理學(xué)]化學(xué)反應(yīng)工程第五版課后答案(已修改)

　

【正文】 1 緒 論 在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)： 3 2 22 C H OH O 2 HC HO 2 H O? ? ? 3 2 2 22 C H OH 3 O 2 C O 4 H O? ? ? 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： 0 . 6 2 9YS 0 . 9 6 1 1 9 6 . 1 1 %X 0 . 7 2 0? ? ? ? （ 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），當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料量為 100mol 時(shí)，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為 組分 摩爾分率 yi0 摩爾數(shù) ni0(mol) CH3OH 2/（ 2+4+） = 空氣 4/（ 2+4+） = 水 （ 2+4+） = 總計(jì) 設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為 XA，甲醛的收率為 YP，根據(jù)（ ）和（ ）式可得反應(yīng)器出口甲醇、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= mol nC=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= mol 所以，反應(yīng)器出口氣體組成為： 組分 摩爾數(shù)（ mol） 摩爾分率 % CH3OH HCHO H2O CO2 O2 N2 1. 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： 23C O 2 H C H OH?? 2 3 2 22 C O 4 H ( C H ) O H O? ? ? 2 4 2C O 3 H C H H O? ? ? 2 4 9 24 C O 8 H C H OH 3 H O? ? ? 2 2 2C O H O C O H? ? ? 由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過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)壓縮機(jī)后與原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流程示意圖 原料氣 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 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)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下： 組分 摩爾質(zhì)量 yi0(mol%) Fi0(kmol/h) 質(zhì)量分率 xi0% CO 28 H2 2 CO2 44 CH4 16 N2 28 總計(jì) 100 100 100 其中 xi=yiMi/∑ yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量 Mm=∑ yiMi=。 經(jīng)冷凝分離后的氣體組成（亦即放空氣體的組成）如下： 組分 摩爾質(zhì)量 摩爾分率 yi CO 28 循環(huán)壓縮 合成 冷凝分離 H2 2 CO2 44 CH4 16 N2 28 總計(jì) 100 其中冷凝分離后氣體平均分子量為 M’m=∑ yiMi= 又設(shè)放空氣體流量為 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=反應(yīng)后產(chǎn)物中 CO摩爾流量為 FCO=+(28 1000) 將求得的 A、 B 值代入得 FCO= kmol/h 故 CO 的全程轉(zhuǎn)化率為 CO , 0 COCOCO , 0FF 26 .8 2 4. 43 5X 83 .4 8%F 26 .8 2? ?? ? ? 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 CO , 0 CO39。 COCO , 0FF 26 .8 2 4. 43 5X 16 .1 8%F 13 8. 4? ?? ? ? 產(chǎn)物粗甲醇所溶解的 CO CO、 H CH4和 N2總量 D 為 ( 9 . 8 2 9 . 3 8 1 . 7 6 2 . 1 4 5 . 3 8 ) BD 0 . 0 2 8 4 8 B k m o l / h1000? ? ? ??? 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 =甲醇的單程收率為 Y 單 = 2 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。在等溫常壓下不斷取樣分析，測(cè)的組分 A的濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如下： 反應(yīng)時(shí)間（ h） CA(mol/L) 試求反應(yīng)時(shí)間為 的 A 的水解速率。 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 0 . 7 6 0 . 1 2 5 / .6 . 1? ?? ? ? m o l l h 由（ ）式可知反應(yīng)物的水解速率為 0 . 1 2 5 / .???dC Ar m o l l hA dt 在一管式反應(yīng)器中常壓 300℃等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)： 2 4 23? ? ?CO H CH H O 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進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得出口 CO 的轉(zhuǎn)化率為： Q0(ml/min) X(%) 20 30 40 50 60 70 試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為 50ml/min 時(shí) CO的轉(zhuǎn)化速率。 解：是一個(gè)流動(dòng)反應(yīng)器，其反應(yīng)速率式可用（ ）式來表示 0 0 000( 1 ) ( 1 )??? ? ? ???AARA A A A AA A AdFrdVF F X Q C XdF Q C dX 故反應(yīng)速率可表示為： 0 0 0 0( / )?? AAA A ARRd X d Xr Q C Cd V d V Q 用 XA～ VR/Q0作圖，過 VR/Q0= 的點(diǎn)作切線，即得該條件下的 dXA/d(VR/Q0)值α。 VR/Q0min XA% 0 .6 5 0 .0 4 1 .7 90 .3 4? ??? 故 CO 的轉(zhuǎn)化速率為 400 30 . 1 0 1 3 0 . 0 3 6 . 3 8 1 0 /8 . 3 1 4 1 0 5 7 3 ???? ? ? ???AA PC m o l lRT 4300 6 . 3 8 1 0 1 . 7 9 1 . 1 4 1 0 / . m in( / )??? ? ? ? ? ?AAARdXr C m o l ld V Q 已知在 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： 20 .8 5 0 .4 /???w C O C Or k y y k m o l k g h 式中 yCO和 yCO2為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率， 壓力及 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： （ 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（ ）式可求得問題的解。注意題中所給比表面的單位換算成 m2/m3。 332333( 1 ) 10 35 6 / .6( 2 ) 10 / .30 1011( 3 ) ( ) ( ) 35 08 . .( ) 10 700( 4 ) ( ) ( 35 3 (）?????? ? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?v b wbbg w wv bnpwncwk k km ol m hk k k km ol m hakm olkkP kg h M PamRTkkP km) ( ).km olol kg h 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： 1. 5 0. 50 .8 / m in??A A Br C C m o l l 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 1 .5 0 .5 2 2 200 .8 0 .8 0 .8 ( 1 )? ? ? ?A A B A A Ar C C C C X 由（ ）式可知 0 0( 1 )????????? ? ? ?AAAAAAd C Xd C d XrCd t d t d t 代入速率方程式 22020 . 8 ( 1 )??AA A AdXC C Xdt 化簡(jiǎn)整理得 00 .8(1 ) ?? A AAdX C dtX 積分得 00 .8 1? ? AA AXCt X 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： 322 3 21. 5 31. 512 /? ? ?NHHN NH Hppr k p k km ol m hp p 逆 反 應(yīng) 的 活 化 能 417. 58 10 /??E J m ol。 450 ℃時(shí)3 0. 5 32 22 77 ( ) /??k m M P a m h，且 212/ ? Pk k K ， 490℃時(shí)， Kp 可按下式計(jì)算： 4 7 2lo g 2 0 4 7 .8 / 2 .4 9 4 3 lo g 1 .2 5 6 1 0 1 .8 5 6 4 1 0 3 .2 0 6??? ? ? ? ? ? ?pK T T T T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: 442 10 / 723 16239。 16 10 / 723 4 3 32e x p ( )e x p ( ) 22 77 / 45 10e x p ( ) 45 10 55 10 ( ) / .? ? ?? ? ????? ? ? ??? ? ? ? ?EkARTEA k eRTEk A e m M Pa m hRT490℃的 Kp 值由題給公式計(jì)算