吴元欣版反应工程答案

本文格式为Word版，下载可任意编辑——吴元欣版反应工程答案第一章例题与习题解答

例1

每100kg乙烷（纯度100%）在裂解器中裂解，产生45.8kg乙烯，乙烷的单程转化率为59%，裂解气经分开后，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100kg。

循环●E新鲜乙烷●●裂解器分开器产品AB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?59kg

E点乙烷的循环量

Q?100?H?4.1?100?59?4.1?36.9kg

A点补充的新鲜乙烷量为

F?100?Q?100?36.9?63.1kg

乙烯的选择性为

45.8/2845.8/28S??100%??100%?83.172%

H/3059/30乙烯的单程收率

y?45.8/28?100%?49.07%

100/30乙烯的总收率（摩尔收率）

Y?45.8/2845.8/28?100%??100%?77.77%F/3063.1/30乙烯的总质量收率

Y'?45.845.8?100%??100%?72.58%F63.1乙烷的总转化率X＝H59?100%＝?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?CH3OH

2CO?4H2?（CH3）2O?H2O）CO?3H2?CH4?H2O

4CO?8H2?C4H9OH?3H2O

CO?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，可凝组分分开为液体即为粗甲醇，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。

合成原料气冷凝分开粗甲醇放空循环压缩

冷凝分开后气体

15.4969.780.823.6210.29

原料气和冷凝分开后的气体中各组分的摩尔分数如下

组成原料气

COH2CO2CH4N2

26.8268.251.460.552.92

粗甲醇中各组分的质量分数分别为CH3OH89.15%、（CH3）2O3.55%、C4H9OH1.1%、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CO29.82g、CO9.38g、H22.14g、CH42.14g、N25.38g。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。解：

（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：

组分

摩尔质量

yi0(mol%)

Fi0(kmol/h)

质量分率xi0%

质量流量kg/h

COH2CO2CH4N2总计282441628

ii26.8268.251.460.552.9210026.8268.251.460.552.92100

m72.0513.16.1640.84437.844100760.96136.564.248.881.761042.26

其中xi?yiMi/?yM，进料的平均摩尔质量M??yiMi?10.42kg/kmol。

CH4163.62

N22810.29

总计100

经冷凝分开后的气体组成，亦即放空气体的组成如下：

组分COH2CO2摩尔质量Mi28244摩尔分率yi15.4969.780.82其中冷凝分开后气体平均分子量为

'Mm??yiMi?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/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＝26.91kmol/h,B=785.2kg/h

反应后产物中CO摩尔流量为

FCO＝0.1549A?9.38B/28?1000?4.431kmol/h

故CO的全程转化率为

xCO?FCO,0?FCO26.82?4.431??83.48%

FCO,026.82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：

F'co,0?100?0.2682?7.2?100?0.1549＝138.4kmol/h

所以CO的单程转化率为

x'CO?FCO,0?FCO26.82?4.431??16.18%

F'CO,0138.4产物粗甲醇中所溶解的CO2，CO、H2、CH4和N2总量D为

（9.82?9.36?1.76?2.14?5.38）BD＝＝0.02848B＝22.3624kg/h

1000粗甲醇中甲醇的量为

(B?D)x甲/Mm?(785.2?0.02848B)?0.8915/32?21.25kmol/h

所以，甲醇的全程收率为

y总＝甲醇的单程收率为

21.25?100%＝79.24%26.8221.25?100%＝15.36%138.4y单＝

其次章例题习题与解答

例1

在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B1

催化剂进行试验，测得正反应活化能

为9.629×104J/mol，假使不考虑逆反应，在反应物料组成一致的状况下，试问反应温度为550℃时的速率比反应温度为400℃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。

E/R(?)96290/8.314(?)r550k550AEXP(?E/RT500)T400T550673823???e?e?23(倍)r400k400AEXP(?E/RT400)1111例2

下面是两个反应的T－X关系图，图中AB是平衡线，NP是最正确温度曲线，AM是等温线，HB是等转化率线。根据下面两图回复：

NADHABBFOEPMTMTDRCHXCREOF（1）（2）（3）（4）（5）（6）解：

如下表所示。图1（1）可逆反应（2）放热反应（3）M点速率最大，A点速率最小（4）O点速率最大，B点速率最小（5）R点速率大于C点速率（6）

M点速率最大

图1图2

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、O、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、O、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？

X图2可逆反应吸热反应

M点速率最大，A点速率最小H点速率最大，B点速率最小C点速率大于R点速率

需依据等速线的走向来判断H、M点的

速率大小

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以下液相反应：

A?B???R

rR?1.6cAkmol/(m3.h)

2A???DrD?8.2c2Akmol/(m3.h)

式中rR、rD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/m3，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，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①状况的反应时间一致，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

rA?rR?2rD?1.6cA?16.4c2A?1.6cA(1?10.25cA)

可写出此条件下A反应速率：

－分开变量，积分可得：

cAdcA?1.6cA(1?10.25cA)dt1.6t?cA0??(110.25?)dcA??ln(1?xA)?ln[cA10.25cA?1(1?xA)?110.25c