吳元欣版反應工程答案解析

第一章例題與習題解答例1每100kg乙烷（純度100%）在裂解器中裂解，產生45.8kg乙烯，乙烷的單程轉化率為59%，裂解氣經(jīng)分離后，所得到的產物氣體中含有4.1kg乙烷，其余未反應的乙烷返回裂解器。求乙烯的選擇性、收率、總收率和乙烷的總轉化率。解：以B點的混合氣體為計算基準進行計算即得到單程轉化率和單程收率，而以對A點的新鮮氣體為計算基準進行計算得到全程轉化率和全程收率。新鮮原料通過反應器一次所達到的轉化率，單程轉化率（反應器進口為基準）；新鮮原料進入反應系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)止所達到的轉化率，全程轉化率（新鮮原料為基準）。現(xiàn)對B點進行計算，設B點進入裂解器的乙烷為100kg。循環(huán)新鮮乙烷裂解器分離器新鮮乙烷裂解器分離器由于乙烷的單程轉化率為59%，則在裂解器中反應掉的原料乙烷量為H=100x0.59=59kgE點乙烷的循環(huán)量Q=100—H—4.1=100—59—4.1=36.9kgA點補充的新鮮乙烷量為F=100—Q=100—36.9=63.1kg乙烯的選擇性為H/30 59/30H/30 59/30乙烯的單程收率100/30x100/30x100%=49.07%乙烯的總收率（摩爾收率）話X100%=亦X100%=E乙烯的總質量收率F 63.1Y'=458x100%=458x100%=F 63.1乙烷的總轉化率X=—x乙烷的總轉化率X=—x100%=絲x100%=93.5%F 63.1例2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應如下：CO+2HoCHOH232CO+4Ho(CH)O+HO)2322CO+3HoCH+HO2 4 24CO+8HoCHOH+3HO2 4 9 2CO+HOoCO+H222由于化學平衡的限制，反應過程中一氧化碳不可能全部轉化成甲醇。為了提高原料的利用率，生產上采用循環(huán)操作，即將反應后的氣體冷卻，可凝組分分離為液體即為粗甲醇，不凝組分如氫及一氧化碳等部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機壓縮后與原料氣混合返回合成塔中。下面是生產流程示意圖。原料氣和冷凝分離后的氣體中各組分的摩爾分數(shù)如下組成原料氣冷凝分離后氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇中各組分的質量分數(shù)分別為CH3OH89.15%、(CH3)2O3.55%、C4H9OH1.1%、H2O6.2%。在操作壓力及溫度下其余組分均為不凝組分，但在冷卻冷凝中可部分溶解于粗甲醇中，對1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO29.82g、CO9.38g、H22.14g、CH42.14g、N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計算：（1）一氧化碳的單程轉化率和全程轉化率；（2）甲醇的單程收率和全程收率。解：（1）設新鮮原料氣進料流量為100kmol/h，根據(jù)已知條件，計算進料原料氣組成如下：組分摩爾質量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質量分率xi0%質量流量kg/hCO2826.8226.8272.05760.96H2268.2568.2513.1136.5CO2441.461.466.16464.24CH4160.550.550.84438.8N2282.922.927.84481.76總計1001001001042.26其中x=yM/工yM.，進料的平均摩爾質量M=工yM=10.42kg/kmol。miiiiiii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COH2CO2CH4N2總計摩爾質量Mi282441628摩爾分率y15.4969.780.823.6210.29100其中冷凝分離后氣體平均分子量為M'=工yM=9.554mii又設放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N2作衡算得：1)5.38B/28x1000+0.1029A二2.92

1)對整個系統(tǒng)所有物料進行衡算得：100X對整個系統(tǒng)所有物料進行衡算得：100X10.42=B+9.554A2）聯(lián)立（1）與（2）兩個方程，解之得：A二26.91kmol/h,B=785.2kg/h反應后產物中CO摩爾流量為FC尹1549A+9?38B/28X1000=4?431kmo1/h故CO的全程轉化率為F-F 26.82-4.431"仮％x=co,0 co= =83.48%COF 26.82cO,0由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應器進口處的CO摩爾流量為：F' =100x0.2682+7.2x100x0.1549=138.4kmol/hco,0所以CO的單程轉化率為'F,-F 26.82-4.431.%x'=CO0CO= =16.18%CO F' 138.4CO,0產物粗甲醇中所溶解的CO2，CO、H2、CH4和N2總量D為1000D=°.82+恥6+L76+2」4+5?38)B=0.02848b=22.3624kg/h1000粗甲醇中甲醇的量為(B-D)x/M=(785.2-0.02848B)x0.8915/32二21.25kmol/h所以，甲醇的全程收率為y二三25x100%=79.24%總26.82甲醇的單程收率為y=耳蘭x100%=15.36%單138.4

第二章例題習題與解答例1在進行一氧化碳變換反應動力學研究中，采用B106催化劑進行試驗，測得正反應活化能為9.629x10J/mol，如果不考慮逆反應，在反應物料組成相同的情況下，試問反應溫度為550°C時的速率比反應溫度為400°C時的反應速率大多少倍？解：由題可知，反應條件除溫度不同外，其它條件均同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應速率常數(shù)k上，故可利用反應速率常數(shù)之比來描述反應速率之比。550=23(倍)r k AEXP(—E/RT)550=23(倍)-550= 550= 500 =eTr k AEXP(—E/RT)400 400 400例2F面是兩個反應的T-X關系圖，圖中AB是平衡線，NP是最佳溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉化率線。根據(jù)下面兩圖回答：HT圖1（1HT圖1（1）是可逆反應還是不可逆反應？圖2（2）是放熱反應還是吸熱反應？(3)在等溫線上，A、D、0、E、M點中，哪一點速率最大，哪一點速率最??？(4)在等轉化率線上，H、C、R、0、F及B點中，哪一點速率最大，哪一點速率最小？(5)在C、R兩點中，誰的速率大？(6)根據(jù)圖中所給的十點，判斷哪一點速率最大？解：如下表所示。圖1圖2(1)可逆反應可逆反應(2)放熱反應吸熱反應(3)M點速率最大，A點速率最小M點速率最大，A點速率最小(4)0點速率最大，B點速率最小H點速率最大，B點速率最小(5)R點速率大于C點速率C點速率大于R點速率需依據(jù)等速線的走向來判斷H、M點的(6) M點速率最大速率大小第三章例題習題與解答例1在一個恒容間歇反應器中進行下列液相反應：A+B >R r=1.6c kmol/(m3.h)RA2A >D乙=8.2c2Akmol/(m3.h)式中r、r分別表示產物R和D的生成速率。反應用的原料為A和B的混合物，其中ARD的濃度為2kmol/m3，試計算：

(1)A的轉化率達到95%時所需要的反應時間。(2)A的轉化率為95%時，R的收率是多少？(3)若反應溫度不變，要求D的收率達70%，能否辦到？(4)改用全混流反應器操作，反應溫度與原料組成均不變，保持空時與①情況的反應時間相同，A的轉化率能否達到95%?(5)在全混反應器操作時，A的轉化率如仍要達到95%，其它條件不變，R的收率是多少？解：1)反應物A的消耗速率應為兩反應速率之和，即r=r+2r=1.6c+16.4c2=1.6c(1+10.25c)TOC\o"1-5"\h\zAR D A A A可寫出此條件下A反應速率：-dCA=1.6c(1+10.25c)dt A A(Ia(Ia)+10.25c]1 砂]1.6t=f-(—- ： )dc=-ln(1-x)+ln[c 10.25c+1a a 1+ca0 A A +10.25cA0代入相關數(shù)值，可得：t二0.6463/1.6二0.4038h注意：體系中物質濃度影響不同反應的反應速率時，是同時作用的；多個反應存在時，關鍵反應組分的反應速率是幾個反應分支的反應速率疊加。

2)TOC\o"1-5"\h\zdCdCdC 1.6C 1S二( R)/(— A)二一R二 A 二RdtdtdC 1.6C+16.4C2 1+10.25CA A A AC二C(1—x)二2(1—0.95)二0.1f.A A0 Af.=0.2305kmol/m=0.2305kmol/m3 A——1+10.25CCACA02A(3)c2X8.2C 32.8x(1—x)TOC\o"1-5"\h\zS= A—= A—d 1.6+16.4C 34.4—32.8xAAY=YfSdx=Of32.8(1—XA)dx=0.8348>0.7DDA 34.4—32.8x A0 0 A表明D的收率能達到70%。4)對全混流反應器，若e=t=0.4038h，則有：C—C0.4038= Ao A—1.6C+16.4C2AA得，C=0.4433AC—C則，x=Ao a=0.7784<0.95ACA0說明該條件下轉化率達不到95%。5)對全混流反應器，若x=0.95，則R的收率為：Ax 0.95Y=Sxx= Af = =0.4691RfAf1+10.25C(1—x) 1+10.25x2(1—0.95)A0 Af

思考：針對（3）、（4）改成平推流反應器時，其結果又如何？例2在等溫間歇釜式反應器中進行下列液相反應A+BTP,r=2ckmol/(m3-h)pA2ATQ,r=0.5c2kmol/(m3-h)QA反應開始時A和B的濃度等于2kmol/m3，目的產物為P,試計算反應時間為3h時A的轉化率和P的收率。t=—t=—JcAA0dcA——2c+c2AA解：因r=r+2r=2c+2x0.5c2=2c+c2A P Q A A A A由間歇反應器的設計方程，反應時間t為1lnc(2+c)In^Ao A—A）2c(2+c)A）A A0由題給組分A的起始濃度c二2kmol/m3，反應時間t二3h，代入式（A）可求此時A0組分A的濃度c=2.482x10-3kmol/m3。A組分A的轉化率為cA02cA02—2.482x10-32二0.9988即叮"琢。只知道A轉化率尚不能確定p的生成量，因轉化的A既可以轉化成P也可能轉化成Q。由題給的速率方程知(B)蟲p=2c(B)dt A

dc又一方=2CA+"A2，兩式相除，有TOC\o"1-5"\h\zdc 1A=-1一一Cdc 2AP積分得Ldc—JCA 叫0P cA01+cA/2(C)211+c/2

c=21n Ao—(C)p1+c/2A1+2/2將有關數(shù)值代入式（1+2/2Cp=2lni+2.482X10-3/2=l.3838kmol/m所以，P的收率為V4c~A-VP—P-cA0Y=P二寧=麗9例3有如下平行反應：A+BTP（主反應，P為目的產物）A+BTS（副反應）其動力學方程為：r=kcco.3,r=kc0-5c1-8（mol/m3S），已知：k=k=1，P1ABS2AB 1 2A和B兩種物料的初濃度：c=c=1.0mol/1，分別從反應器進口等流量加入，A0 B0反應轉化率x=0.9。A寫出瞬時選擇性與轉化率x間的關系式；A計算在全混流反應器中P的總選擇性。

解：①寫出瞬時選擇性與組分A的轉化率關系表達式1k1+1k1+」C-0.5C1.5kAB11+C-0.5C1.5ABS= P——二 1―A BPr+rkCC°.3+kC0.5C1.8PS1AB2.ABCA0=CB01S=P1+C(1-X)A0 A②計算在全混流反應器中的總選擇性1S=S= ，且C=Cn(1-Xf)=0-05aP af1+C AfA0 AfAfSaP=1/(1+0.05)=0.95例4在一全混流反應器中進行可逆反應A+BR+Sk'進料混合物總體積流量為1.33x10-4m3/s,其中不含產物；A、B濃度分別為1400mollm3和800mol/m3。已知k=1.167x10-4m31(mol-s)，k'=0.5x10-4m31(mol-s)。反應混合物體積可認為