吳元欣版反應工程答案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——吳元欣版反應工程答案第一章例題與習題解答

例1

每100kg乙烷（純度100%）在裂解器中裂解，產(chǎn)生45.8kg乙烯，乙烷的單程轉(zhuǎn)化率為59%，裂解氣經(jīng)分開后，所得到的產(chǎn)物氣體中含有4.1kg乙烷，其余未反應的乙烷返回裂解器。求乙烯的選擇性、收率、總收率和乙烷的總轉(zhuǎn)化率。

解：以B點的混合氣體為計算基準進行計算即得到單程轉(zhuǎn)化率和單程收率，而以對A點的新鮮氣體為計算基準進行計算得到全程轉(zhuǎn)化率和全程收率。

新鮮原料通過反應器一次所達到的轉(zhuǎn)化率，單程轉(zhuǎn)化率（反應器進口為基準）；新鮮原料進入反應系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)止所達到的轉(zhuǎn)化率，全程轉(zhuǎn)化率（新鮮原料為基準）。

現(xiàn)對B點進行計算，設(shè)B點進入裂解器的乙烷為100kg。

循環(huán)●E新鮮乙烷●●裂解器分開器產(chǎn)品AB由于乙烷的單程轉(zhuǎn)化率為59%，則在裂解器中反應掉的原料乙烷量為

H?100?0.59?59kg

E點乙烷的循環(huán)量

Q?100?H?4.1?100?59?4.1?36.9kg

A點補充的新鮮乙烷量為

F?100?Q?100?36.9?63.1kg

乙烯的選擇性為

45.8/2845.8/28S??100%??100%?83.172%

H/3059/30乙烯的單程收率

y?45.8/28?100%?49.07%

100/30乙烯的總收率（摩爾收率）

Y?45.8/2845.8/28?100%??100%?77.77%F/3063.1/30乙烯的總質(zhì)量收率

Y'?45.845.8?100%??100%?72.58%F63.1乙烷的總轉(zhuǎn)化率X＝H59?100%＝?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，其主副反應如下：

CO?2H2?CH3OH

2CO?4H2?（CH3）2O?H2O）CO?3H2?CH4?H2O

4CO?8H2?C4H9OH?3H2O

CO?H2O?CO2?H2

由于化學平衡的限制，反應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，即將反應后的氣體冷卻，可凝組分分開為液體即為粗甲醇，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。

合成原料氣冷凝分開粗甲醇放空循環(huán)壓縮

冷凝分開后氣體

15.4969.780.823.6210.29

原料氣和冷凝分開后的氣體中各組分的摩爾分數(shù)如下

組成原料氣

COH2CO2CH4N2

26.8268.251.460.552.92

粗甲醇中各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為CH3OH89.15%、（CH3）2O3.55%、C4H9OH1.1%、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1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO29.82g、CO9.38g、H22.14g、CH42.14g、N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計算：（1）一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率；（2）甲醇的單程收率和全程收率。解：

（1）設(shè)新鮮原料氣進料流量為100kmol/h，根據(jù)已知條件，計算進料原料氣組成如下：

組分

摩爾質(zhì)量

yi0(mol%)

Fi0(kmol/h)

質(zhì)量分率xi0%

質(zhì)量流量kg/h

COH2CO2CH4N2總計282441628

ii26.8268.251.460.552.9210026.8268.251.460.552.92100

m72.0513.16.1640.84437.844100760.96136.564.248.881.761042.26

其中xi?yiMi/?yM，進料的平均摩爾質(zhì)量M??yiMi?10.42kg/kmol。

CH4163.62

N22810.29

總計100

經(jīng)冷凝分開后的氣體組成，亦即放空氣體的組成如下：

組分COH2CO2摩爾質(zhì)量Mi28244摩爾分率yi15.4969.780.82其中冷凝分開后氣體平均分子量為

'Mm??yiMi?9.554

又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N2作衡算得：

5.38B/28?1000?0.1029A?2.92（1）

對整個系統(tǒng)所有物料進行衡算得：100?10.42＝B?9.554A（2）

聯(lián)立（1）與（2）兩個方程，解之得：

A＝26.91kmol/h,B=785.2kg/h

反應后產(chǎn)物中CO摩爾流量為

FCO＝0.1549A?9.38B/28?1000?4.431kmol/h

故CO的全程轉(zhuǎn)化率為

xCO?FCO,0?FCO26.82?4.431??83.48%

FCO,026.82由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應器進口處的CO摩爾流量為：

F'co,0?100?0.2682?7.2?100?0.1549＝138.4kmol/h

所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為

x'CO?FCO,0?FCO26.82?4.431??16.18%

F'CO,0138.4產(chǎn)物粗甲醇中所溶解的CO2，CO、H2、CH4和N2總量D為

（9.82?9.36?1.76?2.14?5.38）BD＝＝0.02848B＝22.3624kg/h

1000粗甲醇中甲醇的量為

(B?D)x甲/Mm?(785.2?0.02848B)?0.8915/32?21.25kmol/h

所以，甲醇的全程收率為

y總＝甲醇的單程收率為

21.25?100%＝79.24%26.8221.25?100%＝15.36%138.4y單＝

其次章例題習題與解答

例1

在進行一氧化碳變換反應動力學研究中，采用B1

催化劑進行試驗，測得正反應活化能

為9.629×104J/mol，假使不考慮逆反應，在反應物料組成一致的狀況下，試問反應溫度為550℃時的速率比反應溫度為400℃時的反應速率大多少倍？解：

由題可知，反應條件除溫度不同外，其它條件均同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應速率常數(shù)k上，故可利用反應速率常數(shù)之比來描述反應速率之比。

E/R(?)96290/8.314(?)r550k550AEXP(?E/RT500)T400T550673823???e?e?23(倍)r400k400AEXP(?E/RT400)1111例2

下面是兩個反應的T－X關(guān)系圖，圖中AB是平衡線，NP是最正確溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回復：

NADHABBFOEPMTMTDRCHXCREOF（1）（2）（3）（4）（5）（6）解：

如下表所示。圖1（1）可逆反應（2）放熱反應（3）M點速率最大，A點速率最?。?）O點速率最大，B點速率最?。?）R點速率大于C點速率（6）

M點速率最大

圖1圖2

是可逆反應還是不可逆反應？是放熱反應還是吸熱反應？

在等溫線上，A、D、O、E、M點中，哪一點速率最大，哪一點速率最?。?/p>

在等轉(zhuǎn)化率線上，H、C、R、O、F及B點中，哪一點速率最大，哪一點速率最小？在C、R兩點中，誰的速率大？

根據(jù)圖中所給的十點，判斷哪一點速率最大？

X圖2可逆反應吸熱反應

M點速率最大，A點速率最小H點速率最大，B點速率最小C點速率大于R點速率

需依據(jù)等速線的走向來判斷H、M點的

速率大小

第三章例題習題與解答

例1

在一個恒容間歇反應器中進行以下液相反應：

A?B???R

rR?1.6cAkmol/(m3.h)

2A???DrD?8.2c2Akmol/(m3.h)

式中rR、rD分別表示產(chǎn)物R和D的生成速率。反應用的原料為A和B的混合物，其中A的濃度為2kmol/m3，試計算：

（1）A的轉(zhuǎn)化率達到95%時所需要的反應時間。

（2）A的轉(zhuǎn)化率為95%時，R的收率是多少?

（3）若反應溫度不變，要求D的收率達70%，能否辦到?

（4）改用全混流反應器操作，反應溫度與原料組成均不變，保持空時與①狀況的反應時間一致，A的轉(zhuǎn)化率能否達到95%?

（5）在全混反應器操作時，A的轉(zhuǎn)化率如仍要達到95%，其它條件不變，R的收率是多少?

解：（1）

反應物A的消耗速率應為兩反應速率之和，即

rA?rR?2rD?1.6cA?16.4c2A?1.6cA(1?10.25cA)

可寫出此條件下A反應速率：

－分開變量，積分可得：

cAdcA?1.6cA(1?10.25cA)dt1.6t?cA0??(110.25?)dcA??ln(1?xA)?ln[cA10.25cA?1(1?xA)?110.25c