吴元欣版反应工程答案解析

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100kg。循环新鲜乙烷裂解器分离器新鲜乙烷裂解器分离器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=100x0.59=59kgE点乙烷的循环量Q=100—H—4.1=100—59—4.1=36.9kgA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H/30 59/30H/30 59/30乙烯的单程收率100/30x100/30x100%=49.07%乙烯的总收率（摩尔收率）話X100%=亦X100%=E乙烯的总质量收率F 63.1Y'=458x100%=458x100%=F 63.1乙烷的总转化率X=—x乙烷的总转化率X=—x100%=丝x100%=93.5%F 63.1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+2HoCHOH232CO+4Ho(CH)O+HO)2322CO+3HoCH+HO2 4 24CO+8HoCHOH+3HO2 4 9 2CO+HOoCO+H222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成原料气冷凝分离后气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29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/hCO2826.8226.8272.05760.96H2268.2568.2513.1136.5CO2441.461.466.16464.24CH4160.550.550.84438.8N2282.922.927.84481.76总计1001001001042.26其中x=yM/工yM.，进料的平均摩尔质量M=工yM=10.42kg/kmol。miiiiiii经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下：组分COH2CO2CH4N2总计摩尔质量Mi282441628摩尔分率y15.4969.780.823.6210.29100其中冷凝分离后气体平均分子量为M'=工yM=9.554mii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：1)5.38B/28x1000+0.1029A二2.92

1)对整个系统所有物料进行衡算得：100X对整个系统所有物料进行衡算得：100X10.42=B+9.554A2）联立（1）与（2）两个方程，解之得：A二26.91kmol/h,B=785.2kg/h反应后产物中CO摩尔流量为FC尹1549A+9・38B/28X1000=4・431kmo1/h故CO的全程转化率为F-F 26.82-4.431"仮％x=co,0 co= =83.48%COF 26.82cO,0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' =100x0.2682+7.2x100x0.1549=138.4kmol/hco,0所以CO的单程转化率为'F,-F 26.82-4.431.%x'=CO0CO= =16.18%CO F' 138.4CO,0产物粗甲醇中所溶解的CO2，CO、H2、CH4和N2总量D为1000D=°.82+恥6+L76+2」4+5・38)B=0.02848b=22.3624kg/h1000粗甲醇中甲醇的量为(B-D)x/M=(785.2-0.02848B)x0.8915/32二21.25kmol/h所以，甲醇的全程收率为y二三25x100%=79.24%总26.82甲醇的单程收率为y=耳兰x100%=15.36%单138.4

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9.629x10J/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。550=23(倍)r k AEXP(—E/RT)550=23(倍)-550= 550= 500 =eTr k AEXP(—E/RT)400 400 400例2F面是两个反应的T-X关系图，图中AB是平衡线，NP是最佳温度曲线，AM是等温线，HB是等转化率线。根据下面两图回答：HT图1（1HT图1（1）是可逆反应还是不可逆反应？图2（2）是放热反应还是吸热反应？(3)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？(4)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？(5)在C、R两点中，谁的速率大？(6)根据图中所给的十点，判断哪一点速率最大？解：如下表所示。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，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点速率需依据等速线的走向来判断H、M点的(6) M点速率最大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下列液相反应：A+B >R r=1.6c kmol/(m3.h)RA2A >D乙=8.2c2Akmol/(m3.h)式中r、r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ARD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r=r+2r=1.6c+16.4c2=1.6c(1+10.25c)TOC\o"1-5"\h\zAR D A A A可写出此条件下A反应速率：-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代入相关数值，可得：t二0.6463/1.6二0.4038h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。

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的收率能达到70%。4)对全混流反应器，若e=t=0.4038h，则有：C—C0.4038= Ao A—1.6C+16.4C2AA得，C=0.4433AC—C则，x=Ao a=0.7784<0.95ACA0说明该条件下转化率达不到95%。5)对全混流反应器，若x=0.95，则R的收率为：Ax 0.95Y=Sxx= Af = =0.4691RfAf1+10.25C(1—x) 1+10.25x2(1—0.95)A0 Af

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A+BTP,r=2ckmol/(m3-h)pA2ATQ,r=0.5c2kmol/(m3-h)QA反应开始时A和B的浓度等于2kmol/m3，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。t=—t=—JcAA0dcA——2c+c2AA解：因r=r+2r=2c+2x0.5c2=2c+c2A P Q A A A A由间歇反应器的设计方程，反应时间t为1lnc(2+c)In^Ao A—A）2c(2+c)A）A A0由题给组分A的起始浓度c二2kmol/m3，反应时间t二3h，代入式（A）可求此时A0组分A的浓度c=2.482x10-3kmol/m3。A组分A的转化率为cA02cA02—2.482x10-32二0.9988即叮"琢。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。由题给的速率方程知(B)虫p=2c(B)dt A

dc又一方=2CA+"A2，两式相除，有TOC\o"1-5"\h\zdc 1A=-1一一Cdc 2AP积分得Ldc—JCA 叫0P cA01+cA/2(C)211+c/2

c=21n Ao—(C)p1+c/2A1+2/2将有关数值代入式（1+2/2Cp=2lni+2.482X10-3/2=l.3838kmol/m所以，P的收率为V4c~A-VP—P-cA0Y=P二宁=丽9例3有如下平行反应：A+BTP（主反应，P为目的产物）A+BTS（副反应）其动力学方程为：r=kcco.3,r=kc0-5c1-8（mol/m3S），已知：k=k=1，P1ABS2AB 1 2A和B两种物料的初浓度：c=c=1.0mol/1，分别从反应器进口等流量加入，A0 B0反应转化率x=0.9。A写出瞬时选择性与转化率x间的关系式；A计算在全混流反应器中P的总选择性。

解：①写出瞬时选择性与组分A的转化率关系表达式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计算在全混流反应器中的总选择性1S=S= ，且C=Cn(1-Xf)=0-05aP af1+C AfA0 AfAfSaP=1/(1+0.05)=0.95例4在一全混流反应器中进行可逆反应A+BR+Sk'进料混合物总体积流量为1.33x10-4m3/s,其中不含产物；A、B浓度分别为1400mollm3和800mol/m3。已知k=1.167x10-4m31(mol-s)，k'=0.5x10-4m31(mol-s)。反应混合物体积可认为