反應(yīng)工程課后習(xí)題參考答案

1、 1緒論在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)：進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%。試計算（1）反應(yīng)的選擇性；（2）反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（1）由（1.7）式得反應(yīng)的選擇性為：（2）進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料量為lOOmol時，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)n（mol）i0CHOH32/（2+4+1.3）=0.274027.40空氣4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81總計1

2、.000100.0設(shè)甲醛的生成量為x,CO的生成量為y,則反應(yīng)器出口處組成為:2組分摩爾數(shù)n（mol）CHOH327.40-x-y空氣54.79x/23y/2水17.81+x+2yHCHOxCO2y總計100+x/2+y/2由甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%得2=72%;=69.2%227.4解得x=18.96;y=0.77所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：274xyCHOH:x100%=6.983%3100+x+y2254.79X衛(wèi)空氣：2_x100%=40.19%100+丄+22217.81+x+2yxI。=34.87%/J、100+-+y22HCHO:xx100+X+y22CO:y

3、x2100+x+y22100%=17.26%100%=0.6983%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：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lOOkmol合成冷凝分離粗甲醇Bkg/h*放空氣體Akmol/h原料氣和冷凝分離后的氣體組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62

4、N2.9210.292粗甲醇的組成為CHOH89.15%,(CH)O3.55%,CHOH1.10%,H06.20%,均為重量332392百分率。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lkg粗甲醇而言，其溶解量為CO9.82g,CO9.38g,H221.76g,CH2.14g,N5.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2(摩爾比)，試計算:42一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；(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y(mol%)i0F(kmo

5、l/h)i0質(zhì)量分率x%i0CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844總計100100100其中x=yM/EyM。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量M二：EyM=10.42kg/kmol。iiiiimii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yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計100其中冷凝分離后氣體平均分子量為Mm=EyiMi=9.554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流

6、量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N作衡算2得：5.38B/28X1000+0.1029A=2.92(A)對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100X10.42=B+9.554A(B)聯(lián)立(A)、(B)兩個方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為F=0.1549A+9.38B/(28X1000)CO將求得的A、B值代入得F=4.431kmol/hCO故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(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=100X0.2682+7.2X100X0.1549=138.4kmol/hCO,0所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO、

7、CO、H、CH和N總量D為2242粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X/M=(785.2-0.02848B)X0.8915/32=21.25kmol/h甲m所以，甲醇的全程收率為Y=21.25/26.82=79.24%總甲醇的單程收率為Y=21.25/138.4=15.36%反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)已知在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動力學(xué)方程為：式中y和y為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率，O.IMPa壓力及700K時反COCO2應(yīng)速率常數(shù)k等于0.0535kMol/kg.h。如催化劑的比表面積為30皿/引堆密度為W1.13g/cm3，試計算：以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)k。V以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的

8、速率常數(shù)k。g以分壓表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)k。g以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)k。C解：利用(2.10)式及(2.27)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。2.6下面是兩個反應(yīng)的T-X圖，圖中AB是平衡曲線，NP是最佳溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：(1)是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？(2)是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？在等溫線上，A,D,O,E,M點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最?。吭诘绒D(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,F及B點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最?。緾,R兩點(diǎn)中，誰的速率大？根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？解：圖2.1

9、可逆反應(yīng)，因為存在平衡線放熱反應(yīng)，因為隨反應(yīng)溫度升高，平衡轉(zhuǎn)化率下降M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小，溫度一定時，隨著轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)速率增大O點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小，轉(zhuǎn)化率一定時，距離最佳溫度線最近的點(diǎn)反應(yīng)速率最大，B點(diǎn)在平衡線上，反應(yīng)速率為零。R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率，R點(diǎn)比C點(diǎn)離平衡線近M點(diǎn)速率最大。等轉(zhuǎn)化率線上，O點(diǎn)速率最大；等溫線上，M點(diǎn)速率最大。而M點(diǎn)速率大于O點(diǎn)速率，所以十點(diǎn)中M點(diǎn)速率最大。圖2.2可逆反應(yīng)。因為存在平衡線吸熱反應(yīng)，因為隨反應(yīng)溫度升高，平衡轉(zhuǎn)化率增加M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小。溫度一定時，隨著轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)速率增大H點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)

10、速率隨溫度升高而增大C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)速率隨溫度升高而增大，C點(diǎn)溫度咼于R點(diǎn)無法直接判斷，需要根據(jù)等速線的走向來判斷H,M點(diǎn)的速率大小。在Pt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：A+QoAoAooBo+RBooB+o若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)外，其它兩步達(dá)到平衡，描述如下：以表面反應(yīng)速率方程來代表整個反應(yīng)的速率方程：由干e+e+e=1由于ABV將A，0B代入上式得：整理得：將0A，0B4代入速率方程中其中在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)：化作2(A)

11、+(B2)T2(R)其反應(yīng)步驟可表示如下：(1)A+ooAoB+2oo2BoAo+BooRo+o(4)RooR+o若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動力學(xué)方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其余近似達(dá)到平衡，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：整個反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來表示：根據(jù)總覆蓋率為1的原則，則有或整理得：將0a月ber,0v代入反應(yīng)速率方程，得：其中釜式反應(yīng)器在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l,反應(yīng)速率常數(shù)等于5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。試

12、問：當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為1m3時,需要多長的反應(yīng)時間？若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m3,所需的反應(yīng)時間又是多少？解：(1)因為間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以反應(yīng)時間仍為2.83h。擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20kg/h，使用15%(重量)的NaHCO水溶液及30%(重3量)的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為1：1，混合液的比重為1.02。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于5.2l/mol.h，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。若輔助時間為0.5h，試計算反應(yīng)器的有效體積；若裝填系數(shù)取0.75，試計算反應(yīng)器的實

13、際體積。解：(1)氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為80.5,84和62kg/kmol,每小時產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h0.3266x80.5=9111g/h每小時需氯乙醇：0.95x30%0.3266x84=1902fcg/h每小時需碳酸氫鈉：0.95x15%Qo=9111+190.2102=275.81/hC=3266x1000=1.2314/1氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時間：A00.95x275.8原料體積流量：反應(yīng)體積：Vr=Q0(t+1=2758%(2968+05)=956.5ZV=Yr=956.5=12751（2）反應(yīng)器的實際體積：f0753.8在一個體積為30

14、01的反應(yīng)器中86C等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液分解：如果這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15min;如果是全混流反應(yīng)器；試比較上二問的計算結(jié)果；若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-i，最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9%，試計算苯酚的產(chǎn)量。（1）（2）（3）（4）解：（1）C=CX=3.2X0.989=3165mo1/1苯酚濃度苯酚A0AQC=18.82x3.165=59.56mo1/min=3359fcg/h苯酚產(chǎn)量0苯酚（2）全混流反應(yīng)器QC=16.02X3.2X0.989

15、=50.69mol/min=285.9kg/h苯酚產(chǎn)量0苯酚（3）說明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低，反應(yīng)速度慢的原因。（4）由于該反應(yīng)為一級反應(yīng)，由上述計算可知，無論是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器，其原料處理量不變，但由于C增加一倍，故C也增加一倍，故上述兩AB苯酚個反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.15等溫下進(jìn)行1.5級液相不可逆反應(yīng)：AB+C。反應(yīng)速率常數(shù)等于5mi.5/kmo1i.5.h，A的濃度為2kmo1/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為1.5m3/h，試分別計算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的反應(yīng)體積:（1）全混流反應(yīng)器；（2）兩個等體積的全混流反應(yīng)器串

16、聯(lián)；（3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解：（1）全混流反應(yīng)器（2）兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)由于11=Vr2，所以由上二式得：將X=0.95代入上式，化簡后試差解得X=0.8245，所以：A2A1串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：Vr=2Vr1=4.758m3（3）此時的情況同（1）,即丫=18.03加原料以0.5m3/min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為20m3的全混流反應(yīng)器，進(jìn)行液相反應(yīng)：C,C為組分A及R的濃度。r為組分A的轉(zhuǎn)化速率，r為D的生成速率。原料中ARADA的濃度等于0.1kmol/m3,反應(yīng)溫度下，k=0.1min-i,k=1.25m3/kmol.min,試計12算反應(yīng)器出口

17、處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：所以：即為：管式反應(yīng)器4.1在常壓及800C等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列氣相均相反應(yīng)：在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：式中C及C分別為甲苯及氫的濃度，mol/l，原料處理量為2kmol/h,其中甲苯TH與氫的摩爾比等于1。若反應(yīng)器的直徑為50mm，試計算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時的反應(yīng)器長度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過程，原料甲苯與氫的摩爾比等于1，即：C=C則有C=C=C(1-X)T0H0，則u有：THT0T示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中：所以，所需反應(yīng)器體積為：=QCo$慮=QCo$15THT二0.278x10-3f0.95二0.4329x(1-

18、95)-1二3.006加1.5-1o1.5(5.68x10-3)1.5(1-X)1.53.006T=15311m所以，反應(yīng)器的長度為：0.052x3.14/44.2根據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇，試計算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。解：題給條件說明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過程，在習(xí)題3.2中已算出所以，所需反應(yīng)器體積：由計算結(jié)果可知，活塞流反應(yīng)器的反應(yīng)體積小，間歇釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積大，這是由于間歇式反應(yīng)器有輔助時間造成的。4.8在管式反應(yīng)器中400C等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化能等于39.77kJ/mol。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小

19、，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下(采用等溫操作)，增產(chǎn)35%，請你擬定一具體措施(定量說明)。設(shè)氣體在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。 02 解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：可知，反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下，Q與反應(yīng)速率0常數(shù)成正比，而k又只與反應(yīng)溫度有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。具體值為:解此式可得：T=702.7K。即把反應(yīng)溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35%。24.9根據(jù)習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算苯酚的產(chǎn)量，并比較不同類型反應(yīng)器的計算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：將已知數(shù)據(jù)代入得：解得：Q=-319m

20、3/min，所以苯酚產(chǎn)量為：由計算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反應(yīng)器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式反應(yīng)器的產(chǎn)量。但間歇式反應(yīng)器若不計輔助時間，其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同（當(dāng)然要在相同條件下比較）。4.11根據(jù)習(xí)題3.15所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算：（1）所需的反應(yīng)體積；（2）若用兩個活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積是多少？解：（1）用PFR時所需的反應(yīng)體積：（2）若用兩個PFR串聯(lián)，其總反應(yīng)體積與（1）相同。停留時間分布與反應(yīng)器流動模型用階躍法測定一閉式流動反應(yīng)器的停留時間分布，得到離開反應(yīng)器的示蹤劑與時間的關(guān)系如下：試求：（1）該反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)F（8）及分布密度函數(shù)E

21、（0）。（2）數(shù)學(xué)期望廠及方差（2。（3）若用多釜串聯(lián)模型來模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？（4）若用軸相擴(kuò)散模型來模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？（5）若在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)k=1min-i，且無副反應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解：（t=(1)由圖可知C(*)=1.0,而F(0)=F(t)=C(t)/C(g),所以:卜tE(t)dt=J3tdt=2.5min所以：（2）由于是閉式系統(tǒng)，故=Vr/Q=，所以孑=1方差：(3)由(5.20)式可得模型參數(shù)N為：N=1/蔦=1/0.01333=754)略用多釜串聯(lián)模型來模擬，前已求得N=75,應(yīng)用式(3.50)即可計算轉(zhuǎn)化率:

22、=0.9145=1-1/(1+k帯)N=1-1/(1+1J)755.5已知一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時間分布密度函數(shù)E(t)=16texp(-41),min-i，試求：(1)平均停留時間;(2)空時；(3)空速；停留時間小于1min的物料所占的分率；停留時間大于1min的物料所占的分率；若用多釜串聯(lián)模型擬合，該反應(yīng)器相當(dāng)于幾個等體積的全混釜串聯(lián)？若用軸向擴(kuò)散模型擬合，則模型參數(shù)Pe為多少？(8)若反應(yīng)物料為微觀流體，且進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)為6min-i,C=lmol/l,試分別采用軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型計算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)A0化率，并加以比較；(9)若反應(yīng)物料為宏觀流體，其它條件與上述相同，試估計反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并與微觀流體的結(jié)果加以比較？解：(1)由(5.20)式得：因是閉式系統(tǒng)，所以：空速為空時的倒數(shù)，所以4)F(1)=J1E(t)dt=0J116te-4tdt=一4te-