吳元欣版反應(yīng)工程答案

1、第一章例題與習(xí)題解答例1每100 kg乙烷（純度100% ）在裂解器中裂解，產(chǎn)生 45.8 kg乙烯，乙烷的單程轉(zhuǎn)化 率為59%，裂解氣經(jīng)分離后，所得到的產(chǎn)物氣體中含有4.1kg乙烷，其余未反應(yīng)的乙烷返回裂解器。求乙烯的選擇性、收率、總收率和乙烷的總轉(zhuǎn)化率。解：以B點(diǎn)的混合氣體為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算即得到單程轉(zhuǎn)化率和單程收率，而以對(duì)A點(diǎn)的新鮮氣體為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算得到全程轉(zhuǎn)化率和全程收率。新鮮原料通過反應(yīng)器一次所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，單程轉(zhuǎn)化率（反應(yīng)器進(jìn)口為基準(zhǔn)）；新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)止所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，全程轉(zhuǎn)化率（新鮮原料為基準(zhǔn)）。現(xiàn)對(duì)B點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，設(shè) B點(diǎn)進(jìn)入裂解器的乙烷為100 kg 。循

2、環(huán)新鮮乙烷AB產(chǎn)品由于乙烷的單程轉(zhuǎn)化率為59%，則在裂解器中反應(yīng)掉的原料乙烷量為H 100 0.59 59kgE點(diǎn)乙烷的循環(huán)量Q 100 H 4.1 100 59 4.136.9kgA點(diǎn)補(bǔ)充的新鮮乙烷量為F 100 Q 100 36.963.1kg乙烯的選擇性為c 45.8/ 28100%45.8/ 28100% 83.172%SH /3059/30乙烯的單程收率y45.8/ 28100%49.07%100/30乙烯的總收率（摩爾收率）45.8/2845.8/28Y100%100%77.77%F/3063.1/ 30乙烯的總質(zhì)量收率'45.845.8Y100%100% 72.58%F6

3、3.1乙烷的總轉(zhuǎn)化率X = 100%= 邑 100% = 93.5%F63.1例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:CO 2H2 CH3OH2CO 4H2(CH)2O H2O)CO 3H2 CH4 H2O4CO 8H2 C4H9OH 3H2OCO H2O CO2 H2由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過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， 可凝組分分離為液體即為粗甲醇，不凝組分如氫及一氧化碳等部分放空， 大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮后與原料氣混合返回合成塔中。下面是生產(chǎn)流程示意圖。原料氣和冷凝分離后的氣體中各組分的摩爾

4、分?jǐn)?shù)如下組成原料氣冷凝分離后氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO 21.460.82CH 40.553.62N22.9210.29粗甲醇中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為CH 3OH 89.15%、（ CH3）20 3.55%、C4H9OH 1.1%、H2O6.2%。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷卻冷凝中可部分溶解于粗甲醇中，對(duì)1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO 2 9.82g、CO 9.38g、H2 2.14g、CH 4 2.14g、N2 5.38g。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)化率和全程轉(zhuǎn)化率；（2 ）甲醇的單程收率和

5、全程收率。其中為yMJyiM i 10.42kg/kmol。解：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)F°(kmol/h)質(zhì)量分率Xi0%質(zhì)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總計(jì)1001001001042.26（1）設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h ，根據(jù)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原料氣組成如下:yiMi，進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm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CO

6、H2CO 2CH4N2總計(jì)摩爾質(zhì)量Mi282441628摩爾分率yi15.4969.780.823.6210.29100其中冷凝分離后氣體平均分子量為M m yM 9.554B kg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的 N2作衡算得:又設(shè)放空氣體流量為A kmol/h ，粗甲醇的流量為5.38B/28 1000 0.1029A 2.92(1)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有物料進(jìn)行衡算得：100 10.42= B 9.554A(2)聯(lián)立(1 )與(2 )兩個(gè)方程，解之得：A = 26.91 kmol/h,B=785.2 kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為4.431kmol /hFCO = 0.1549A 9.38B/28 100

7、0故CO的全程轉(zhuǎn)化率為XcoFco ,0FCOF CO,026.82 4.43126.8283.48%由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器進(jìn)口處的CO摩爾流量為:F'co,0 100 0.26827.2 100 0.1549=138.4kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為XcoF 'cO,026.82 4.431138.416.18%產(chǎn)物粗甲醇中所溶解的 CO 2, CO、H2、CH 4和N2總量D為(9.82 9.36 1.762.145.38)B1000=0.02848 B = 22.3624kg/ h粗甲醇中甲醇的量為(B D)x甲/Mm(785.20.02848B)

8、0.8915/3221.25kmol/h所以，甲醇的全程收率為甲醇的單程收率為21.25"總=26.82100%=79.24%21.25138.4100%=15.36%第二章例題習(xí)題與解答例1在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中，采用B106催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得正反應(yīng)活化能為9.629 x 10J/mol ,如果不考慮逆反應(yīng)，在反應(yīng)物料組成相同的情況下，試問反應(yīng)溫度為550 C時(shí)的速率比反應(yīng)溫度為 400 C時(shí)的反應(yīng)速率大多少倍？解：由題可知，反應(yīng)條件除溫度不同外，其它條件均同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上，故可利用反應(yīng)速率常數(shù)之比來描述反應(yīng)速率之比。i ii i550k550A

9、EXP（ E/RT500）E/R（紜盂）96290/8.314（麗胡ee23 （倍）400k400AEXP （ E/RT400）例2下面是兩個(gè)反應(yīng)的 T X關(guān)系圖，圖中HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答:線，AB是平衡線,NP是最佳溫度曲線，AM 是等溫THT(1)(2)(3)(4)(5)(6)解：如下表所示。圖1是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？ 是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？在等溫線上，A、D、0、E、M點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？在等轉(zhuǎn)化率線上，H、C、R、0、F及B點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最小? 在C、R兩點(diǎn)中，誰的速率大？根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)，判斷哪一點(diǎn)速率最大？圖1圖2(1)可逆

10、反應(yīng)可逆反應(yīng)(2)放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)(3)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(4)0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(5)R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率(6)M點(diǎn)速率最大需依據(jù)等速線的走向來判斷H、M點(diǎn)的第三章例題習(xí)題與解答例1在一個(gè)恒容間歇反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng):A B RrR 1.6cA kmol/（m 3.h）2o2 A DrD 8.2c a kmol/（m 3.h）式中g(shù)、g分別表示產(chǎn)物 R和D的生成速率。反應(yīng)用的原料為A和B的混合物，其中 A的濃度為2kmol/m 3,試計(jì)算：（1）A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%時(shí)所需要的反應(yīng)時(shí)間。（2） A的轉(zhuǎn)化

11、率為95%時(shí)，R的收率是多少？（3 ）若反應(yīng)溫度不變，要求 D的收率達(dá)70%，能否辦到？（4 ）改用全混流反應(yīng)器操作，反應(yīng)溫度與原料組成均不變，保持空時(shí)與情況的反應(yīng)時(shí)間相同，A的轉(zhuǎn)化率能否達(dá)到95%?（5 ）在全混反應(yīng)器操作時(shí)，A的轉(zhuǎn)化率如仍要達(dá)到95%，其它條件不變， R的收率是多少？解：（1）反應(yīng)物A的消耗速率應(yīng)為兩反應(yīng)速率之和，即2rA rR 2rD1.6cA 16.4c a 1.6ca（1 10.25cA）可寫出此條件下A反應(yīng)速率:dCA1.6cA(1 10.25ca) dt分離變量，積分可得:Ca1.6t律25 ,dCAln(1 Xa) ln10.25cA 1(1Xa)10.25Ca

12、0 1 10.25ca0代入相關(guān)數(shù)值,可得:t 0.6463/1.6 0.4038h注意：體系中物質(zhì)濃度影響不同反應(yīng)的反應(yīng)速率時(shí)，是同時(shí)作用的；多個(gè)反應(yīng)存在時(shí)，關(guān)鍵反應(yīng)組分的反應(yīng)速率是幾個(gè)反應(yīng)分支的反應(yīng)速率疊加。Sr(dCR)/( dCA dtdtdCR1.6CA12dCA1.6CA 16.4CA 1 10.25CaCao(1 Xa)2(1 0.95)0.1CASRdC aC A00.12dCA1 10.25Ca=0.2305kmol/m(3)Sd2 8.2Ca 32.8 (1 Xa)1.6 16.4Ca 34.432.8xaXAf0.95YdSDdx A32.8(1 Xa)34.4 32.8

13、xadxA0.8348 > 0.7表明D的收率能達(dá)到70%(4)對(duì)全混流反應(yīng)器，若t 0.4038h，則有:0.4038 =Cao Ca1.6Ca 16.4Ca2得，CA= 0.4433則，XaCao caCao0.7784 < 0.95說明該條件下轉(zhuǎn)化率達(dá)不到 95%(5)對(duì)全混流反應(yīng)器，若 Xa0.95，則R的收率為：YRSfXAfXAf110.25CA0 (1 XAf )0.951 10.25 2(1 0.95)0.4691思考：針對(duì)(3 )、( 4)改成平推流反應(yīng)器時(shí)，其結(jié)果又如何?例2在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)3ABP, rp 2cAkmol / (m h)2

14、AQJq0.5cA2kmol / (m3 h)反應(yīng)開始時(shí)A和B的濃度等于2kmol/ m31 ,目的產(chǎn)物為 P,試計(jì)算反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)A的轉(zhuǎn)化率和P的收率。解：因 rA rP 2rQ2Ca20.5Ca22Ca Ca2由間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程，反'應(yīng)時(shí)間t為tCa dc；AICao 2ca2Ca即t丄ln Cao(2Ca)2Ca(2CA0)（A）3由題給組分A的起始濃度Cao 2kmol / m，反應(yīng)時(shí)間t 3h，代入式（A）可求此時(shí)3Q組分 A 的濃度 cA 2.482 10 kmol / m。組分A的轉(zhuǎn)化率為XaCA0CA2 2.482 100.9988CA0即XA = 99.88%。

15、只知道A轉(zhuǎn)化率尚不能確定 P的生成量，因轉(zhuǎn)化的 A既可以轉(zhuǎn)化成P也可能轉(zhuǎn)化成Q。由題給的速率方程知dcpdtdc又 A 2cA cA2，兩式相除，有dt2Ca(B)積分得空A1 -Cadcp2cP0dCPCadcACao 1 Ca /2Cp2ln1Cao / 21Ca/2(C)將有關(guān)數(shù)值代入式（C）得2ln11 2/22.482 103/21.3838kmol / m3所以，P的收率為YpCpCao1.383820.6919例3有如下平行反應(yīng)：A BP （主反應(yīng)，P為目的產(chǎn)物）A和B兩種物料的初濃度：Ca0 Cb0 1.0mol/l，分別從反應(yīng)器進(jìn)口等流量加入,0 3其動(dòng)力學(xué)方程為：rp Ca

16、Cb . , rsA BS （副反應(yīng)）0.51.83k2cA cB( mol/m .s)，已知：k1k21，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率Xa 0.9 寫出瞬時(shí)選擇性與轉(zhuǎn)化率 xA間的關(guān)系式;計(jì)算在全混流反應(yīng)器中 P的總選擇性解:寫出瞬時(shí)選擇性與組分 A的轉(zhuǎn)化率關(guān)系表達(dá)式S= rP KCaCb=rPrSKCaC0.3k2.cA.5cB.81 匹 ca0.5cB.5k1Ca0.5c1.5B又 Ca0=Cb0，CaCa0(1 Xa)1Ca0(1 Xa)計(jì)算在全混流反應(yīng)器中的總選擇性SaP=Saf =1c Af，且C Af = C A0 (1-X Af ) = 0.05SaP ="(1+0.05)=0.95例

17、4在一全混流反應(yīng)器中進(jìn)行可逆反應(yīng)kk'A QQ進(jìn)料混合物總體積流量為 1.33 10 m / s，其中不含產(chǎn)物；A、B濃度分別為1400 mol /m和 800 mol / m3。已知 k 1.167 10 4m3 / （mol s）， k' 0.5 10 4m3 / （mol s）。反應(yīng)混合物體積可認(rèn)為不變。要求B轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.75，計(jì)算所需的反應(yīng)器有效容積。解 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可寫為5 b kcACB k'CRCs（A）式中，為配料比,由化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系，有CbCb0(1 Xb )CaCA0CB0 XBCB0(Xb)CRCSCB0X BCA0 / CB0。將上式各濃度表達(dá)式代入式（A ），得在要求的出口條件（r bkCB0 (Xb)(1 Xb)2 2k&