《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案.docx
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《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案
第一章
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
进入反应器的原料气中，甲醇：
空气：
水蒸气=2：
4：
1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算
（1）
（1） 反应的选择性；
（2）
（2） 反应器出口气体的组成。
解：
（1）由（1.7）式得反应的选择性为：
（2）进入反应器的原料气中，甲醇：
空气：
水蒸气=2：
4：
1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为
组分
摩尔分率yi0
摩尔数ni0（mol）
CH3OH
2/（2+4+1.3）=0.2740
27.40
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：
组分
摩尔数（mol）
摩尔分率%
CH3OH
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）
组分
原料气
冷凝分离后的气体
CO
26.82
15.49
H2
68.25
69.78
CO2
1.46
0.82
CH4
0.55
3.62
N2
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：
（1）
（1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率；
（2）
（2） 甲醇的单程收率和全程收率。
解：
（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：
组分
摩尔质量
yi0（mol%）
Fi0（kmol/h）
质量分率xi0%
CO
28
26.82
26.82
72.05
H2
2
68.25
68.25
13.1
CO2
44
1.46
1.46
6.164
CH4
16
0.55
0.55
0.8443
N2
28
2.92
2.92
7.844
总计
100
100
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：
组分
摩尔质量
摩尔分率yi
CO
28
15.49
H2
2
69.78
CO2
44
0.82
CH4
16
3.62
N2
28
10.29
总计
100
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+7.2×100×0.1549=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
N2
19.06%
pN2=5.718MPa
H2
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
O2
SO3
N2
∑
0
7.0
11.0
0
82.0
100.0
0.80
7（1-0.80）=1.4
11-5.6×0.5=8.2
5.60
82.0
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。
（1）
（1） 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）
0
33.33X-Y
甲烷（D）
0
33.33X+Y
甲基苯（E）
0
Y
∑
100.0
100.0
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：
33.33×0.8+20.01=46.67kmol
剩余的三甲基苯量：
33.33×（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%。
（2）
（2） 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：
乙醇的生成速率为：
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：
将代入速率方程中
其中
2.15解：
根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应步骤外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达式：
整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示：
根据总覆盖率为1的原则，则有：
或
整理得：
将代入反应速率方程，得：
其中
2.17解：
根据题意，假设反应步骤如下：
并假设第二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程：
其余的两步可认为达到平衡，则有：
由于，有：
将代入速率式，得：
式中。
故上述假定与题意符
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