《化学反应工程第五版》朱炳辰课后习题答案Word格式文档下载.docx
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17.81
总计
1.000
100.0
设甲醇的转化率为XA,甲醛的收率为YP,根据(1.3)和(1.5)式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为:
nA=nA0(1-XA)=7.672mol
nP=nA0YP=18.96mol
nC=nA0(XA-YP)=0.7672mol
结合上述反应的化学计量式,水(nW)、氧气(nO)和氮气(nN)的摩尔数分别为:
nW=nW0+nP+2nC=38.30mol
nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788mol
nN=nN0=43.28mol
所以,反应器出口气体组成为:
摩尔数(mol)
摩尔分率%
7.672
6.983
HCHO
18.96
17.26
H2O
38.3
34.87
CO2
0.7672
0.6983
O2
0.8788
0.7999
N2
43.28
39.39
1.1.
2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:
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,可凝组份变为液体即为粗甲醇,不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空,大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
下图是生产流程示意图
原料气Bkg/h粗甲醇Akmol/h
100kmol放空气体
原料气和冷凝分离后的气体组成如下:
(mol)
原料气
冷凝分离后的气体
CO
26.82
15.49
H2
68.25
69.78
1.46
0.82
CH4
0.55
3.62
2.92
10.29
粗甲醇的组成为CH3OH89.15%,(CH3)2O3.55%,C3H9OH1.10%,H2O6.20%,均为重量百分率。
在操作压力及温度下,其余组分均为不凝组分,但在冷凝冷却过程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,CO9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。
若循环气与原料气之比为7.2(摩尔比),试计算:
一氧化碳的单程转换率和全程转化率;
甲醇的单程收率和全程收率。
(1)设新鲜原料气进料流量为100kmol/h,则根据已知条件,计算进料原料气组成以质量分率表示如下:
摩尔质量
yi0(mol%)
Fi0(kmol/h)
质量分率xi0%
28
72.05
2
13.1
44
6.164
16
0.8443
7.844
100
其中xi=yiMi/∑yiMi。
进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=10.42kg/kmol。
经冷凝分离后的气体组成(亦即放空气体的组成)如下:
摩尔分率yi
其中冷凝分离后气体平均分子量为
M’m=∑yiMi=9.554
又设放空气体流量为Akmol/h,粗甲醇的流量为Bkg/h。
对整个系统的N2作衡算得:
5.38B/28×
1000+0.1029A=2.92(A)
对整个系统就所有物料作衡算得:
100×
10.42=B+9.554A(B)
联立(A)、(B)两个方程,解之得
A=26.91kmol/hB=785.2kg/h
反应后产物中CO摩尔流量为
FCO=0.1549A+9.38B/(28×
1000)
将求得的A、B值代入得
FCO=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,可得反应器出口处的CO摩尔流量为
F’CO,0=100×
0.2682+7.2×
0.1549=138.4kmol/h
所以CO的单程转化率为
产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为
粗甲醇中甲醇的量为
(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B)×
0.8915/32=21.25kmol/h
所以,甲醇的全程收率为
Y总=21.25/26.82=79.24%
甲醇的单程收率为
Y单=21.25/138.4=15.36%
2反应动力学基础
2.1解:
利用反应时间与组分A的浓度变化数据,作出CA~t的关系曲线,用镜面法求得t=3.5h时该点的切线,即为水解速率。
切线的斜率为
由(2.6)式可知反应物的水解速率为
2.2解:
是一个流动反应器,其反应速率式可用(2.7)式来表示
故反应速率可表示为:
用XA~VR/Q0作图,过VR/Q0=0.20min的点作切线,即得该条件下的dXA/d(VR/Q0)值α。
VR/Q0min
0.12
0.148
0.20
0.26
0.34
0.45
XA%
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
故CO的转化速率为
2.3解:
利用(2.10)式及(2.28)式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3。
2.4解:
由题中条件知是个等容反应过程,且A和B的初始浓度均相等,即为1.5mol/l,故可把反应速率式简化,得
由(2.6)式可知
代入速率方程式
化简整理得
积分得
解得XA=82.76%。
2.5解:
题中给出450℃时的k2值,而反应是在490℃下,故首先要求出490℃时的k2值。
利用(2.27)试,求出频率因子A:
490℃的Kp值由题给公式计算出
求k1值:
求各组分的分压值:
各组分的分率及分压值为
NH3
10%
pNH3=3MPa
19.06%
pN2=5.718MPa
57.18%
pH2=17.15MPa
Ar+CH4
13.79%
pAr+CH4=4.137MPa
反应速率为:
2.6解:
图2.1图2.2
(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
(6)M点速率最大根据等速线的走向来判断H,M点的速率大小。
2.7解:
从题中可知,反应条件除了温度不同外,其它条件都相同,而温度的影响表现在反应速率常数k上,故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
2.8解:
(1)求出转化率为80%时各组分的分压:
以100mol为基准
x
SO2
SO3
∑
7.0
11.0
82.0
0.80
7(1-0.80)=1.4
11-5.6×
0.5=8.2
5.60
97.2
(2)求与上述组成对应的平衡常数KP值:
(3)求平衡温度Te
(4)利用(2.31)式求逆反应活化能
值
(5)利用(2.31)式求最佳温度TOP
2.9解:
反应物A的消耗速率应为两反应速率之和,即
利用(2.6)式
积分之
2.10解:
以100mol为计算基准,设X为三甲基苯的转化率,Y为生成的甲苯摩尔数。
用物料衡算求出口气体组成:
组分名称
X=0时
X=0.8时
三甲基苯(A)
33.33
33.33(1-X)
氢(B)
66.67
66.67-33.33X-Y
二甲基苯(C)
33.33X-Y
甲烷(D)
33.33X+Y
甲基苯(E)
Y
由题给条件可知,混合气中氢的含量为20%,所以有:
66.67-33.33X-Y=20
解得Y=66.67-33.33×
0.8-20=20.01kmol(甲苯量)
生成的二甲基苯量:
33.33×
0.8-20.01=6.654kmol
生成的甲烷量:
0.8+20.01=46.67kmol
剩余的三甲基苯量:
(1-0.8)=6.666kmol
氢气含量为:
20kmol
故出口尾气组成为:
三甲基苯6.666%,氢气20%,二甲基苯6.654%,甲烷46.67%,甲基苯20.01%。
由题给条件可知,三甲基苯的出口浓度为:
2.11解:
(1)恒容过程,其反应式可表示为:
反应速率式表示为:
设为理想气体,反应物A的初始浓度为:
亚硝酸乙脂的分解速率为:
乙醇的生成速率为:
(2)恒压过程,由于反应前后摩尔数有变化,是个变容过程,由(2.49)式可求得总摩尔数的变化。
由于反应物是纯A,故有:
yA0=1。
由(2.52)式可求得组分的瞬间浓度:
2.12解:
(1)由题意可将反应速率表示为:
对于恒容过程,则有
当XA0=0.8时
(2)对于恒压过程,是个变容反应过程,由(2.49)式可求得总摩尔数的变化
反应物A的原始分率:
由(2.52)式可求得转化率为80%时的浓度:
2.13解:
方法
(1),先求出总摩尔变化数
。
首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率:
总反应速率为:
以一摩尔反应物A为基准,总摩尔变化数为:
初始浓度为:
则有
方法
(2),可将CA表示为:
方法(3),利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性SR,SS,因而可求出产物R及S的收率yR,yS,求得A转化率为85%时的分率:
其中:
2.14解:
根据速率控制步骤及定态近似原理,除表面反应外,其它两步达到平衡,描述如下:
以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程:
由于
将
代入上式得:
整理得:
代入速率方程中
其中
2.15解