第一次作业作业第5题解答

5、在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化为环氧乙烷（C2H4O），副反应是乙烯完全氧化为二氧化碳和水。已知离开氧化反应器的气体尾气（干基）组成为：乙烯 3.22%，氮气79.64%，氧气10.81%，环氧乙烷0.83%，二氧化碳5.5%（均为体积分率）。该气体进入吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水，而其它气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。

计算（1）、乙烯的单程转化率

（2）、生成环氧乙烷的选择性

（3）、循环比

（4）、新鲜原料气中乙烯和空气量之比。

解：目的：题目中需要求解转化率、选择性等的公式如下：

根据这些公式，我们会发现要得到这些数据必须要对整个系统进行物料平衡分析计算。

思路：

首先理顺整个反应的工艺流程，写出主副反应，明确主副产物。然后，分析每个子流程中的物料变化情况，找出它们之间存在的关系；其次，就是以整个系统的进出物料做系统的物料平衡分析。在此题目中，存在主副两个反应，物料组分较多，为了简单方便的计算采用元素的原子平衡法来进行物料衡算。

分析题意画出该过程的流程方框图如下：

主反应式：

副反应式：

由该过程的流程框图可知：离开氧化反应器后的物流分成情况如下所示：

而且SP、RC、W物流的组成相同。由于题中给出了离开氧化反应器的尾气组成，故选取反应器出口100mol尾气为基准（计算简便）。设新鲜原料气（FF）中C2H4为X mol；空气为Y mol （为计算方便，79%N2和21%O2）；排放气为W mol；乙烯氧化成H2O的量为Z mol。得出RP、P、SP和W四股物流中各组分的摩尔分率如表1所示。

组分RP（出反应器气）P(产物) SP（出吸收塔气）W（排放气）物质的量

/mol

摩尔分

率/%

物质的

量/mol

物质的

量/mol

摩尔分

率/%

物质的

量/mol

摩尔分

率/%

C2H4 3.22 3.22 0 3.22 3.25 0.0325W 3.25 O210.81 10.81 0 10.81 10.9 0.109W 10.9 N279.64 79.64 0 79.64 80.3 0.803W 80.3 C2H4O 0.83 0.83 0.83 0 - 0 - CO2 5.5 5.5 0 5.5 5.55 0.0555W 5.55 H2O Z - Z 0 - 0 -

合计100+Z 100 0.83+Z 99.17 100 W 100

进入反应器的的气体MF由新鲜原料FF和循环气RC组成，混合过程无化学反应，分析这三股物流各种组分的组成情况见下表

组分

RC（循环气）FF（新鲜原料气）MF（混合原料气）物质的量/mol 摩尔分

率/%

物质的

量/mol

摩尔分率

/%

物质的量/mol

C2H4 3.22-0.0325W 3.25 X - 3.22-0.0325W+X O210.81-0.109W 10.9 0.21Y 21 10.81-0.109W+0.21Y N279.64-0.803W 80.3 0.79Y 79 79.64-0.803W+0.79Y C2H4O 0 - 0 - 0

CO2 5.5-0.0555W 5.55 0 - 5.5-0.0555W

H2O 0 - 0 - 0

合计99.17-W 100 X+Y 100 X+Y+99.17-W

围绕总系统做物料衡算，输入物料是新鲜的原料气，输出物料是产物（P）和排放气（W），吸收剂（水）的输入和输出量不变，不予考虑，所以衡算图可表示为：

由于系统中涉及的组分较多，为了计算的简便采用元素的原子平衡法来进行物料衡算，根据总系统物料衡算：

FF中某元素的元素的原子总的物质的量（mol）=P中该元素的原子总的物质的量（mol）+W中该元素的原子总的物质的量（mol）

整个系统的物质中出现的四种元素的原子平衡计算如下：

碳原子平衡 2X=（0.83×2）+（0.0325W×2+0.0555W）

氢原子平衡4X=（0.83×4+2Z）+（0.0325W×4）

氧原子平衡 0.21Y×2=（0.83+Z）+（0.109W×2+0.0555W×2）

氮原子平衡 0.79Y×2=0.803W×2

联立以上四个方程式，求解得到X=2.008 mol；Y=19.87 mol；Z=1.085 mol；W=19.55 mol

因为整个系统是一个稳态流动过程，系统中无任何组分累积，故在反应器副反应消耗的C2H4量可由水的生成量推算或排放于空气中的CO2的量推算，计算结果为0.5425mol。主反应消耗的C2H4量由C2H4O量推算主反应消耗的乙烯的量为0.83mol。

代入前面的计算公式可得