反應(yīng)工程課后答案第二版

1、1緒論1.1在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)：進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣 =2: 4: 1.3 （摩爾比），反應(yīng)后甲 醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%甲醛的收率為69.2%。試計(jì)算（1）反應(yīng)的選擇性；（2）反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（1）由（1.7 ）式得反應(yīng)的選擇性為：（2）進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣 =2： 4： 1.3 （摩爾比），當(dāng)進(jìn) 入反應(yīng)器的總原料量為100mol時(shí)，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)mo（mol）CHOH2/（ 2+4+1.3） =0.274027.40空氣4/（ 2+4+1.3） =0.547954.79水1.3/ （ 2+4+1.3

2、） =0.178117.81總計(jì)1.000100.0設(shè)甲醛的生成量為x，CO的生成量為y,則反應(yīng)器出口處組成為:組分摩爾數(shù)n（mol）CHOH27.40-x-y空氣54.79-x/2-3y/2水17.81+x+2yHCHO）xCOy總計(jì)100+x/2+y/2由甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%甲醛的收率為69.2%得:-y =72%; =69.2%227.4解得 x=18.96; y=0.77所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：27 4 x yCHOH:100% =6.983%100+32 254.79-x_3y空氣：22 100%=40.19%100+厶+工2 2水：17.81 x 2y 100% =34.87%

3、 100八2 2100%=17.26%HCHO:-100 x y2 2CO100% =0.6983%100 x y2 21.2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)如下：由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過(guò)程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇， 為了提高原 料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應(yīng)后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w 即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空， 大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與 原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流程示意圖組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.4968.2569.78CQ1.460.82CH0.553.62NN2.9210.29粗甲醇的組成為

4、CHOH 89.15%,（CH）2O 3.55%,C3HOH 1.10%,HO 6.20%,均為重量 百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過(guò)程中可 部分溶解于粗甲醇中，對(duì)1kg粗甲醇而言，其溶解量為 CO9.82g,CO 9.38g,H 21.76g,CH4 2.14g,N 25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2 （摩爾比），試計(jì)算:（1）一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（2）甲醇的單程收率和全程收率。解：（1）設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原料 氣組成以質(zhì)量分率表示如下：組分摩爾質(zhì)量yio (mol%)Fo (kmol/h)

5、質(zhì)量分率Xi0%CO2826.8226.8272.0514268.2568.2513.1CO441.461.466.164CH160.550.550.8443NN282.922.927.844總計(jì)100100100其中Xi=yiM/刀yiM。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量yiM=10.42kg/kmol 。經(jīng)冷凝分離后的氣體組成(亦即放空氣體的組成)如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H，269.78CO440.82CH163.62N2810.29總計(jì)100其中冷凝分離后氣體平均分子量為M m=£yiMi=9.554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對(duì)整個(gè)系

6、統(tǒng)的N作衡算得：5.38B/28 X 1000+0.1029A=2.92(A)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100X 10.42=B+9.554A(B)聯(lián)立(A)、( B)兩個(gè)方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO 摩爾流量為Fco=0.1549A+9.38B/(28 X 1000)將求得的A、B值代入得Fco=4.431 kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器出口處的CO摩爾流量為F' co,q=100X 0.2682+7.2 X 100X 0.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所

7、溶解的CO、CO “、CH和NI總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X 甲/Mm=(785.2-0.02848B)X 0.8915/32=21.25 kmol/h所以，甲醇的全程收率為Y 總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為Y 單=21.25/138.4=15.36%2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3已知在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：式中yco和 y為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率，0.1MPa壓力及700K時(shí)反 應(yīng)速率常數(shù)kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化劑的比表面積為30nVg，堆密度為 1.13g/cm3，試計(jì)算：(1) 以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的

8、速率常數(shù) kV0(2) 以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù) kgo(3) 以分壓表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kgo(4) 以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kc。解：利用(2.10)式及(2.27 )式可求得問(wèn)題的解。注意題中所給比表面的單位 換算成m/m3。2.6下面是兩個(gè)反應(yīng)的T-X圖，圖中AB是平衡曲線，NP是最佳溫度曲線，AM是 等溫線，HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：(1) 是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？(2) 是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？(3) 在等溫線上，A,D,O,E,M點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？(4) 在等轉(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,F及B點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)

9、速率最小？(5) C,R兩點(diǎn)中，誰(shuí)的速率大？(6)根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？解：圖2.1圖2.2(1)可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)(2)放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小。點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小H點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率M點(diǎn)速率最大根據(jù)等速線的走向來(lái)判斷H,M點(diǎn)的速率大小。2.14在Pt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下:(1) A 二=A（2）A： = B二 R（3）B；二 B r若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，

10、除表面反應(yīng)外，其它兩步達(dá)到平衡，描 述如下：以表面反應(yīng)速率方程來(lái)代表整個(gè)反應(yīng)的速率方程：由于二 ABV "將'AB代入上式得： 整理得： 將二A八B八V代入速率方程中其中2.15在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng):化作 2(A) (B2) > 2(R)其反應(yīng)步驟可表示如下：(1) Am A(2) B2 2 二 2B(3) A B = R"二（4） R；：= R 若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其余近似達(dá)到平衡， 寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：整個(gè)反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來(lái)表示：根據(jù)總覆蓋率為1的

11、原則，則有：或整理得：將dab<"r<v代入反應(yīng)速率方程，得：其中3釜式反應(yīng)器3.1在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。 反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反應(yīng)速率常數(shù)等于5.61/mol.min 。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%試問(wèn)：(1) 當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為im時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？(2) 若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m3，,所需的反應(yīng)時(shí)間又是多少？解: ( 1)(2) 因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)間仍為2.83h。3.2擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20

12、 kg/h，使用15%(重量)的NaHCO水溶液及30%(重 量)的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為1:1,混合液的比重為1.02。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下反 應(yīng)速率常數(shù)等于5.21/mol.h ，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%(1) 若輔助時(shí)間為0.5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積；(2) 若裝填系數(shù)取0.75，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解： 氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為80.5,84和62kg/kmol,每小時(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h0.3266 80.591.11kg/h每小時(shí)需氯乙醇：0.95 30%0.3266 84

13、190.2kg/h每小時(shí)需碳酸氫鈉：095 15%原料體積流量：91.11 19 0.2Q0275.81/h1.02氯乙醇初始濃度：0.3266 1000CA01.231mol/lA0 0.95 275.8反應(yīng)時(shí)間:反應(yīng)體積：Vr 二 Qo(t V) = 2758 (2.968 0.5) = 95651= 12751 075-Vr956.5V =(2)反應(yīng)器的實(shí)際體積：f3.8在一個(gè)體積為300l的反應(yīng)器中86E等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過(guò)氧化氫異丙苯溶液分解：生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1,最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9%，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。(1)

14、 如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為15mi n;(2) 如果是全混流反應(yīng)器；(3) 試比較上二問(wèn)的計(jì)算結(jié)果；（4）若過(guò)氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？解：（1）苯酚濃度 C苯酚二 Ca°Xa = 3.2 0.989 = 3.165mol/1苯酚產(chǎn)量 QC苯酚=18.82 3.165 = 5956mol/min = 3359kg/h（2）全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量 QC苯酚=16.02 3.2 0.989 = 5069mol/min = 2859kg/h（3）說(shuō)明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低， 反應(yīng)速度慢的原因。（4）由于該反

15、應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，由上述計(jì)算可知，無(wú)論是間歇反應(yīng)器或全混流反 應(yīng)器，其原料處理量不變，但由于 CAb增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述兩 個(gè)反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.14等溫下進(jìn)行1.5級(jí)液相不可逆反應(yīng)：ABC。反應(yīng)速率常數(shù)等于5mT/kmol 1.5.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為 1.5m3/h，試 分別計(jì)算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%寸所需的反應(yīng)體積：（1）全混流反應(yīng)器；（2） 兩個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)；（3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下， 兩個(gè)全混 流反應(yīng)器串聯(lián)。解：（1）全混流反應(yīng)器（2）兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)由于Vr廠V?所以由上二式得：將Xa

16、2=0.95代入上式，化簡(jiǎn)后試差解得 Xa1=0.8245，所以：3串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：Vr二M二4758m3（3） 此時(shí)的情況同（1），即Vr=18 .°3m3.15原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為 20用的全混流反應(yīng)器，進(jìn)行 液相反應(yīng)：CA,Cr為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，血為D的生成速率。原料中313A的濃度等于 0.1kmol/m，反應(yīng)溫度下,k1=0.1min-，k2=1.25m/kmol.min,試計(jì) 算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：所以：即為：4管式反應(yīng)器4.1在常壓及800r等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列氣相均相反應(yīng):在反應(yīng)條件下

17、該反應(yīng)的速率方程為：式中G及G分別為甲苯及氫的濃度，mol/l，原料處理量為2kmol/h，其中甲苯 與氫的摩爾比等于1。若反應(yīng)器的直徑為50mm試計(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%寸 的反應(yīng)器長(zhǎng)度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過(guò)程， 原料甲苯與氫的摩爾比等于1, 即:CT0 = CH 0，則有：CT = CH = CT0（4 - Xt ）示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中：所以，所需反應(yīng)器體積為：XtVr =Q0CT0 0dXT1 5CTCH麗二 Q0CT0xt dXT0 1 5CT.53 095dXT(1 - 0.95)丄5 -13=0.278 10召喬=0.43293.006m0 15(

18、568"0 ) (1 Xj1.5 1006dXT2=1531 1m所以，反應(yīng)器的長(zhǎng)度為：005 314/44.2根據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇，試計(jì)算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。解：題給條件說(shuō)明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過(guò)程，在習(xí)題3.2中已算出:所以，所需反應(yīng)器體積：由計(jì)算結(jié)果可知，活塞流反應(yīng)器的反應(yīng)體積小，間歇釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積大, 這是由于間歇式反應(yīng)器有輔助時(shí)間造成的。4.8在管式反應(yīng)器中400°C等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化 能等于39.77kJ/mol。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均

19、保持不變的 前提下（采用等溫操作），增產(chǎn)35%請(qǐng)你擬定一具體措施（定量說(shuō)明）。設(shè)氣體 在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：可知，反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下，Q與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，而k又只與反應(yīng)溫度有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。具體 值為： 解此式可得：T2=702.7K。即把反應(yīng)溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35% 4.9根據(jù)習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量, 并比較不同類型反應(yīng)器的計(jì)算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：將已知數(shù)據(jù)代入得：解得：Q3a - 0319m /min，所以苯

20、酚產(chǎn)量為:由計(jì)算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反應(yīng)器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式 反應(yīng)器的產(chǎn)量。但間歇式反應(yīng)器若不計(jì)輔助時(shí)間， 其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同(當(dāng) 然要在相同條件下比較)。4.11根據(jù)習(xí)題3.15所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計(jì)算：(1)所需的反應(yīng)體積；(2)若用兩個(gè)活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積是多少？解：(1)用PFR時(shí)所需的反應(yīng)體積：(2)若用兩個(gè)PFR串聯(lián)，其總反應(yīng)體積與(1)相同。5停留時(shí)間分布與反應(yīng)器流動(dòng)模型5.2用階躍法測(cè)定一閉式流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，得到離開反應(yīng)器的示蹤劑 與時(shí)間的關(guān)系如下：試求：(1) 該反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù) F( 9 )及分布密度

21、函數(shù)E( 9 )。2(2) 數(shù)學(xué)期望二及方差匚二。(3) 若用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？(4) 若用軸相擴(kuò)散模型來(lái)模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？(5) 若在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)k=1min-1，且無(wú)副反 應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解：(1)由圖可知 C(*)=1.0，而 F( 9 )=F(t)=C(t)/ C( oc)，所以:一 旳3t = ° tE(t)dt = 2tdt 二 2.5min =所以：(2) 由于是閉式系統(tǒng)，故一匕/Q ，所以1方差：2(3) 由(5.20 )式可得模型參數(shù)N為：N胡廠一1/0.°1333= 752

22、(4) 由于返混很小，故可用7 71 2 /Pe，所以：(5) 用多釜串聯(lián)模型來(lái)模擬，前已求得N=75,應(yīng)用式(3.50 )即可計(jì)算轉(zhuǎn)化率：t N1 匯 2 5 75Xa 二 1 T心 k )N -1/(1) =0.9145N755.5已知一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)=16texp(-4t),mi n -1，試求：(1) 平均停留時(shí)間；(2) 空時(shí)；(3) 空速；(4) 停留時(shí)間小于1min的物料所占的分率；(5) 停留時(shí)間大于1min的物料所占的分率；(6) 若用多釜串聯(lián)模型擬合，該反應(yīng)器相當(dāng)于幾個(gè)等體積的全混釜串聯(lián)？(7) 若用軸向擴(kuò)散模型擬合，則模型參數(shù) Pe為多少

23、？(8) 若反應(yīng)物料為微觀流體，且進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)為6min-1 ,CA°=1mol/l,試分別采用軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn) 化率，并加以比較；(9) 若反應(yīng)物料為宏觀流體，其它條件與上述相同，試估計(jì)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率， 并與微觀流體的結(jié)果加以比較？解：(1)由(5.20 )式得：(2) 因是閉式系統(tǒng)，所以：(3) 空速為空時(shí)的倒數(shù)，所以：(4)所以，停留時(shí)間小于1min的物料所占的分率為90.84%。(4) 1 一 F二1-°9084=°°916。停留時(shí)間大于imin的物料占9.16%。(5) 先計(jì)算方差：根據(jù)多釜串聯(lián)模型參數(shù)與方差的關(guān)系得：_ 2(6) 因二= °5 ,所