B 9.554A经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下专业.专注联立(1)与(2)两个方程，解之得：A = 26.91 kmol/h,B=785.2 kg/h专业.专注反应后产物中 CO 摩尔流量为Fco

7、=0.1549A9.38B/28 1000 = 4.431kmol/h故 CO 的全程转化率为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 c,0= 100 x 0.2682 + 7.2 x 100 x 0.1549=138.4kmol / h所以 CO 的单程转化率为XCO二FCO,026.82-4.431138.4=16.18%产物粗甲醇中所溶解的 CO2, CO、H2、CH4和 N2总量 D 为(9.82 9.36 1.762.145.38)B1000=0.02848 B=22.3624kg/h粗甲醇中甲醇的量为(B -D)x甲/Mm=(785.2 -0.028

8、48B) 0.8915/32 = 21.25kmol / h所以，甲醇的全程收率为甲醇的单程收率为21 25%总=100%=79.24%26.8221 25丫丫单=100%=15.36% 138.4-83.48%26.82-4.431_26.82专业.专注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 9.629xlOj/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550C时的速率比反应温度为400C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

9、数k上，故可利用反应速率常数之比来描述反应速率之比11ddAEXP（-E/RT500）eE/R（话盂）e96290/8.314（673 -823）-=e= eAEXPGE/RT400）F 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TT图 1(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 ？=23（倍）550r400专业.专注(3)在等温线上，A、D、0、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、0、F 及 B 点中，哪一点速率最大，哪一点速率最 小?(5

10、)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 点速率需依据等速线的走向来判断H、M 点的(6)M 点速率最大速率大小第三章例题习题与解答在一个恒容间歇反应器中进行下列液相反应A B R rR=1.6CAkmol/(m3h)2专业.专注2A DrD=8.2CAkmol/(m3.h)式中 g、rD分别表示产物 R

11、 和 D 的生成速率反应用的原料为 A 和 B 的混合物，其中 A专业.专注的浓度为 2kmol/m3,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2rA= rR2rD= 1.6cA16.4CA可写出此条件下 A 反应速率

12、：MMA)分离变量，积分可得：1(1 _XA)+-10.2510.25CA0丽亍)dCWXA)冋一匚一10.25CA0t =0.6463/1.6 =0.4038h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= 1.6CA(1 10.25cA)CA1.6t二CA0代入相关数值，可得：(5)专业.专注dCR1.6CA12dCA1.6CA16.4CA110.25CACA=CAO(1-XA) = 2(1 0.95) = 0.1表明 D 的收率能达到 70%(4)得，CA= 0.4433则，xA= 5：= 0.7784 0

13、.7对全混流反应器，若二t =0.4038h,则有:CA0CA0.4038 =21.6CA+16.4CA(5)专业.专注对全混流反应器，若XA=0.95,则 R 的收率为：专业.专注思考：针对（3 ）、（ 4）改成平推流反应器时，其结果又如何？在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应3ABP,rp= 2cAkmol / (m h)232A Q,rQ=0.5CAkmol / (m h)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。2 2解： 因rA=rP 2rQ2cA2 0.5cA2cA cA由间歇反应器的设计方程，反

14、应时间 t 为即t=1ln%（25）2cA（2+cA0）（A）3由题给组分 A 的起始浓度CA=2kmol/m，反应时间t = 3h，代入式（A）可求此时.33组分 A 的浓度CA=2.482 10 kmol / m。组分 A 的转化率为即XA= 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YR=SfXAfXAf0.951 10.25CA0(1xAf) 1 10.25 2(1 0.95)=0.4691dCA2CA CA2XAcA0CAcA02-2.482 10；2-0.9988专业.专注所以，P 的收率为例 3有如

15、下平行反应A B P（主反应，P为目的产物）A B S（副反应）其动力学方程为：k1CACB,rs= k2CA5CB18（ mol/m3.s），已知：k1二k2=1，A和B两种物料的初浓度:cA0= cB0=1.0mol/l，分别从反应器进 口等流量加入，反应转化率XA=0.9。写出瞬时选择性与转化率xA间的关系式；dt(B)又-等=2CA- cA2,两式相除，有dCAdcp积分得CP0dCp =CAdCACA01亠cA/ 2将有关数值代入式（C）得cP二2ln1CA0/2(C)C=2ln 1 2.482仿/2383801/亦1.38382=0.6919YPCA0专业.专注计算在全混流反应器中

16、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CA0=CB0，CA=CA0(1 _ XA)Sp=1 CA0(1XA厂亡计算在全混流反应器中的总选择性SaP= Saf=1，且CAf=CA0(1-XAf)=0.051 CAfSaP=1 心+0.05)=0.95在一全混流反应器中进行可逆反应进料混合物总体积流量为1.33 104m3/s，其中不含产物；A、B 浓度分别为33_4 31400mol/m和 800mol/m。 已知k =1.167 10 m /(mol s)，k=0.5 10 m3/(mol s)。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.P_kQACB.3=rp rsKCAC?3 k2.cA.5CB8rp1Jk2c5Ci.5_1 Cf.5cB5KA BrA=rB=kcACB -kCRCS(A)A专业.专注由化学反应的计量关系，有专业.专注CA= CAO CBOXB= CBO(- - XB)式中，为配料比，2-CAO/CBO。将上式各浓度表达式代入式(A)，得g 二kcBoC-XB)(1-XB)-kcBxB(B)在要求的出口条件