吴元欣版反应工程答案

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1、第一章例题与习题解答例1每100 kg乙烷（纯度100% ）在裂解器中裂解，产生 45.8 kg乙烯，乙烷的单程转化 率为59%，裂解气经分离后，所得到的产物气体中含有4.1kg乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解器。求乙烯的选择性、收率、总收率和乙烷的总转化率。解：以B点的混合气体为计算基准进行计算即得到单程转化率和单程收率，而以对A点的新鲜气体为计算基准进行计算得到全程转化率和全程收率。新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率，单程转化率（反应器进口为基准）；新鲜原料进入反应系统起到离开系统止所达到的转化率，全程转化率（新鲜原料为基准）。现对B点进行计算，设 B点进入裂解器的乙烷为100 kg 。循

2、环新鲜乙烷AB产品由于乙烷的单程转化率为59%，则在裂解器中反应掉的原料乙烷量为H 100 0.59 59kgE点乙烷的循环量Q 100 H 4.1 100 59 4.136.9kgA点补充的新鲜乙烷量为F 100 Q 100 36.963.1kg乙烯的选择性为c 45.8/ 28100%45.8/ 28100% 83.172%SH /3059/30乙烯的单程收率y45.8/ 28100%49.07%100/30乙烯的总收率（摩尔收率）45.8/2845.8/28Y100%100%77.77%F/3063.1/ 30乙烯的总质量收率45.845.8Y100%100% 72.58%F63.1乙烷

3、的总转化率X = 100%= 邑 100% = 93.5%F63.1例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:CO 2H2 CH3OH2CO 4H2(CH)2O H2O)CO 3H2 CH4 H2O4CO 8H2 C4H9OH 3H2OCO H2O CO2 H2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， 可凝组分分离为液体即为粗甲醇，不凝组分如氢及一氧化碳等部分放空， 大部分经循环压缩机压缩后与原料气混合返回合成塔中。下面是生产流程示意图。原料气和冷凝分离后的气体中各组分的摩尔分数如下组

4、成原料气冷凝分离后气体CO26.8215.49H268.2569.78CO 21.460.82CH 40.553.62N22.9210.29粗甲醇中各组分的质量分数分别为CH 3OH 89.15%、（ CH3）20 3.55%、C4H9OH 1.1%、H2O6.2%。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷却冷凝中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 9.82g、CO 9.38g、H2 2.14g、CH 4 2.14g、N2 5.38g。若循环气与原料气之比为7.2 （摩尔比），试计算：（1） 一氧化碳的单程转化率和全程转化率；（2 ）甲醇的单程收率和全程收率。

5、其中为yMJyiM i 10.42kg/kmol。解：组分摩尔质量yi0(mol%)F(kmol/h)质量分率Xi0%质量流量kg/hCO2826.8226.8272.05760.96H2268.2568.2513.1136.5CO 2441.461.466.16464.24CH 4160.550.550.84438.8N2282.922.927.84481.76总计1001001001042.26（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，根据已知条件，计算进料原料气组成如下:yiMi，进料的平均摩尔质量Mm经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下:组分COH2CO 2CH4N2

6、总计摩尔质量Mi282441628摩尔分率yi15.4969.780.823.6210.29100其中冷凝分离后气体平均分子量为M m yM 9.554B kg/h。对整个系统的 N2作衡算得:又设放空气体流量为A kmol/h ，粗甲醇的流量为5.38B/28 1000 0.1029A 2.92(1)对整个系统所有物料进行衡算得：100 10.42= B 9.554A(2)联立(1 )与(2 )两个方程，解之得：A = 26.91 kmol/h,B=785.2 kg/h反应后产物中CO摩尔流量为4.431kmol /hFCO = 0.1549A 9.38B/28 1000故CO的全程转化率为

7、XcoFco ,0FCOF CO,026.82 4.43126.8283.48%由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器进口处的CO摩尔流量为:Fco,0 100 0.26827.2 100 0.1549=138.4kmol/h所以CO的单程转化率为XcoF cO,026.82 4.431138.416.18%产物粗甲醇中所溶解的 CO 2, CO、H2、CH 4和N2总量D为(9.82 9.36 1.762.145.38)B1000=0.02848 B = 22.3624kg/ h粗甲醇中甲醇的量为(B D)x甲/Mm(785.20.02848B) 0.8915/3221.25kmol/h所

8、以，甲醇的全程收率为甲醇的单程收率为21.25总=26.82100%=79.24%21.25138.4100%=15.36%第二章例题习题与解答例1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9.629 x 10J/mol ,如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为550 C时的速率比反应温度为 400 C时的反应速率大多少倍？解：由题可知，反应条件除温度不同外，其它条件均同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可利用反应速率常数之比来描述反应速率之比。i ii i550k550AEXP（ E/RT500）E/R（纭盂）96290/8

9、.314（丽胡ee23 （倍）400k400AEXP （ E/RT400）例2下面是两个反应的 T X关系图，图中HB是等转化率线。根据下面两图回答:线，AB是平衡线,NP是最佳温度曲线，AM 是等温THT(1)(2)(3)(4)(5)(6)解：如下表所示。图1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、0、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、0、F及B点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小? 在C、R两点中，谁的速率大？根据图中所给的十点，判断哪一点速率最大？图1图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，

10、A点速率最小M点速率最大，A点速率最小(4)0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点速率最大需依据等速线的走向来判断H、M点的第三章例题习题与解答例1在一个恒容间歇反应器中进行下列液相反应:A B RrR 1.6cA kmol/（m 3.h）2o2 A DrD 8.2c a kmol/（m 3.h）式中g、g分别表示产物 R和D的生成速率。反应用的原料为A和B的混合物，其中 A的浓度为2kmol/m 3,试计算：（1）A的转化率达到95%时所需要的反应时间。（2） A的转化率为95%时，R的收率是多少？（3 ）若反应温度不变，

11、要求 D的收率达70%，能否办到？（4 ）改用全混流反应器操作，反应温度与原料组成均不变，保持空时与情况的反应时间相同，A的转化率能否达到95%?（5 ）在全混反应器操作时，A的转化率如仍要达到95%，其它条件不变， R的收率是多少？解：（1）反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即2rA rR 2rD1.6cA 16.4c a 1.6ca（1 10.25cA）可写出此条件下A反应速率:dCA1.6cA(1 10.25ca) dt分离变量，积分可得:Ca1.6t律25 ,dCAln(1 Xa) ln10.25cA 1(1Xa)10.25Ca0 1 10.25ca0代入相关数值,可得:t 0.6

12、463/1.6 0.4038h注意：体系中物质浓度影响不同反应的反应速率时，是同时作用的；多个反应存在时，关键反应组分的反应速率是几个反应分支的反应速率叠加。Sr(dCR)/( dCA dtdtdCR1.6CA12dCA1.6CA 16.4CA 1 10.25CaCao(1 Xa)2(1 0.95)0.1CASRdC aC A00.12dCA1 10.25Ca=0.2305kmol/m(3)Sd2 8.2Ca 32.8 (1 Xa)1.6 16.4Ca 34.432.8xaXAf0.95YdSDdx A32.8(1 Xa)34.4 32.8xadxA0.8348 0.7表明D的收率能达到70%

13、(4)对全混流反应器，若t 0.4038h，则有:0.4038 =Cao Ca1.6Ca 16.4Ca2得，CA= 0.4433则，XaCao caCao0.7784 0.95说明该条件下转化率达不到 95%(5)对全混流反应器，若 Xa0.95，则R的收率为：YRSfXAfXAf110.25CA0 (1 XAf )0.951 10.25 2(1 0.95)0.4691思考：针对(3 )、( 4)改成平推流反应器时，其结果又如何?例2在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应3ABP, rp 2cAkmol / (m h)2AQJq0.5cA2kmol / (m3 h)反应开始时A和B的浓度等于2

14、kmol/ m31 ,目的产物为 P,试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。解：因 rA rP 2rQ2Ca20.5Ca22Ca Ca2由间歇反应器的设计方程，反应时间t为tCa dc；AICao 2ca2Ca即t丄ln Cao(2Ca)2Ca(2CA0)（A）3由题给组分A的起始浓度Cao 2kmol / m，反应时间t 3h，代入式（A）可求此时3Q组分 A 的浓度 cA 2.482 10 kmol / m。组分A的转化率为XaCA0CA2 2.482 100.9988CA0即XA = 99.88%。只知道A转化率尚不能确定 P的生成量，因转化的 A既可以转化成P也可能转化成Q。由题

15、给的速率方程知dcpdtdc又 A 2cA cA2，两式相除，有dt2Ca(B)积分得空A1 -Cadcp2cP0dCPCadcACao 1 Ca /2Cp2ln1Cao / 21Ca/2(C)将有关数值代入式（C）得2ln11 2/22.482 103/21.3838kmol / m3所以，P的收率为YpCpCao1.383820.6919例3有如下平行反应：A BP （主反应，P为目的产物）A和B两种物料的初浓度：Ca0 Cb0 1.0mol/l，分别从反应器进口等流量加入,0 3其动力学方程为：rp CaCb . , rsA BS （副反应）0.51.83k2cA cB( mol/m .

16、s)，已知：k1k21，反应转化率Xa 0.9 写出瞬时选择性与转化率 xA间的关系式;计算在全混流反应器中 P的总选择性解:写出瞬时选择性与组分 A的转化率关系表达式S= rP KCaCb=rPrSKCaC0.3k2.cA.5cB.81 匹 ca0.5cB.5k1Ca0.5c1.5B又 Ca0=Cb0，CaCa0(1 Xa)1Ca0(1 Xa)计算在全混流反应器中的总选择性SaP=Saf =1c Af，且C Af = C A0 (1-X Af ) = 0.05SaP =(1+0.05)=0.95例4在一全混流反应器中进行可逆反应kkA QQ进料混合物总体积流量为 1.33 10 m / s，

17、其中不含产物；A、B浓度分别为1400 mol /m和 800 mol / m3。已知 k 1.167 10 4m3 / （mol s）， k 0.5 10 4m3 / （mol s）。反应混合物体积可认为不变。要求B转化率达到0.75，计算所需的反应器有效容积。解 反应动力学方程可写为5 b kcACB kCRCs（A）式中，为配料比,由化学反应的计量关系，有CbCb0(1 Xb )CaCA0CB0 XBCB0(Xb)CRCSCB0X BCA0 / CB0。将上式各浓度表达式代入式（A ），得在要求的出口条件（r bkCB0 (Xb)(1 Xb)2 2kCBXB(B)XBf 0.75)下1.167 1。4 8。2 (瑞 0.75) (1 0.75) 0.5 1。4 8。2 0.75230.672mol/(m s)代入全混流反应器的设计方程，有VrCB0XBfQ0rBf800 0.750.672893(s)43VrQ0 893 1.33 100.119(m )思考题：某一分解反应P XrP2caA SS11XS22 C A已知CA0=1mol/l,且s为目的产品，求（1 ）全混流，（2）平推流，（3）你所设想的最合适的反应器或流程所能获得的最高S1浓度Cs1为多少?