化学反应工程化学工业12章答案

化学反应工程课后习题及答案主讲:雒廷亮教授郑大化工学院主目录第一章:绪论第二章:反应动力学基础第三章:釜式反应器第四章:管式反应器第五章:停留时间的分布与反应器流动模型第六章:多相体系中的化学反应与传递现象第七章:多相催化反应器的设计与分析习题1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

进入反应器的原料气中，甲醇:空气:水蒸气＝2:4:1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。试计算：

（1）反应的选择性；

（2）反应器出口气体的组成

习题1.1解题思路（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性

（2）设进入反应器的原料量为100

，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：

组分

摩尔分率

摩尔数

根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数

、

和

。并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。

习题1.1答案(1)

反应选择性

(2)反应器出口

气体组成：

习题1.2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：习题1.2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，可凝组分变为液体即为粗甲醇。不凝组分如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图。

习题1.2原料气和冷凝分离后的气体的摩尔组成分率如下"

习题1.2粗甲醇的组成为CH3OH

89.15％，（CH3）2O

3.55％，C4H9OH

1.10％

H2O

6.20％，均为质量分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1

kg粗甲醇而言，其溶解量为：CO2

9.82g，CO

9.38g，

H2

1.76g，

CH4

2.14g，N2

5.38g。若循环气体与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：

（1）一氧化碳的单程转化隆全程转化率；

（2）甲醇的单程收隆全程收率习题1.2解题思路（1）以新鲜原料气进料流量100

为基准，首先计算出进料原料组成，如下表：

组成

相对分子质量

摩尔分数

/

质量分数

/%

进料的平均相对分子质量

。

经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下：

组分

相对分子质量

摩尔分数

冷凝分离后气体平均相对分子质量：

设放空气体流量为

；粗甲醇的流量为

。对整个系统物料衡算求得

反应后产物

摩尔流量

，利用全程转化隆单程转化率的定义即可求得CO的全程转化率

和单程转化率

。习题1.2解题思路（2）甲醇的收率。

首先，计算产物粗甲醇所溶解的气体总量，再求得粗甲醇中甲醇的含量，按收率定义式进一步计算出甲醇的全程收率Y和单程收率y。习题1.2答案(1)

一氧化碳的全程转化率X=83.48%

单程转化率x=16.18%(2)甲醇的全程收率

Y=79.24%

单程收率y=15.36%

习题2.1在一体积为4L的恒容反应器中进行A的水解反应，反应前

的含量为12.23％（质量分率），混合物的密度为1g/ml,反应物

的相对分子质量为88。在等温常压下不断取样分析，测得组分

的浓度随时间变化的数据如下：习题2.1反应时间

/h

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

CA

/(mol•h）0.9

0.61

0.42

0.28

0.17

0.12

0.08

0.045

0.03试求反应时间为3.5h的

的水解速率。

习题2.1解题思路及答案利用反应时间与组分

的浓度变化数据，先作出ＣＡ～t的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率

α。再由rA=-dCA/dt求得水解速率。答案：

水解速率习题２.２在一管式反应器中等温下进行甲烷化反应：催化剂体积为10ml,原料气中CO含量为3％，其余为N2、H2,气体，改变进口原料气流量Q0

进行实验，测得出口CO

的转化率为：习题２.２X

/

%

83.3

67.6

50.0

38.5

29.4

22.2

20

30

40

50

60

70试求当进口原料气体流量为50

时

的转化速率。

习题２.２解题思路是一个流动反应器，其反应速率式可用式（2.7）来表示，整理后反应速率可表示为用的点作切线，即得该条件下的

，从而求得CO的转化速率.

习题２.２答案CO的转化速率

：习题２.３已知地Ｆe－Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：

式中yco,yco2为一氧化碳及二氧化碳的瞬时摩尔分率，0.1013

MPa压力及700

K时反应速率常数等于0.0535

kmol/(kg·h),若催化剂的比表面为30m2/g,堆密度为1.13m2/g习题2.3（1）以反应体积为基准的速率常数kv；

（2）以反应相界面积为基准的速率常数ks；

（3）以分压表示反应物系组成时的反应速率常数kp；

（4）以摩尔浓度表示反应物系组成时的反应速率常数kc

。习题2.3解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位应换算成m2/m3。利用下列各式即可求得反应速率常数值。

习题2.3答案(1)反应体积为基准kv=(2)反应相界面积为基准

Ks=(3)分压表示物系组成Kp=(4)摩尔浓度表示物系组成Kc=习题2.4在等温下进行液相反应A+B-----C+D在该条件下的反应速率方程为：若将A和B的初始浓度均为3mol/h

的原料混合后进行反应，求反应4

min时A的转化率。

习题2.4解题思路由题给条件可知是一个等摩尔反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为3/2

mol/h，再将反应速率式进行简化，由式（2.6）将速率式变为

代入速率方程式中化简整理后得到转化率与时间的关系式，积分后即可求得转化率。

习题2.4答案A的转化率

XA=82.76%习题2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5％的NH3,20.87％的N2,62.6％的H2,7.08％的Ar,及5.89％的CH4。该塔是在30

MPa压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10％（mol）。试计算该处的反应速率。在Fe催化剂上氨合成反应速率式为：

习题2.5逆反应的活化能：

450℃时且,490℃时,Kp可按下式计算:习题2.5解题思路首先要由450℃的

K2值求出490℃时的

K2’值，然后利用平衡常数求得反应温度下的K1值。做法是先利用(2.26)式，求出频率因子A。490℃时的k2’值为.利用KP2=K1/K2来求取K1=KP2*K2值：习题2.5答案氨的反应速率：r=习题2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应

习题2.9式中rR,rD分别表示产物