朱炳辰-化学反应工程第五版Word文档下载推荐.doc
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空气
4/（2+4+1.3）=0.5479
54.79
水
1.3/（2+4+1.3）=0.1781
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
冷凝分离
合成
原料气Bkg/h粗甲醇Akmol/h
循环压缩
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在一体积为4L的恒容反应器中进行A的水解反应，反应前A的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL，反应物A的分子量为88。
在等温常压下不断取样分析，测的组分A的浓度随时间变化的数据如下：
反应时间（h）
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
CA（mol/L）
0.9
0.61
0.42
0.28
0.17
0.12
0.08
0.045
0.03
试求反应时间为3.5h的A的水解速率。
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在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：
催化剂体积为10ml，原料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变进口原料气流量Q0进行实验，测得出口CO的转化率为：
Q0（ml/min）
83.3
67.6
50.0
38.5
29.4
22.2
X（%）
20
30
40
50
60
70
试求当进口原料气体流量为50ml/min时CO的转化速率。
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
0.148
0.20
0.26
0.34
0.45
XA%
20.0
30.0
40.0
60.0
70.0
故CO的转化速率为
2.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：
式中yCO和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。
如催化剂的比表面积为30m2/g，堆密度为1.13g/cm3，试计算：
以反应体积为基准的速率常数kV。
以反应相界面积为基准的速率常数kg。
（3）（3）
以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。
（4）（4）
以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。
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在等温下进行液相反应A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：
若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的转化率。
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氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。
该塔是在30MPa压力下操作。
已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol），试计算该处的反应速率。
在Fe催化剂上氨合成反应速率式为：
逆反应的活化能。
450℃时，且，490℃时，Kp可按下式计算：
注：
m3为标准立方米。
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下面是两个反应的T-X图，图中AB是平衡曲线，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：
是可逆反应还是不可逆反应？
是放热反应还是吸热反应？
在等温线上，A,D,O,E,M点中哪一点速率最大，哪一点速率最小？
在等转化率线上，H,C,R,O,F及B点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？
（5）（5）
在C,R两点中，谁的速率大？
（6）（6）
根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？
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
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