【正文】 化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53 化學(xué)反應(yīng)工程答案 話題：化學(xué)反應(yīng)工程答案 計(jì)算方法 反應(yīng)器 1 緒 論 ：進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣 =2： 4： （摩爾比），反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá) 72%，甲醛的收率為 %。試計(jì)算（ 1） （ 1） 反應(yīng)的選擇性；（ 2） （ 2） 反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（ 1）由（ ）式得反應(yīng)的選擇性為：2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O2CH3OH?3O2?2CO2?4H2OS????%（ 2）進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣 =2： 4： （摩爾比）， AP 出口甲醇、甲醛和二 氧 化 碳 的 摩 爾數(shù) nA 、 nP 和 nc 分別為：nA=nA0(1XA)= mol nP=nA0YP= molnC=nA0(XAYP)= mol 結(jié)合上述反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式，水（ nW）、氧氣（ nO）和氮?dú)猓?nN）的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC= mol nO=nO01/2nP3/2nC= mol nN=nN0= mol1. 1. 2 工 業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)如下：CO?2H2?CH3OH2CO?4H2?(CH3)2O?H2O CO?3H2?CH4?H2O4CO?8H2?C4H9OH?3H2OCO?H2O?CO2?H2 由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過(guò)程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應(yīng)后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（ mol）組分 原料氣 冷凝分離后的 氣體 CO H2 CO2 CH4 N2 粗甲醇的組成為 CH3OH %,(CH3)2O %,C3H9OH %,H2O %,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過(guò)程中可部分溶解于粗甲醇中，對(duì) 1kg 粗甲醇而言，其溶解量為 CO2 ,CO ,H2 ,CH4 ,。若循環(huán)氣與原料氣之比為 （ 摩爾比），試計(jì)算：（ 1） （ 1） 一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率； （ 2） （ 2） 甲醇的單程收率和全程收率。 解：（ 1）設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為 100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原料其中 xi=yiiiimiiM ’m=∑yiMi= Akmol/h，粗甲醇的流量為 Bkg/h 。 對(duì) 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 N2 作 衡 算 得 ：1000+= (A) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得： 100=B+ (B) 聯(lián)立（ A）、（ B）兩個(gè)方程，解之得 A=摩爾流量為 FCO=+(281000) 將求得的 A、 B值代入得 FCO= kmol/h 故 CO 的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器出口處的 CO 摩爾流量為 F’ CO,0=100+100= kmol/h 所以 CO 的 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 為FCO,0?FCOXCO???%CO,0X’CO 產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2 、 CO 、 H2 、 CH4 和 N2 總量 D 為FCO,0?FCO???%FCO,?粗甲醇中甲醇的量為(BD)X 甲 /Mm=() 所以，甲醇的全程收率為 Y 總 =單程收率為 Y 單=(????)B?mol/h10002 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 在一體積為 4L的恒容反應(yīng)器中進(jìn)行 A的水解反應(yīng)，反應(yīng)前 A的含量為 %（重量），混合物的密度為 1g/mL，反應(yīng)物 A的分子量為 88。在等溫常壓解：利用反應(yīng)時(shí)間與組分 A的濃度變化數(shù)據(jù)，作出 CA～ t的關(guān)系曲線，用鏡面法求得 t= 時(shí)該點(diǎn)的切線，即為水解速率。 切線的斜率為由（ ）式可知反應(yīng)物的水解速率為 ????器中常壓 300℃ 等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)： CO?3H2?CH4?H2O催化劑體積為 10ml，原料氣中 CO 的含量為 3%，其余為N2,H2 氣體，改變進(jìn)口原料氣流量 Q0 解：是一個(gè)流動(dòng)反應(yīng)器 ， 其 反 應(yīng) 速 率 式 可 用 （ ） 式 來(lái) 表 示rA??dFARFA?FA0(1?XA)?Q0CA0(1?XA)dFA??Q0CA0dXA故反應(yīng)速率可表示為： rA?Q0CA0 用 XA～ VR/Q0 作圖，過(guò)VR/Q0=，即得該條件下的 dXA/d(VR/Q0)值 α。 dXAdXA?CA0RR0??? 故 CO 的轉(zhuǎn)化速率為CA0? FeMg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：式中 yCO和 yCO2 為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率， 700K時(shí)反應(yīng)速率常數(shù) kW 等于。如催化劑的比表面積為 30m2/g，堆密度為， 試 計(jì) 算 ：??kwyCOyCO2kmol/kg?hP??10?4mol/l??10?3?573dXArA?CA0??10?4???10?3mol/(VR/Q0)（ 1） （ 1） 以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù) kV。（ 2） （ 2） 以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù) kg。（ 3） （ 3） 以分壓表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù) kg。（ 4） （ 4） 以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù) kC。解：利用（ ）式及（ ）式可求得問(wèn)題的解。注意題中所給比表面的單位換算成 m2/m3 。(1)kv??bkw??103??(2)kg??bvkw??b?b?30?10?6kmol/??10w3(3)kp?()nkw?()??.(MPa)?(4)kc?()kw?(） ??()() 在等溫下進(jìn)行液相反應(yīng) A+B→C+D，在該條件下 的反應(yīng)速率方程為： 若將 A和 B的初始濃度均為 3mol/l的原料混合進(jìn)行反應(yīng)，求反應(yīng) 4min 時(shí) A的轉(zhuǎn)化率。解：由題中條件知是個(gè)等容反應(yīng)過(guò)程，且 A和 B的初始濃度均相等，即為 ，故可把反應(yīng)速率式簡(jiǎn)化，得 由（ ）式可知 ?d??dCAdXA?CA0(1?XA)???rA????CA0dtdtdt ???(1?XA)?ABmol/l?min 代入速率方程式 CA0 化簡(jiǎn)整理得dXA22?(1?XA)dt 積分得dXA?(1?XA)?解得 XA=%。 氨合成塔入口的氣體組成為 %NH3,%N2,%H2,%Ar及 。該塔是在 30MPa壓力下操作。已知催化劑床層中某處的溫度為 490℃ ，反應(yīng)氣體中氨含量為 10%（ mol），試計(jì)算該處的反應(yīng)速率。在 Fe 催化劑上氨合成反應(yīng)速率式為： X1?XAr??化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53_化學(xué)反應(yīng)工程答案逆反應(yīng)的活化能 ??E??104J/mol 。 450 ℃ 時(shí)2k2?2277m3(MPa)，且 k1/k2?KP， 490℃ 時(shí)， Kp 可按下式計(jì)算：logKp?06 注： m3 為標(biāo)準(zhǔn)立方米。解：題中給出 450℃ 時(shí)的 k2 值，而反應(yīng)是在 490℃ 下，故首先要求出 490℃ 時(shí)的 k2 值。利用（ ） 試 ， 求 出 頻 率 因 子A:??k2?Aexp()????104/?723A?k2exp()?2277/e?5?1016?? 16??104/?723k2?Aexp()??10e??104m3(MPa)℃ 的 Kp值由題給公式計(jì)算出logKp?7?7632????????????????10?2 求 k1 值：K2p?k1 k2 k1?K2kp2 求各組分的分壓值：k1?(?10?2)2??104?33m3(MPa)?2?ipA0XA?Api?1?yA0?AXApi0??iyA0XA?Ayi? , pi?yiP1?yA0?AXAyi0?131－（＋）＝－ 2yA0?% ， ?A＝12?yR0?RyA0XA?AyR?1?yA0???1**XA1?1?*(2)*??? ?yA0?yA0XA1?yA0?()1?*(2)* ?43yH0?yA0XAyH?1?yA0?AXA ?** ＝?*(2)*?yiP 反應(yīng)速率為：r???????104???103m3/() 下面是兩個(gè)反應(yīng)的 TX 圖，圖中 AB 是平衡曲線， NP 是最佳溫度曲線， AM 是等溫線， HB 是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：（ 1） （ 1） 是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？ （ 2） （ 2） 是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？（ 3） （ 3） 在等溫線上，A,D,O,E,M 點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？ （ 4） （ 4） 在等轉(zhuǎn)化率線上， H,C,R,O,F 及 B 點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？（ 5） （ 5） 在 C,R兩點(diǎn)中，誰(shuí)的速率大？（ 6） （ 6） 根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？解： 圖 圖 （ 1）可逆反應(yīng) 可逆反應(yīng) （ 2）放熱反應(yīng) 吸熱反應(yīng) (3)M 點(diǎn)速率最大， A點(diǎn)速率最小 M點(diǎn)速率最大， A 點(diǎn)速率最小 (4)O 點(diǎn)速率 最大， B 點(diǎn)速率最小 H點(diǎn)速率最大， B點(diǎn)速率最小 (5)R點(diǎn)速率大于 C點(diǎn)速率 C點(diǎn)速率大于 R點(diǎn)速率 (6)M點(diǎn)速率最大 根據(jù)等速線的走向來(lái)判斷 H,M 點(diǎn)的速率大小。 在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中，采用 B106 催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得正反應(yīng)活化能為?10J/mol,如果不考慮逆反應(yīng)，試問(wèn)反應(yīng)溫度是 550℃ 時(shí)的速率比反應(yīng)溫度是 400℃ 時(shí)的速率大多少倍？解：從題中可知，反應(yīng)條件除了溫度不同外，其它條件都相同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù) k上，故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來(lái)描述反應(yīng)速率之比。 4r550k550?，在釩催化劑上進(jìn)行 SO2 氧化反應(yīng)，原料氣組成為 7%O2及 82%N2。試計(jì)算轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)的最佳溫度。二氧化硫在釩催化劑上氧化的正反應(yīng)活化能為 ?10J/mol，化學(xué)計(jì)量數(shù)等于 2，反應(yīng)式為： 4Aexp()(?)(?)RT550400550??e??23（倍） Aexp()RT400 其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為：SO2?O2?SO32logKp?應(yīng) ?Hr??10J/mol。解：（ 1）求出轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)各 組分的分壓：4pSO2?PySO2??(MPa)pO2?PyO2?0.1013?(MPa)pSO3?PySO3???10?3(MPa)pN2?PyN2??82/??10?2(MPa)（ 2 ）求與上述組成對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù) KP 值：KP??3???3??3??10??10???(3)求平衡溫度 TelogKp?(4)利用（ ）式求逆反應(yīng)活化能 E值 Te??(5)利用（ ）式求最佳溫度 TOP????44E?E???10???105J/molr2TOP?一恒容反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)： 3r?RA23r?DAe???ln1?ln4(?)?10E?EE 式中 rR,rD分別表示產(chǎn)物 R 及 D 的生成速率。反應(yīng)用的原料為 A 與 B的混合 物，其中 A的濃度為 2kmol/m3，試計(jì)算 A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。解：反應(yīng)物 A的消耗速率應(yīng)為兩 反 應(yīng) 速 率 之 和 ， 即 利用（ ）式2RA?rR?2rD???(1?)? 積分之dC?(1?)dt?(1?X)??AA0????CA0?(?)dCA??ln(1?XA)?ln???11???A0??t?.10 在催化劑上進(jìn)行三甲基苯的氫解反應(yīng)：反應(yīng)器進(jìn)口原料氣組成為 %H2,%三甲基苯。在 523K下等溫反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)器出口三甲基苯的轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)，其混合氣體的氫含量為 20%，試求：（ 1） （ 1） 此時(shí)反應(yīng)器出口的氣體組成。（ 2） （ 2） 若這兩個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程分別為： ?6300CACBkmol/m3?h ?3400CCCBkmol/m3?hC6H3(CH3 ）3?H2?C6H4(CH3)2?CH4C6H4(CH3 ） 2?H2?C6H5CH3?CH4則出口處二甲基苯的生成速率是多少？解：以 100mol 為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè) X為三甲基苯 的轉(zhuǎn)化率， Y為生成的甲苯摩爾數(shù)。（ 1 ） （ 1 ） =20 解得Y==（甲苯量） 生成的二甲基苯量： = 生 成的甲烷量 ：+= 剩余的三甲基苯量： （ ） = 氫氣含量為： 20kmol 故出口尾氣組成為：三甲基苯 %，氫氣 20%，二甲基苯 %，甲烷%，甲基苯 %。（ 2） （ 2） 由題給條件可知，三甲基苯的出口濃度為：pA0?33???10kmol/?10?3?523CA?CA0(1?)??10?3(1?)??10?3kmol/m3 CA0?化學(xué)反應(yīng)工程第五 版 答 案 53_ 化 學(xué) 反 應(yīng) 工 程 答 案?rA?rE?6300CACB?3400CCCB??10?3??10?3kmol/m3CC???10?3??10?3kmol/??1.534?10?3??10?3kmol/???10?3??10?3kmol/ CB??6300??10?3?(?10?3)?3400??10?3?(?10?3)???℃ 等溫下進(jìn)行亞硝酸乙脂的氣相分解反應(yīng)：該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng) ， 反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) 與 溫 度 的 關(guān) 系 為C2H5NO2?NO?CH3CHO?C2H5OH22k??1014exp(??104/T)(s?1)，若反應(yīng)是在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的起始總壓為，采用的是純亞硝酸乙脂，試計(jì)算亞硝酸乙脂分解率為 80%時(shí)，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。 若采用恒壓反