李绍芬版反应工程答案.docx
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李绍芬版反应工程答案
1绪论
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2CH3OHO22HCH02H2O
2CH3OH3O22CO24H2O
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：
SY06290.961196.11%
X0.720
（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ni°（mol）
CHOH
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、m和nc分别为：
n=nA0（1-Xa）=7.672mol
np=na0Yp=18.96mol
n（=na0（Xa-Yp）=0.7672mol
结合上述反应的化学计量式，水（nv）氧气（n。
）和氮气（nN）的摩尔数分别为：
nw=nw+np+2nC=38.30mol
nc=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%
CHOH
7.672
6.983
HCHC
）18.96
17.26
HO
38.3
34.87
CO
0.7672
0.6983
O
0.8788
0.7999
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：
CO2H2CH3OH
2C04H2（CH3）2OH2O
CO3H2CH4H20
4C08H2C4H9OH3H2O
COH2OCO2h2
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
Akmol/
Bkg/h粗甲醇
循环压缩
lOOkmol
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
68.25
69.78
CO
1.46
0.82
CH
0.55
3.62
N
2.92
10.29
粗甲醇的组成为CHOH89.15%,（CH02O3.55%,CaH）OH1.10%,HO
6.20%,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CO9.82g,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
yio（mol%）
Fi0（kmol/h）
质量分率Xi0%
CO
28
26.82
26.82
72.05
2
68.25
68.25
13.1
CO
44
1.46
1.46
6.164
CH
16
0.55
0.55
0.8443
28
2.92
2.92
7.844
总计
100
100
100
其中Xi二yiM/刀yiM。
进料的平均摩尔质量Mm=EyiM=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
CO
44
0.82
CH
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
Mm=EyiM=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/28X1000+0.1029A=2.92（A）
对整个系统就所有物料作衡算得：
100X10.42二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/（28X1000）
将求得的AB值代入得
Fco=4.431kmol/h
故CO的全程转化率为
XcoFco：
FcoZb.8?
学3583.48%
Fco,026.82
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
Fco,0=100X0.2682+7.2X100X0.1549=138.4kmol/h
所以CO的单程转化率为
乂’―FCO26.824.4351618%
XCOFco,0138.416.18%
产物粗甲醇所溶解的CO、COH2、CH和Nb总量D为
（9.829.381.762.145.38）B
1000
D0.02848Bkmol/h
X0.8915/32=21.25kmol/h
粗甲醇中甲醇的量为
（B-D）X甲/Mn=（785.2-0.02848B）
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
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
（h）
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。
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
-0760.125mol/l.h
6.1
由（2.6）式可知反应物的水解速率为
dCA
dt
0.125mol/l.h
2.2在一管式反应器中常压300C等温下进行甲烷化反应：
CO3H2CH4H2O
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Q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。
解：
是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示
dFA
rA-
dVR
F-F-o（1X-）Q°Cao（1X-）
dF-
QoCAodX
故反应速率可表示为:
Q0CA0
dX-
dVR
C-o
dX-
dS/Q。
）
0.650.04
0.34
1.79
用人〜Vr/Q。
作图，过V/Q°=0.20min的点作切线，即得该条件下的dX/d（Vr/Qo）值a。
VJQomin
0.12
0.148
0.20
0.26
0.34
0.45
X%
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
故CO的转化速率为
C-0
巳0
RT
83^备6-38104mol/l
C-0
dX-
d（VR/Q。
）
4
6.38101.79
3
1.1410mol/l.min
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:
kwyCOTycO^kmol/kgh
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30n1/g，堆密度为1.13g/cm3，试计算：
（1）
（1）以反应体积为基准的速率常数kV。
（2）
（2）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。
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nVm3。
（1）kvbkw1.131030.053560.46kmol/m3.h
（3）kp
（吉）"kw
—kb30103w
（1）0.45
'0.1013丿
1.78106kmol/m2.h
0.05350.1508
kmol
kg.h.（MPa）0.45
33
（4）kc（RT）nkw（8.31700）0.450.05350.333（爲）0.45（册）
2.4在等温下进行液相反应A+「C+D在该条件下的反应速率方
程为：
rA0.8CA.5cB.5mol/lmin
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。
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
rA0.8CA.5cB.50.8CA0.8CA0（1Xa）2
由（2.6）式可知
dCA
rA
代入速率方程式
C-Xa
A0dt
化简整理得
dXA
dCa°（1Xa）
2
0.8Ca0（1
dt
Xa）2
（1Xa）
积分得
0.8CA0dt
0.8CA0t
1
解得Xa=82.76%o
Xa
Xa
cdXA
CA0-dT
2.5氨合成塔入口的气体组成为
3.5%NH20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH。
该塔是在30MPa压力
下操作。
已知催化剂床层中某处的温度为490C，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：
r
逆反应的
4
17.5810J/mol
k2
kmol/m3h
450
k22277m3（MPa）0.5/m3h，且kfk?
Kp,490c时，Kp可按下式
计算：
logKp2047.8/T2.4943logT1.256104T1.8564107T23.206
注：
m为标准立方米。
解：
题中给出450C时的k2值，而反应是在490C下，故首先要
求出490C时的k2值。
利用（2.27）试，求出频率因子A:
su
k2Aexp（R^）
su
Ak2exp（RT）2277/e1L58104/a3147231.1451016
su
k2Aexp（RT）1.1451016e17.58104/8.3147231.055104m3（MPa）0.5/m3.h
490C的Kp值由题给公式计算出
logKp2047.8/7632.4943log7631.2561047631.85641077632
3.206
1.2524
Kp5.592102
求k1值:
K；
k1k2
k1©2
k1
（5.592
2243153
10）1.0551033m（MPa）./m.h
求各组分的分压值：
訓2|H2nh
Pi
pi0pA0XA
A
1yA0AXA
yi
yi0yA0XA
A
1yA0AXa
PiyiP
yR
0.10
1
20.87%,a=——
yR0yA0XA
A
1yA0AXA
10.035-
1
2
*0.2087*Xa
10.2087*（-2）*XA
45.914XA6.5
XayA
0.1416
yaoyaoxa
1yA0AXA
0.2087（1-0.1416）
10.2087*（-2）*0.1416
0.1904
yH
yH0/皿
1yA0AXA
陛心迺卫*0.5716
10.2087*（-2）*0.1416
PiyiP
各组分的分率及分压值为
NH
10%
pNH3=3MPa
N
19.06%
pN2=5.718MPa
H
57.18%
pH=17.15MPa
Ar+CH4
13.79%
pAr+CH4=4.137MPa
反应速率为:
r
k2
33.05.718
仃.151.5
3
1.055104
3
17.151.5
3333
4.02310m/mcat.h（179.6kmol/mcat.h）
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：
图2.2
可逆反应
吸热反应
M点速率最大，A点速
H点速率最大，B点速
C点速率大于R点速
根据等速线的走向来
（1）
（1）是可逆反应还是不可逆反应？
（2）
（2）是放热反应还是吸热反应？
（3）（3）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？
（4）（4）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？
解：
图2.1
（1）可逆反应
（2）放热反应
（3）M点速率最大，A点速率最小率最小
（4）O点速率最大，B点速率最小率最小
（5）R点速率大于C点速率
率
（6）M点速率最大判断H,M点的速率大小。
2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为9.629104J/mol,如果不考虑逆反应，试问反应温度是550C时的速率比反应温度是400C时的速率大
多少倍？
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。
「550k550
「400k400
Aexp（J
RT550
E（L）
亠RT400T550
e
96290（11）
e^（673823）23（倍）
2.8常压下，在钒催化剂上进行SQ氧化反应，原料气组成为7%O
及82%N1试计算转化率为80%寸的最佳温度。
二氧化硫在钒催化剂
上氧化的正反应活化能为9.211104J/mol，化学计量数等于2,反应式为：
SO?
就
SO3
其平衡常数与温度的关系为:
logKp4905.5/Te4.6455
Ps°2
PySO2
0.1013
1.4/97.2
3
1.4610（MPa）
Po2
Py°2
0.1013；
8.2/97.2
8.55103（MPa）
PSO3
PySO3
0.1013
5.6/97.2
5.84103（MPa）
pN2
PyN2
0.1013
82/97.2
8.55102（MPa）
（2）求与上述组成对应的平衡常数Kp值:
3
Kp
PSO3
Pso2po2
5.8410
330.5
1.46108.5510
43.26
该反应的热效应Hr9.629104J/mol。
解：
（1）求出转化率为80%寸各组分的分压:
以100mol为基准
x
SO
Q
SQ
N2
0
7.0
11.0
0
82.0
100.0
0.80
7（1-0.80）=1.4
11-5.6X0.5=8.2
5.60
82.0
97.2
（3）求平衡温度Te
logKp4905.5/Te4.6455
Te
4905.5
6.282
780.9K
利用（2.31）式求逆反应活化能E值
EuE上9.2111041-403105j/mo1
（5）利用（2.31）式求最佳温度Top
Top
Tesu
1sRTErInUrEEE
780.9
8.314780.9|n14.03（14.039.211）1049.211
739.004K
2.9
在一恒容反应器中进行下列液相反应:
3
ABrrR1.6CAkmol/mh
2AdrD8.2C：
kmol/m3h
式中rp,rd分别表示产物R及D的生成速率。
反应用的原料为A与B
3
的混合物，其中A的浓度为2kmol/m，试计算A的转化率达到95%寸所需的反应时间。
解：
反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即
RArR2rD1.6CA
利用（2.6）式
dCA
积分之
1.6Ca（1
16.4CA1.6Ca（110.25CA）
10.25CA）
1.6t
Ca
CA0
CA
10.25
10.25CA
1）dCA
ln（1XA）ln
（1XA丄氐
1
10.25Ca0
t0.6463/1.60.4038h
2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应:
C6H3（CH3）3H2
C6H4（CH3）2CH4
C6H4（CH3）2H2
C6H5CH3
CH
反应器进口原料气组成为66.67%H,33.33%三甲基苯。
在0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化率为80%寸，其混合
气体的氢含量为20%试求：
（1）
（1）此时反应器出口的气体组成。
（2）
（2）若这两个反应的动力学方程分别为:
rA6300CAC；kmol/m3hrE3400CcCB.5kmol/m3h则出口处二甲基苯的生成速率是多少?
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=66.67-33.33x0.8-20=20.01kmol（甲苯量）
生成的二甲基苯量：
33.33x0.8-20.0仁6.654kmol
生成的甲烷量：
33.33x0.8+20.0仁46.67kmol
剩余的三甲基苯量：
33.33x（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：
CA0
Pao
RT
0.10.3333
8.314103523
7.669103kmol/m3
CACA0（1
0.8）7.669103（10.8）1.534103kmol/m3
0.20
1.534
10
3
4.610
3kmol/m3
0.06666
0.06654
0.06666
1.534
10
3
1.532
10
3kmol
/3
/m
0.4667
0.06666
1.534
10
3
1.074
10
3kmol
/m
02001
1.534
10
3
4.603
10
3kmol
/m
CB
CC
CD
Ce
0.06666
RCrArE6300CacB.53400CccB.5
63001.534103（4.6103）°534001.532103（4.6103）°5
0.65550.35330.3022kmol/m3.h
2.11在210C等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：
C2H5NO2NO^HsCHO2C2H5OH
该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为
1441
kh3910exp（1.89710/T）（s），若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%寸，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。
若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？
解：
（1）恒容过程，其反应式可表示为：
ABJC2D
反应速率式表示为：
rAkCA
kCA0（1
设为理想气体，反应物
XA）
A的初始浓度为:
CA0
PyA0
RT
8.314器4832・523102mol/l
XA）
14
rAkCA0（1XA）1.3910exp（18973/T）Ca°（1
1.391014exp（18973/483）2.523102（100.8）6.112106mol/l.s亚硝酸乙脂的分解速率为：
RArA6.112106mol/l.s
乙醇的生成速率为：
Rd^rA3.056106mol/l.s
2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，
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