李绍芬版反应工程(第二版)完整答案
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1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+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） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol1. 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：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩Bkg/h 粗甲醇100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。
反应工程 课后答案 第二版
1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+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。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4.27x=69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH:%100221004.27⨯++--y x yx =6.983%空气：%1002210023279.54⨯++--y x y x =40.19% 水： %10022100281.17⨯++++y x y x =34.87%HCHO: %10022100⨯++y x x=17.26%CO 2: %10022100⨯++y x y=0.6983%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：23CO 2H CH OH +⇔ 23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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放空气体 Akmol/h原料气和冷凝分离后的气体组成如下：组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 21.460.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。
李绍芬版反应工程答案
1 绪论之阳早格格创做1.1正在银催化剂上举止甲醇氧化为甲醛的反应：加进反应器的本料气中，甲醇：气氛：火蒸气=2：4：1.3（摩我比），反应后甲醇的转移率达72%，甲醛的支率为69.2%.试预计（1）（1）反应的采用性；（2）（2）反应器出心气体的组成.解：（1）由（1.7）式得反应的采用性为：（2）加进反应器的本料气中，甲醇：气氛：火蒸气=2：4：1.3（摩我比），当加进反应器的总本料量为100mol设甲醇的转移率为X A，甲醛的支率为Y P，根据（1.3）战（1.5）式可得反应器出心甲醇、甲醛战二氧化碳的摩我数n A、n P战n c分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 moln P=n A0Y P=18.96 moln C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol分散上述反应的化教计量式，火（n W）、氧气（n O）战氮气（n N）的摩我数分别为：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol1.1. 2工业上采与铜锌铝催化剂由一氧化碳战氢合成甲醇，其主副反应如下：由于化教仄稳的节制，反应历程中一氧化碳不可能局部转移成甲醇，为了普及本料的利用率，死产上采与循环支配，将要反应后的气体热却，可凝组份形成液体即为细甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分搁空，大部分经循环压缩机后与本料气混同返回合成塔中.下图是死产过程示企图本料气Bkg/h 细甲醇 Akmol/h100kmol搁气氛体本料气战热凝分散后的气体组成如下：（mol）组分本料气热凝分散后的气体COH2CO2CH4N2细甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为沉量百分率.正在支配压力及温度下，其余组分均为不凝组分，然而正在热凝热却历程中可部分溶解于细甲醇中，对付1kg细甲醇而止，其溶解量为CO29.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g.若循环气与本料气之比为7.2（摩我比），试预计：（1）（1）一氧化碳的单程变更率战齐程转移率；（2）（2）甲醇的单程支率战齐程支率.解：（1）设新陈本料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件，预计进料本料气组成以品量分率表示如下：其中x i=y i M i/∑y i M i.进料的仄稳摩我品量M m=∑y i M i=10.42kg/kmol.经热凝分散后的气体组成（亦即搁气氛体的组成）如下：其中热凝分散后气体仄稳分子量为M’m=∑y i M i又设搁气氛体流量为Akmol/h，细甲醇的流量为Bkg/h.对付所有系统的N2做衡算得：×1000+=2.92 (A)对付所有系统便所有物料做衡算得：100×10.42=B+ (B) 联坐（A）、（B）二个圆程，解之得/h反应后产品中CO摩我流量为F CO=+9.38B/(28×1000)将供得的A、B值代进得F CO=4.431 kmol/h故CO的齐程转移率为由已知循环气与新陈气之摩我比，可得反应器出心处的CO 摩我流量为F’CO,0=100××100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的单程转移率为产品细甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4战N2总量D为细甲醇中甲醇的量为(B-D)X甲/M m=(785.2-0.02848B) ×所以，甲醇的齐程支率为Y总甲醇的单程支率为Y单2 反应能源教前提4L的恒容反应器中举止A的火解反应，反应前 A的含量为12.23%（沉量），混同物的稀度为1g/mL，反应物A 的分子量为88.正在等温常压下不竭与样领会，测的组分A 的浓度随时间变更的数据如下：试供反当令间为3.5h的A的火解速率.解：利用反当令间与组分A的浓度变更数据，做出C A～t的关系直线，用镜里法供得t=3.5h时该面的切线，即为火解速率.切线的斜率为由（2.6）式可知反应物的火解速率为300℃等温下举止甲烷化反应：催化剂体积为10ml，本料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变进心本料气流量Q0举止真验，测得出心CO的转移率为：试供当进心本料气体流量为50ml/min时CO的转移速率.解：是一个震动反应器，其反应速率式可用（2.7）式去表示故反应速率可表示为：用X A～V R/Q0做图，过V R/Q0=0.20min的面做切线，即得该条件下的dX A/d(V/Q)值α.故CO的转移速率为2.3已知正在Fe-Mg催化剂上火煤气变更反应的正反应能源教圆程为：式中y CO战y CO2W等于0.0535kmol/kg.h.如催化剂的比表面积为30m23，试预计：（1）（1）以反应体积为基准的速率常数k V.（2）（2）以反应相界里积为基准的速率常数k g.（3）（3）以分压表示反应物系组成时的速率常数k g.（4）（4）以摩我浓度表示反应物系组成时的速率常数k C.解：利用（2.10）式及（2.28）式可供得问题的解.注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3.2.4正在等温下举止液好同应A+B→C+D，正在该条件下的反应速率圆程为：若将A战B的初初浓度均为3mol/l的本料混同举止反应，供反应4min时A的转移率.解：由题中条件知是个等容反应历程，且A战B的初初浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得由（2.6）式可知代进速率圆程式化简整治得积分得解得X A =82.76%.3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及4.该塔是正在30MPa 压力下支配.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 ），试预计该处的反应速率.正在Fe 催化剂上氨合成反应速率式为：顺反应的活化能417.5810/=⨯E J mol .450℃时30.5322277()/=⋅k m MPa m h ，且212/=P k k K ，490℃时，Kp 可按下式预计：472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T 注：m 3为尺度坐圆米.解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是正在490℃下，故最先央供出490℃时的k 2值.利用（2.27）试，供出频次果子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-⨯⨯-⨯⨯-=-===⨯-==⨯=⨯E k A RTE A k e RTE k A e m MPa m h RT490℃的Kp 值由题给公式预计出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 供k 1值：供各组分的分压值：各组分的分率及分压值为反应速率为：2.6底下是二个反应的T-X图，图中AB是仄稳直线，NP是最佳温度直线，AM是等温线，HB是等转移率线.根据底下二图回问：（1）（1）是可顺反应仍旧不可顺反应？（2）（2）是搁热反应仍旧吸热反应？（3）（3）正在等温线上，A,D,O,E,M面中哪一面速率最大，哪一面速率最小？（4）（4）正在等转移率线上，H,C,R,O,F及B面中，哪一面速率最大，哪一面速率最小？（5）（5）正在C,R二面中，谁的速率大？（6）（6）根据图中所给的十面中，推断哪一面速率最大？（1）可顺反应可顺反应（2）搁热反应吸热反应(3)M面速率最大，A面速率最小 M面速率最大，A面速率最小(4)O面速率最大，B面速率最小 H面速率最大，B 面速率最小(5)R面速率大于C面速率 C面速率大于R面速率(6)M面速率最大根据等速线的走背去推断H,M面的速率大小.2.7正在举止一氧化碳变更反应能源教钻研中，采与B106催化剂举止考查，测得正反应活化能为4J mol,如果不思量顺反应，试问反应温度是550℃9.62910/时的速率比反应温度是400℃时的速率大几倍？解：从题中可知，反应条件除了温度分歧中，其余条件皆相共，而温度的效用表示正在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之近去形貌反应速率之比.2.8常压下，正在钒催化剂上举止SO2氧化反应，本料气组成为7%O2及82%N2.试预计转移率为80%时的最佳温度.二氧化硫正在钒催化剂上氧化的正反应活化能为4⨯J mol，化教计量数等于2，反应式为：9.21110/其仄稳常数与温度的关系为：该反应的热效力4-=⨯9.62910/H J mol.r解：（1）供出转移率为80%时各组分的分压：以100mol为基准（2）供与上述组成对付应的仄稳常数K P值：(3)供仄稳温度Te(4)利用（2.31）式供顺反应活化能E值(5)利用（2.31）式供最佳温度T OP2.9正在一恒容反应器中举止下列液好同应：式中r R,r D分别表示产品R及D的死成速率.反应用的本料为A与B的混同物，其中A的浓度为2kmol/m3，试预计A 的转移率达到95%时所需的反当令间.解：反应物A的消耗速率应为二反应速率之战，即利用（2.6）式积分之2.10正在催化剂上举止三甲基苯的氢解反应：反应器进心本料气组成为66.67%H2,33.33%三甲基苯.正在0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出心三甲基苯的转移率为80%时，其混同气体的氢含量为20%，试供：（1）（1）此时反应器出心的气体组成.（2）（2）若那二个反应的能源教圆程分别为：则出心处二甲基苯的死成速率是几？解：以100mol为预计基准，设X为三甲基苯的转移率，Y为死成的甲苯摩我数.（1）（1）用物料衡算供出心气体组成：由题给条件可知，混同气中氢的含量为20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20×0.8-20=20.01kmol（甲苯量）×××氢气含量为：20kmol故出心尾气组成为：三甲基苯6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%.（2）（2）由题给条件可知，三甲基苯的出心浓度为：210℃等温下举止亚硝酸乙脂的气相领会反应：该反应为一级不可顺反应，反应速率常数与温度的关系为1441k T s，若反应是正在恒容下举=⨯-⨯1.3910exp( 1.89710/)()-止，系统的起初总压为0.1013MPa，采与的是杂亚硝酸乙脂，试预计亚硝酸乙脂领会率为80%时，亚硝酸乙脂的领会速率及乙醇的死成速率.若采与恒压反应，乙醇的死成速率又是几？解：（1）恒容历程，其反应式可表示为：反应速率式表示为：设为理念气体，反应物A的初初浓度为：亚硝酸乙脂的领会速率为：乙醇的死成速率为：（2）恒压历程，由于反应前后摩我数有变更，是个变容历程，由（2.49）式可供得总摩我数的变更.由于反应物是杂A ，故有：y A0=1.由（2.52）式可供得组分的瞬间浓度：22001426(1) 2.52310(10.8) 2.80310/11110.81.3910exp(18973/483)2.803103.39510/.δ-----⨯-===⨯++⨯⨯==⨯-⨯⨯=⨯A A A A A A A A C X C mol l y X r kC mol l s 乙醇的死成速率为：750℃等温下的转移反应为：本料气中甲烷与火蒸气的摩我比为1：4，若那个反应付于各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试供：（1） （1） 反应正在恒容下举止，系统的初初总压为0.1013MPa ，当反应器出心的CH 4转移率为80%时，CO 2战H 2的死成速率是几？（2） （2） 反应正在恒压下举止，其余条件如（1），CO 2的死成速率又是几？解：（1）由题意可将反应速率表示为：对付于恒容历程，则有当X A0（2）对付于恒压历程，是个变容反应历程，由（2.49）式可供得总摩我数的变更反应物A 的本初分率：由（2.52）式可供得转移率为80%时的浓度：2.13正在473K 等温及常压下举止气好同应：（1）3→A R 1.2/min =⋅R A r C mol l（2）2→A S 0.5/min =⋅S A r C mol l（3）→A T 2.1/min =⋅T A r C mol l式中C A 为反应物A 的浓度（mol/l ），本料中A 战惰性气体各为一半（体积比），试供当A 的转移率达85%时，其转移速率是几？解：要领（1），先供出总摩我变更数δA .最先将产品的死成速率形成对付应的反应物的转移速率： 总反应速率为：以一摩我反应物A 为基准，总摩我变更数为：初初浓度为：则有要领（2），可将C A 表示为：要领（3），利用物料衡算可分别供出反应物A 死成R 及S 的瞬间采用性S R ,S S ,果而可供出产品R 及S 的支率y R ,y S ,供得A 转移率为85%时的分率：其中：2.14正在Pt 催化剂上举止同丙苯领会反应：以A,B 及R 分别表示同丙苯，苯及丙烯，反应步调如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ⇔+A B R（3）σσ⇔+B B若表面反应为速率统制步调，试推导同丙苯领会的速率圆程.解：根据速率统制步调及定态近似本理，除表面反应中，其余二步达到仄稳，形貌如下：以表面反应速率圆程去代表所有反应的速率圆程： 由于1θθθ++=A B V将,θθA B 代进上式得：整治得：将,,θθθA B V 代进速率圆程中其中2.15正在银催化剂上举止乙烯氧化反应：化做22()()2()+→A B R其反应步调可表示如下：（1）σσ+⇔A A（2）222σσ+⇔B B（3）σσσσ+⇔+A B R（4）σσ⇔+R R假如第三步是速率统制步调，试推导其能源教圆程.解：根据速率统制步调及定态近似本理，除表面反应步调中，其余近似达到仄稳，写出相映的覆盖率表白式： 所有反应的速率圆程以表面反应的速率圆程去表示： 根据总覆盖率为1的准则，则有：或者整治得：将,,,θθθθA B R V 代进反应速率圆程，得：其中→+A B D ，其反应步调表示如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ→+A B D（3）σσ⇔+B B若（1）速率统制步调，试推导其能源教圆程.解：先写出各步的速率式：由于（1）是速率统制步调，第（2）步是不可顺反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有：整治得：根据定态近似准则果为1θθθ++=A B V将,θθA B 代进上式，化简后得：末尾将,θθA V 代进吸附速率式，即为该反应的能源教圆程式.2.17一氧化碳变更反应：正在较矮温度下，其能源教圆程可表示为：试拟定该反应的符合的反应步调.解：根据题意，假设反应步调如下：并假设第二步是统制步调，其速率圆程便代表了所有反应的速率圆程：其余的二步可认为达到仄稳，则有：由于1θθθ++=A B V ，有：将,θθA V 代进速率式，得：式中=S A k k K .故上述假定与题意切合.然而上述假定的反应步调不是唯一的.2.18利用习题2.1的数据，试用积分法战微分法供其能源教圆程.解：先用积分法供其能源教圆程.设为一级不可顺反应，其速率表白式为：积分得： 用0ln()A A C C ～t 做图.-1，故假设一级反应是合理的，其能源教圆程可表示为： 用微分法供解能源教圆程最先用C A ～t 直线，正在直线上与时间为0，1，2，……9h 所对付应面的切线，为了准确可采与镜里法，供得各切线的斜率即为对付应的dC A /dt 之值，而后再以dC A /dt ～C A设为一级不可顺反应，用dC A /dt ～C A -1，其能源教圆程可表示为：或者将速率圆程直线化，即二边与对付数，得： ≈1，反应速率常数值为k=0.4996.还可用一数教公式去拟合C A ～t 直线，而后再将该数教公式对付t 供导，供得dC A /dt 之值，此法会比做图法去的准确.2.19正在Ni 催化剂上举止甲烷化反应：由真验测得200℃时甲烷的死成速率R CH4及CO 战H 2的分压p CO ,p H 2的关系如下：若该反应的能源教圆程可用幂函数表示，试用最小二乘法供一氧化碳的反应级数及正反应速率常数.解：由题意可写出速率圆程式：然而由于氢的分压脆持为0.1013MPa 的恒定值，反应速率式可简化为：式中2'β=H k k p .将速率式直线化：4ln ln ln =+CH CO r k a p 或者=+y b ax式中4ln ,ln ,ln ===+CH CO y r b k x p ，由残好仄圆战最小而导出最小二乘法的系数预计式：将乏加值代进a,b 系数式中，得：2.20正在铂催化剂上，乙烯深度氧化的能源教圆程可表示为：式中p A,p B分别表示乙烯及氧的分压.正在473K等温下的真验数据如下：试供该温度下的反应速率常数k战吸附仄稳常数K B.解：最先将能源教圆程式直线化：或者y=b+ax.其中仄稳偏偏好 4.7%δ=，截止是令人谦意的.3 釜式反应器3.1正在等温间歇反应器中举止乙酸乙酯白化反应：该反应付于乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级.反应启初时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min.央供最后转移率达到95%.试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多少的反当令间？（2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反当令间又是几？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 果为间歇反应器的反当令间与反应器的大小无关，所以反当令间仍为2.83h.3.2拟正在等温间歇反应器中举止氯乙醇的白化反应： 以死产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（沉量）的NaHCO 3火溶液及30%（沉量）的氯乙醇火溶液做本料，反应器拆料中氯乙醇战碳酸氢钠的摩我比为1：1，混同液的比沉为1.02.该反应付于氯乙醇战碳酸氢钠均为一级，正在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，央供转移率达到95%.（1） （1） 若辅帮时间为0.5h ，试预计反应器的灵验体积；（2） （2） 若拆挖系数与0.75，试预计反应器的本量体积. 解：氯乙醇，碳酸氢钠，战乙二醇的分子量分别为80.5,84 战 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h 本料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初初浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l 反当令间：反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的本量体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应：为二级可顺反应（对付丙酸钠战盐酸均为一级），正在真验室中用间歇反应器于50℃等温下举止该反应的真验.反应启初时二反应物的摩我比为1，为了决定反应举止的程度，正在分歧的反当令间下与出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以决定已反应盐酸浓度.分歧反当令间下，NaOH 溶液用量如下表所示：现拟用与真验室反应条件相共的间歇反应器死产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转移率要达到仄稳转移率的90%.试预计反应器的反应体积.假定（1）本料拆进以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min ，且正在加热历程中不举止反应；（2）卸料及荡涤时间为10min ；（3）反应历程中反应物稀度恒定.解：用A,B,R,S 分别表示反应圆程式中的四种物量，利用当量关系可供出任一时刻盐酸的浓度（也便是丙酸钠的浓度，果为其计量比战投量比均为1：1）为： 于是可供出A 的仄稳转移率：现以丙酸浓度对付时间做图：由上图，当C A ×14.7mol/l 时，所对付应的反当令间为48min.由于正在共样条件下，间歇反应器的反当令间与反应器的大小无关，所以该死产规模反应器的反当令间也是48min.丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min.所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min.本料处理量为：000/156.4/(0.051552.5)57.84/min ==+=A A Q F C l 反应器体积：00()57.84(182010)4512=+=⨯++=r V Q t t l 本量反应体积：4512/0.85640=l3.4正在间歇反应器中，正在绝热条件下举止液好同应： 其反应速率圆程为：143110001.110exp()/.=⨯-A A B r C C kmol m h T式中组分A 及B 的浓度C A 及C B 以kmol/m 333.K 预计.反应启初时反应混同物的温度为50℃.（1） （1） 试预计A 的转移率达85%时所需的反当令间及此时的反应温度.（2） （2） 如果央供局部反应物皆转移为产品R ，是可大概？为什么？解：(1)（由数值积分得出）(2)若A 局部转移为R,即X A =1.0,则由上头的积分式知，t →∝,那隐然是不可能的.3.5正在间歇反应器中举止液好同应：3,C ，D 的初初浓度为整，B 过量，反当令间为t 1时，C A 3，C C =0.038 kmol/m 3，而反当令间为t 2时，C A =0.01 kmol/m 3，C C 3，试供：（1） （1） k 2/k 1;（2） （2） 产品C 的最大浓度；（3） （3） 对付应C 的最大浓度时A 的转移率.解：(1)果为B 过量，所以：恒容时：'1-=A A dC k C dt （A ）''12-=-C A C dC k C k C dt (B)（B ）式除以（A ）式得：解此微分圆程得：'2'10'200'11⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥-⎣⎦k k A A A C A A C C C C k C C k（C ）将t 1,C A ,C C 及t 2,C A ,C C 数据代进（C ）式化简得： 解之得：(2)先供出最大转移率:(3)产品C 的最大支率：产品C 的最大浓度：3.6 正在等温间歇反应器中举止液好同应初初的反应物料中不含A 2战A 3，A 1的浓度为2mol/l ，正在反应温度下k 1-1,k 2-1,k 3-1.试供:（1） （1） 反当令间为1.0min 时，反应物系的组成.（2） （2） 反当令间无限延万古，反应物系的组成.（3） （3） 将上述反应改为31123−−→⇔←−→k k A A A 反当令间无限延万古，反应物系的组成.解：根据题中给的二种反应情况，可分别列出微分圆程，而后举止供解.然而小心领会那二种情况，本去量是下述反应的惯例：12123←−→←−→k k A A A (A)当'20=k 时，（A ）式形成123⇔→A A A (B) 当'10=k 时，（A ）式形成123→⇔A A A (C) 当''120,0==k k 时，（A ）式形成123→→A A A (D) 其中式（D ）即为书籍道的一级不可顺连串反应.可睹只消得到（A ）式的解，则可简单化简得到（B ）,(C)及(D)式的解.对付于(A)式，可列出如下微分圆程组：'11111-=-dC k C k C dt (1)''211231222=+--dC k C k C k C k C dt (2)'32223=-dC k C k C dt (3)由题意知初初条件为：11023(0),(0)(0)0===C C C C (4)联坐供解此微分圆程组可得：'''''21112211011()()()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-++⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k k e k e C C k k αβαβαβαβααββ (5)'''12122210()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e k e C C αβαβαβαβαβ (6)1212310⎧⎫⎡⎤⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e e C C αβαβαβαβ (7)式中，,αβ由如下式决定：'''121221=++k k k k k k αβ (8)''1122()+=-+++k k k k αβ (9)当前可用上述截止对付本题举止预计：（1）1'11'11224.0min , 3.6min , 1.5min ,0,1min ---=====k k k k t 由（5）～（9）式得（2）当t →∝时，由（5）～（9）式得（3）此时为'10=k 的情况，当t →∝时，由114.0min ,-=k 1'1221.5min , 3.6min --==k k 得：3.7拟安排一反应拆置等温举止下列液好同应：脚段产品为R ，B 的代价近较A 贵且阻挡易回支，试问：（1） （1） 怎么样采用本料配比？（2） （2） 若采与多段齐混流反应器串联，何种加料办法最佳？（3） （3） 若用半间歇反应器，加料办法又怎么样？解：（1）212221211221===++A R A B AB A A B A B B r kC C S k C R k C C k C C k C νν 由上式知，欲使S 减少，需使C A 矮，C B 下，然而由于B 的代价下且阻挡易回支，故应按主反应的计量比投料为好.（2）包管C A 矮，C B 下，故可用下图所示的多釜串联办法：（3）用半间歇反应器，若欲使C A 矮，C B 下，不妨将B 一次先加进反应器，而后滴加A.300l 的反应器中86℃3的过氧化氢同丙苯溶液领会： -1,最后转移率达98.9%，试预计苯酚的产量.（1） （1） 如果那个反应器是间歇支配反应器，并设辅帮支配时间为15min;（2） （2） 如果是齐混流反应器；（3） （3） 试比较上二问的预计截止；（4） （4） 若过氧化氢同丙苯浓度减少一倍，其余条件稳定，截止何如？解：（1）苯酚浓度0 3.20.989 3.165/==⨯=苯酚A A C C X mol l苯酚产量018.82 3.16559.56/min 335.9/=⨯==苯酚Q C mol kg h（2）齐混流反应器苯酚产量016.02 3.20.98950.69/min 285.9/=⨯⨯==苯酚Q C mol kg h（3）证明齐混釜的产量小于间歇釜的产量，那是由于齐混釜中反应物浓度矮，反应速度缓的本果.（4）由于该反应为一级反应，由上述预计可知，无论是间歇反应器或者齐混流反应器，其本料处理量稳定，然而由于C AB 减少一倍，故C 苯酚也减少一倍，故上述二个反应器中苯酚的产量均减少一倍.3.9正在间歇反应器中等温举止下列液好同应：r D及r R分别为产品D及R的死成速率.反应用的本料为A 及B的混同液，其中A的浓度等于2kmol/m3.（1）（1）预计A的转移率达95%时所需的反当令间；（2）（2） A的转移率为95%时，R的支率是几？（3）（3）若反应温度稳定，央供D的支率达70%，是可办到？（4）（4）改用齐混反应器支配，反应温度与本料组成均不改变，脆持空时与（1）的反当令间相共，A的转移率是可可达到95%？（5）（5）正在齐混反应器中支配时，A的转移率如仍央供达到95%，其余条件稳定，R的支率是几？（6）（6）若采与半间歇支配，B先搁进反应器内，启初反当令A按（1）预计的时间均速加进反应器内.假若B的量为1m33，试预计A加完时，组分A所能达到的转移率及R的支率.(2)(3)若转移率仍为0.95，且温度为常数，则D的瞬时采用性为：D的支率：那证明能使D的支率达到70%（4）对付齐混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有解之得：C A所以：0.77840.95-==A AAAC CXC那证明正在那种情况下转移率达不到95%.（5）（5）对付齐混流反应器，若X=0.95,则R的支率为：（6）依题意知半间歇式反应器属于连绝加料而间歇出料的情况.为了供分组A 的转移率及R 的支率，需央供出A 及R 的浓度随时间的变更关系，现列出如下的微分圆程组：对付A: 200()(1.616.4)++=A A A A d VC C C V Q C dt （1）对付R:() 1.60-=R A d VC C V dt （2）00=+V V Q t （3）正在反当令间（t=0.4038h,为便当起睹与t ≈0.4h ）内将0.4 m 3的A 均速加进反应器内，故300.41/0.4==Q m h 采与间歇釜支配时，本料为A 与B 的混同物，A 的浓度为2kmol/ m 3.现采与半间歇釜支配，且331,0.4==B A V m V m ，故可算出本料A 的浓度为：30(10.4)2/0.4+⨯=A C kmol m 由于：代进（1），（2）式则得如下一阶非线性微分圆程组：27 1.616.41-=--+A A A A dC C C C dt t （4） 1.61=-+R RA dC C C dt t （5）初初条件：t=0,C A =0,C R =0可用龙格---库塔法举止数值供解.与步少△A 战C R 不妨举止A 的转移率战R 的支率预计：0000--==A A A A A A A A A N N C V C V X N C V式中V A 为所加进的A 的体积，且V A 3;C A0为所加进的A 的浓度，且C A0=7kmol/m 33.共理不妨预计出R 的支率：0=R R A A C V Y C V 3.10正在二个齐混流反应器串联的系统中等温举止液好同应：3,流量为4m 3/h,央供A 的最后转移率为90%，试问：（1） （1） 总反应体积的最小值是几？（2） （2） 此时脚段产品B 的支率是几？（3） （3） 如劣化目标函数改为B 的支率最大，最后转移率为几？此时总反应体积最小值是几？解：（1）对付上式供dV r /dX A1=0可得：1212111(1)+-=--A A A X X X将X A2=0.9代进上式，则311100(1)1-=+A A X X解之得X A1所以总反应体积的最小值为(2) 即113.24940.0912314=-B B C C解得C B1=0.005992 kmol/m 3 共理212222220224.6760.0059924341434(1)14--===---BB B A B A A B CC C C C C X C τ解得C B2=0.00126 kmol/m 3B 的支率：2020.001262 1.26%0.2⨯===B B A C Y C(3)目标函数改为B 的支率，那时的预计步调如下：对付于第i 个釜，组分A,B 的衡算圆程分别为：对付A: 1268--=Ai AiiAi C C C τ对付B: 123414--=-Bi Bi iAi Bi C C C C τ当i=1时，0112168-=A A A C C C τ （1）112113414=-B A B C C C τ （2）当i=2时，1222268-=A A A C C C τ （3）222223414=-B A B C C C τ （4）由（1）式解出C A1代进（2）式可解出C B1; 由（1）式解出C A1代进（3）式可解出C A2;将C B1及C A2代进（4）式可解出C B2,其为τ1,τ2的函数，即2012(,,)=B A C f C ττ（5）式中C A0为常数.由题意，欲使C B2最大，则需对付上述二元函数供极值:联坐上述二个圆程不妨供出τ1及τ2.题中已给出Q 0,故由012()=+r V Q ττ可供出C B2最大时反应器系统的总体积.将τ1,τ2代进（5）式即可供出B 的最下浓度，从而可进一步供出Y BmaX .将τ1,τ2代进C A2，则由X A2=(C A0-C A2)/C A0可供出最后转移率.490cm 3的CSTR 中举止氨与甲醛死成黑洛托品的反应：3264246()6+→+NH HCHO CH N H O式中（A ）--NH 3,(B)—HCHO,反应速率圆程为：式中31.4210exp(3090/)=⨯-k T 3/s 的流量加进反应器，反应温度可与为36℃，假设该系统稀度恒定，试供氨的转移率X A 及反应器出心物料中氨战甲醛的浓度C A 及C B .解： 即得：234900.06447(1)(3.16 1.5 2.03)=--⨯AfAf Af X X X整治得：323.075 3.162 1.0770-+-=Af Af Af X X X解得：X Af反应器出心A,B 得浓度分别为：3.12正在一多釜串通联统，/h 的乙醇 战.h 的醋酸举止可顺反应.各个反应器的体积均为3，反应温度为100℃×10-4l ×10-4 l/mol.min.反应混同物的稀度为864kg/m 3,欲使醋酸的转移率达60%，供此串通联统釜的数目.解：等体积的多釜串通联统A,B,C,D 分别代表乙酸，乙酸乙酯战火.由计量关系得： 从已知条件预计出：将上述数据代进（A ）式，化简后得到：若i=1,则（B ）式形成：21100.04056 1.51130.887 6.48+-==A A A C C C 解之得：114.364/,0.326==A A C mol l X 若i=2,则（B ）式形成：22210.04056 1.51130.887 4.364+-==A A A C C C 解之得：213.20/,0.506==A A C mol l X 若i=3,则（B ）式形成：23320.04056 1.51130.887 3.2+-==A A A C C C 解之得：312.53/,0.609==A A C mol l X 即：三釜串联能谦脚央供.3.13以硫酸为催化剂，由醋酸战丁醇反应可制得醋酸丁酯.堆栈里忙置着二台反应釜，一台的反应体积为3m 3,另一台则为1m 33，丁酯则洪量过剩，该反应付于醋酸为2级，正在反应温度下反应速率常数等于3/h.kmol ，央供醋酸的最后转移率不小于50%，那二台反应釜可视为齐混反应器，您认为采与何如的串联办法醋酸丁酯的产量最大？为什么？试预计您所采用的规划得到的醋酸丁酯产量.如果举止的反应是一级反应，那二台反应器的串联办法又应怎么样？ 解：果为反应级数大于1，所以联坐办法应当是小釜正在前，大釜正在后才搞使醋酸丁酯产量最大.现举止预计： 二式联坐化简后得到：（将X A2=0.5代进）解之得：X A1醋酸丁酯产量=0020.48730.150.536.55/=⨯⨯=A A Q C X mol h 如果举止的是一级反应，可举止如下预计：（1） （1） 小反应器正在前，大反应器正在后: 联坐二式，且将X A2=0.5代进，化简后得到:解得：X A1 所以有：3101(1) 1.2(10.1771) 5.576/0.1771--===A A k X Q m h X 醋酸丁酯产量=002 5.5760.150.50.4182/=⨯⨯=A A Q C X kmol h (2)大反应器正在前，小反应器正在后:解得X A1 所以有：31013(1)3 1.2(10.3924) 5.575/0.3924-⨯-===A A k X Q m h X产量共前.证明对付此一级反应，对接办法不效用.3.14等温下举止1.5级液相不可顺反应：→+A B C .反应速率常数等于5m/kmol.h ，A 的浓度为2kmol/m 3的溶液加进反应拆置的流量为3/h ，试分别预计下列情况下A 的转移率达95%时所需的反应体积：（1）齐混流反应器;(2)二个等体积的齐混流反应器串联；（3）包管总反应体积最小的前提下，二个齐混流反应器串联.解：（1）齐混流反应器（2） （2） 二个等体积齐混流反应器串联由于12=r r V V ，所以由上二式得：将X A2=0.95代进上式，化简后得到X A1=0.8245，所以： 串通联统总体积为：312 4.758==r r V V m （3） （3） 此时的情况共（1），即318.03=r V m 3/min 的流量连绝通进反应体积为20m 3的齐混流反应器，举止液好同应：C A ,C R 为组分A 及R 的浓度.r A 为组分A 的转移速率，。
李绍芬《反应工程》课后习题答案
李绍芬《反应工程》课后习题答案1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+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） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.391. 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：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。
李绍芬版反应工程(第二版)完整答案
1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+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） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol1. 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：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。
反应工程 课后答案 第二版
1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+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。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4.27x=69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH:%100221004.27⨯++--y x yx =6.983%空气：%1002210023279.54⨯++--y x y x =40.19% 水： %10022100281.17⨯++++y x y x =34.87%HCHO: %10022100⨯++y x x=17.26%CO 2: %10022100⨯++y x y=0.6983%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：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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放空气体 Akmol/h原料气和冷凝分离后的气体组成如下：组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 21.460.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。
李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 管式反应器
4 管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应： 6532664+→+C H CH H C H CH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==-T H T T C C C X示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.500 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mol l所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X lkC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
反应工程 李少芬答案
CA(mol/L) 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A的水解速率。
解：利用反应时间与组分A的浓度变化数据，作出CA～t的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h时该点的切线，即为水解速率。
原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）
组分 原料气 冷凝分离后的气体
CO 26.82 15.49
H2 68.25 69.78
CO2 1.46 0.82
CH4 0.55 3.62
N2 2.92 10.29
粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。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1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：
（6） （6） 根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？
解： 图2.1 图2.2
（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
解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
2.8常压下，在钒催化剂上进行SO2氧化反应，原料气组成为7%O2及82%N2。试计算转化率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为 ，化学计量数等于2，反应式为：
反应工程第二版完整答案(可编辑)
反应工程第二版完整答案（可编辑）反应工程第二版完整答案1 绪论11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 2413摩尔比反应后甲醇的转化率达72甲醛的收率为692试计算1 反应的选择性2 反应器出口气体的组成解1由17式得反应的选择性为2进入反应器的原料气中甲醇空气水蒸气 2413摩尔比当进入反应器的总原料量为100mol时则反应器的进料组成为组分摩尔分率yi0 摩尔数ni0 mol CH3OH 22413 027402740 空气 42413 05479 5479 水132****17811781 总计 1000 1000 设甲醇的转化率为XA甲醛的收率为YP根据13和15式可得反应器出口甲醇甲醛和二氧化碳的摩尔数nAnP和nc分别为nA nA0 1-XA 7672 molnP nA0YP 1896 molnC nA0 XA-YP 07672 mol结合上述反应的化学计量式水nW氧气nO和氮气nN的摩尔数分别为nW nW0nP2nC 3830 molnO nO0-12nP-32nC 08788 molnN nN0 4328 mol所以反应器出口气体组成为组分摩尔数mol 摩尔分率 CH3OH 7672 6983 HCHO1896 1726 H2O 383 3487 CO2 07672 06983O2 08788 07999 N2 4328 39391 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份变为液体即为粗甲醇不凝组份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原料气 Bkgh 粗甲醇 Akmolh100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下mol组分原料气冷凝分离后的气体 CO 2682 1549 H26825 6978 CO2 146 082 CH4 055 362N2 292 1029 粗甲醇的组成为CH3OH 8915 CH3 2O355C3H9OH 110H2O 620均为重量百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1kg粗甲醇而言其溶解量为CO2 982gCO 938gH2 176gCH4 214gN2538g若循环气与原料气之比为72摩尔比试计算1 一氧化碳的单程转换率和全程转化率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100kmolh则根据已知条件计算进料原料气组成以质量分率表示如下组分摩尔质量 yi0 mol Fi0 kmolh 质量分率xi0 CO 282682 2682 7205 H2 2 6825 6825 131 CO2 44146 146 6164 CH4 16 055 055 08443 N2 28292 292 7844 总计 100 100 100 其中xi yiMi?yiMi进料的平均摩尔质量Mm ?yiMi 1042kgkmol经冷凝分离后的气体组成亦即放空气体的组成如下组分摩尔质量摩尔分率yi CO 28 1549 H2 2 6978CO2 44 082 CH4 16 362 N2 28 1029 总计 100 其中冷凝分离后气体平均分子量为Mm ?yiMi 9554又设放空气体流量为Akmolh粗甲醇的流量为Bkgh对整个系统的N2作衡算得538B28×100001029A 292 A对整个系统就所有物料作衡算得100×1042 B9554A B联立AB两个方程解之得A 2691kmolhB 7852kgh 反应后产物中CO摩尔流量为FCO 01549A938B 28×1000将求得的AB值代入得FCO 4431 kmolh故CO的全程转化率为由已知循环气与新鲜气之摩尔比可得反应器出口处的CO摩尔流量为FCO0 100×0268272×100×01549 1384 kmolh所以CO的单程转化率为产物粗甲醇所溶解的CO2COH2CH4和N2总量D为粗甲醇中甲醇的量为B-D X甲Mm 7852-002848B ×0891532 2125 kmolh所以甲醇的全程收率为Y总 21252682 7924甲醇的单程收率为Y单 21251384 15362 反应动力学基础21在一体积为4L的恒容反应器中进行A的水解反应反应前 A的含量为1223重量混合物的密度为1gmL反应物A的分子量为88在等温常压下不断取样分析测的组分A的浓度随时间变化的数据如下反应时间h 10 20 30 40 50 60 70 80 90 CA molL 09061 042 028 017 012 008 0045 003 试求反应时间为35h的A的水解速率解利用反应时间与组分A的浓度变化数据作出CA,t的关系曲线用镜面法求得t 35h时该点的切线即为水解速率切线的斜率为由26式可知反应物的水解速率为22在一管式反应器中常压300?等温下进行甲烷化反应催化剂体积为10ml原料气中CO的含量为3其余为N2H2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Q0 mlmin 833 676 500 385 294 222 X20 30 40 50 60 70 试求当进口原料气体流量为50mlmin时CO的转化速率解是一个流动反应器其反应速率式可用27式来表示故反应速率可表示为用XA,VRQ0作图过VRQ0 020min的点作切线即得该条件下的dXAd VRQ0 值α VRQ0min 012 0148 020 026 034 045 XA 200300 400 500 600 700故CO的转化速率为23已知在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和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率01MPa压力及700K时反应速率常数kW等于00535kmolkgh如催化剂的比表面积为30m2g堆密度为113gcm3试计算1 以反应体积为基准的速率常数kV2 以反应相界面积为基准的速率常数kg3 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg4 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC解利用210式及228式可求得问题的解注意题中所给比表面的单位换算成m2m3 24在等温下进行液相反应AB?CD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3moll的原料混合进行反应求反应4min时A的转化率解由题中条件知是个等容反应过程且A和B的初始浓度均相等即为15moll故可把反应速率式简化得由26式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得XA 827625氨合成塔入口的气体组成为35NH3208N2626H2708Ar及589CH4该塔是在30MPa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10mol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逆反应的活化能450?时且490?时Kp可按下式计算注m3为标准立方米解题中给出450?时的k2值而反应是在490?下故首先要求出490?时的k2值利用227试求出频率因子A490?的Kp值由题给公式计算出求k1值求各组分的分压值各组分的分率及分压值为NH3 10 pNH3 3MPa N2 1906 pN2 5718MPa H2 5718pH2 1715MPa Ar CH4 1379 pAr CH4 4137MPa 反应速率为26下面是两个反应的T-X图图中AB是平衡曲线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1 是可逆反应还是不可逆反应2 是放热反应还是吸热反应3 在等温线上ADOEM点中哪一点速率最大哪一点速率最小4 在等转化率线上HCROF及B点中哪一点速率最大哪一点速率最小5 在CR两点中谁的速率大6 根据图中所给的十点中判断哪一点速率最大解图21 图221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 O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6 M点速率最大根据等速线的走向来判断HM点的速率大小27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如果不考虑逆反应试问反应温度是550?时的速率比反应温度是400?时的速率大多少倍解从题中可知反应条件除了温度不同外其它条件都相同而温度的影响表现在反应速率常数k上故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比28常压下在钒催化剂上进行SO2氧化反应原料气组成为7O2及82N2试计算转化率为80时的最佳温度二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为化学计量数等于2反应式为其平衡常数与温度的关系为该反应的热效应解1求出转化率为80时各组分的分压以100mol为基准x SO2 O2 SO3 N2 ? 0 70 110 0 820 1000080 7 1-080 14 11-56×05 82 560 820 9722求与上述组成对应的平衡常数KP值3 求平衡温度Te4 利用231式求逆反应活化能值5 利用231式求最佳温度TOP29在一恒容反应器中进行下列液相反应式中rRrD分别表示产物R及D的生成速率反应用的原料为A与B的混合物其中A的浓度为2kmolm3试计算A的转化率达到95时所需的反应时间解反应物A的消耗速率应为两反应速率之和即利用26式积分之210在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应反应器进口原料气组成为6667H23333三甲基苯在01Mpa及523K下等温反应当反应器出口三甲基苯的转化率为80时其混合气体的氢含量为20试求1 此时反应器出口的气体组成2 若这两个反应的动力学方程分别为则出口处二甲基苯的生成速率是多少解以100mol为计算基准设X为三甲基苯的转化率Y为生成的甲苯摩尔数1 用物料衡算求出口气体组成组分名称 X 0时 X 08时三甲基苯 A 3333 33331-X氢B 6667 6667-3333X-Y 二甲基苯 C 0 3333X-Y甲烷 D 0 3333XY 甲基苯E 0 Y ? 10001000 由题给条件可知混合气中氢的含量为20所以有6667-3333X-Y 20解得Y 6667-3333×08-20 2001kmol甲苯量生成的二甲基苯量3333×08-2001 6654kmol生成的甲烷量3333×082001 4667kmol剩余的三甲基苯量3333×1-08 6666kmol氢气含量为20kmol故出口尾气组成为三甲基苯6666氢气20二甲基苯6654甲烷4667甲基苯20012 由题给条件可知三甲基苯的出口浓度为211在210?等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应该反应为一级不可逆反应反应速率常数与温度的关系为若反应是在恒容下进行系统的起始总压为01013MPa采用的是纯亚硝酸乙脂试计算亚硝酸乙脂分解率为80时亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率若采用恒压反应乙醇的生成速率又是多少解1恒容过程其反应式可表示为反应速率式表示为设为理想气体反应物A的初始浓度为亚硝酸乙脂的分解速率为乙醇的生成速率为2恒压过程由于反应前后摩尔数有变化是个变容过程由249式可求得总摩尔数的变化由于反应物是纯A故有yA0 1由252式可求得组分的瞬间浓度乙醇的生成速率为212甲烷与水蒸气在镍催化剂及750?等温下的转化反应为原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为14若这个反应对各反应物均为一级已知k2lmols试求1 反应在恒容下进行系统的初始总压为01013MPa当反应器出口的CH4转化率为80时CO2和H2的生成速率是多少2 反应在恒压下进行其他条件如1CO2的生成速率又是多少解1由题意可将反应速率表示为对于恒容过程则有当XA0 08时2对于恒压过程是个变容反应过程由249式可求得总摩尔数的变化反应物A的原始分率由252式可求得转化率为80时的浓度213在473K等温及常压下进行气相反应123式中CA为反应物A的浓度moll原料中A和惰性气体各为一半体积比试求当A的转化率达85时其转化速率是多少解方法1先求出总摩尔变化数首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率总反应速率为以一摩尔反应物A为基准总摩尔变化数为初始浓度为则有方法2可将CA表示为方法3利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性SRSS因而可求出产物R及S的收率yRyS求得A转化率为85时的分率其中214在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应以AB及R分别表示异丙苯苯及丙烯反应步骤如下 123若表面反应为速率控制步骤试推导异丙苯分解的速率方程解根据速率控制步骤及定态近似原理除表面反应外其它两步达到平衡描述如下以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程由于将代入上式得整理得将代入速率方程中其中215在银催化剂上进行乙烯氧化反应化作其反应步骤可表示如下1234若是第三步是速率控制步骤试推导其动力学方程解根据速率控制步骤及定态近似原理除表面反应步骤外其余近似达到平衡写出相应的覆盖率表达式整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示根据总覆盖率为1的原则则有或整理得将代入反应速率方程得其中216设有反应其反应步骤表示如下 123若1速率控制步骤试推导其动力学方程解先写出各步的速率式由于1是速率控制步骤第2步是不可逆反应其反应速率应等于1的吸附速率故有整理得根据定态近似原则因为将代入上式化简后得最后将代入吸附速率式即为该反应的动力学方程式217一氧化碳变换反应在较低温度下其动力学方程可表示为试拟定该反应的合适的反应步骤解根据题意假设反应步骤如下并假设第二步是控制步骤其速率方程就代表了整个反应的速率方程其余的两步可认为达到平衡则有由于有将代入速率式得式中故上述假定与题意符合但上述假定的反应步骤不是唯一的 com试用积分法和微分法求其动力学方程解先用积分法求其动力学方程设为一级不可逆反应其速率表达式为积分得用,t作图t h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0044208311253160921082457286234383843 作图得一直线其斜率为0425h-1故假设一级反应是合理的其动力学方程可表示为用微分法求解动力学方程首先用CA,t曲线在曲线上取时间为0129h所对应点的切线为了准确可采用镜面法求得各切线的斜率即为对应的dCAdt之值然后再以dCAdt,CA作图所求的dCAdt值如下表所示t h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CA moll 140090 061 040 028 017 012 008 0045 003dCAdt mollh 070 045 0295 0191 0147 0095 0060033 0025 0015 设为一级不可逆反应用dCAdt,CA作图得一直线其斜率为05h-1其动力学方程可表示为或将速率方程直线化即两边取对数得可简化为y bax形式利用多元回归可求得反应级数n 1004?1反应速率常数值为k 04996还可用一数学公式来拟合CA,t曲线然后再将该数学公式对t求导求得dCAdt之值此法会比作图法来的准确219在Ni催化剂上进行甲烷化反应由实验测得200?时甲烷的生成速率RCH4及CO和H2的分压pCOpH 2的关系如下pCO MPa 010 018 0408 072 105 pH2 MPa01013 01013 01013 01013 01013 RCH4若该反应的动力学方程可用幂函数表示试用最小二乘法求一氧化碳的反应级数及正反应速率常数解由题意可写出速率方程式但由于氢的分压保持为01013MPa的恒定值反应速率式可简化为式中将速率式直线化或式中由残差平方和最小而导出最小二乘法的系数计算式序号 y x x2 xy 1 -4916 -2303 5302 1132 2-4328 -1715 2941 7421 3 -3507 -0897 0804 31444 -2941 -0329 0108 09665 -2564 -0049 0002 -0125-1826 -5293 9157 2273 将累加值代入ab系数式中得220在铂催化剂上乙烯深度氧化的动力学方程可表示为式中pApB分别表示乙烯及氧的分压在473K等温下的实验数据如下号pA×103MPa pB×103MPa r×104molgmin 1 89903230 0672 2 1422 3000 1072 3 8860 40800598 4 8320 2030 0713 5 4370 0890 06106 7750 1740 08347 7750 1820 0828 8 61701730 0656 9 6130 1730 0694 10 6980 15600791 11 2870 1060 0418 试求该温度下的反应速率常数k和吸附平衡常数KB解首先将动力学方程式直线化或y bax其中序号y x×103 x2×105 xy×103 r″×104 δ 10657 3320 1043 2123 0678 090 2 0631 30000900 1892 1126 50 3 0778 4080 1665 3172 056850 4 0487 2020 0412 0988 0829 163 5 02530890 0079 0225 0582 46 6 0402 1740 0303 07000833 01 7 0413 1820 0331 0751 0816 14 80403 1730 0299 0698 0665 14 9 0391 1730 02990676 0661 48 10 0371 1560 0243 0579 0787 0511 0270 1060 0112 0286 0369 117 ? 5056 22875668 1209平均偏差结果是令人满意的3 釜式反应器31在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为002moll反应速率常数等于56lmolmin要求最终转化率达到95试问1 当反应器的反应体积为1m3时需要多长的反应时间2 若反应器的反应体积为2m3所需的反应时间又是多少解12 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关所以反应时间仍为283h32拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应以生产乙二醇产量为20?h使用15重量的NaHCO3水溶液及30重量的氯乙醇水溶液作原料反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为11混合液的比重为102该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级在反应温度下反应速率常数等于52lmolh要求转化率达到951 若辅助时间为05h试计算反应器的有效体积2 若装填系数取075试计算反应器的实际体积解氯乙醇碳酸氢钠和乙二醇的分子量分别为80584 和 62kgkmol每小时产乙二醇2062 03226 kmolh每小时需氯乙醇每小时需碳酸氢钠原料体积流量氯乙醇初始浓度反应时间反应体积2 反应器的实际体积33丙酸钠与盐酸的反应为二级可逆反应对丙酸钠和盐酸均为一级在实验室中用间歇反应器于50?等温下进行该反应的实验反应开始时两反应物的摩尔比为1为了确定反应进行的程度在不同的反应时间下取出10ml反应液用0515N的NaOH溶液滴定以确定未反应盐酸浓度不同反应时间下NaOH溶液用量如下表所示时间min 0 10 20 30 50 ? NaOH用量ml 522 321235 189 144 105 现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸产量为500kgh且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90试计算反应器的反应体积假定1原料装入以及加热至反应温度50?所需的时间为20min且在加热过程中不进行反应2卸料及清洗时间为10min3反应过程中反应物密度恒定解用ABRS分别表示反应方程式中的四种物质利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度也就是丙酸钠的浓度因为其计量比和投量比均为11为于是可求出A的平衡转化率现以丙酸浓度对时间作图由上图当CA 00515×147moll时所对应的反应时间为48min由于在同样条件下间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关所以该生产规模反应器的反应时间也是48min丙酸的产量为500kgh 1126molmin所需丙酸钠的量为1126072 1564molmin原料处理量为反应器体积实际反应体积34在间歇反应器中在绝热条件下进行液相反应其反应速率方程为式中组分A及B的浓度CA及CB以kmolm3为单位温度T的单位为K该反应的热效应等于-4000kJkmol反应开始时溶液不含R组分A和B的浓度均等于004kmolm3反应混合物的平均热容按4102kJm3K计算反应开始时反应混合物的温度为50?1 试计算A的转化率达85时所需的反应时间及此时的反应温度2 如果要求全部反应物都转化为产物R是否可能为什么解 1由数值积分得出2 若A全部转化为R即XA 10则由上面的积分式知t??这显然是不可能的35在间歇反应器中进行液相反应A的初始浓度为01kmolm3CD的初始浓度为零B过量反应时间为t1时CA 0055kmolm3CC 0038 kmolm3而反应时间为t2时CA 001 kmolm3CC 0042kmolm3试求1 k2k12 产物C的最大浓度3 对应C的最大浓度时A的转化率解 1 因为B过量所以恒容时ABB式除以A式得解此微分方程得C将t1CACC及t2CACC数据代入C式化简得解之得2 先求出最大转化率3 产物C的最大收率产物C的最大浓度36 在等温间歇反应器中进行液相反应初始的反应物料中不含A2和A3A1的浓度为2moll在反应温度下k1 40min-1k2 36min-1k3 15min-1试求1 反应时间为10min时反应物系的组成2 反应时间无限延长时反应物系的组成3 将上述反应改为反应时间无限延长时反应物系的组成解根据题中给的两种反应情况可分别列出微分方程然后进行求解但仔细分析这两种情况其实质是下述反应的特例A 当时A式变为B 当时A式变为C 当时A式变为D 其中式D即为书讲的一级不可逆连串反应可见只要得到A式的解则可容易化简得到B C 及 D 式的解对于 A 式可列出如下微分方程组123由题意知初始条件为4 联立求解此微分方程组可得567 式中由如下式确定89 现在可用上述结果对本题进行计算1由5,9式得2当t??时由5,9式得3此时为的情况当t??时由得37拟设计一反应装置等温进行下列液相反应目的产物为RB的价格远较A贵且不易回收试问1 如何选择原料配比2 若采用多段全混流反应器串联何种加料方式最好3 若用半间歇反应器加料方式又如何解1由上式知欲使S增加需使CA低CB高但由于B的价格高且不易回收故应按主反应的计量比投料为好2保证CA低CB高故可用下图所示的多釜串联方式3用半间歇反应器若欲使CA低CB高可以将B一次先加入反应器然后滴加A 38在一个体积为300l的反应器中86?等温下将浓度为32kmolm3的过氧化氢异丙苯溶液分解生产苯酚和丙酮该反应为一级反应反应温度下反应速率常数等于008s-1最终转化率达989试计算苯酚的产量1 如果这个反应器是间歇操作反应器并设辅助操作时间为15min2 如果是全混流反应器3 试比较上二问的计算结果4 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍其他条件不变结果怎样解1苯酚浓度苯酚产量2全混流反应器苯酚产量3说明全混釜的产量小于间歇釜的产量这是由于全混釜中反应物浓度低反应速度慢的原因4由于该反应为一级反应由上述计算可知无论是间歇反应器或全混流反应器其原料处理量不变但由于CAB增加一倍故C苯酚也增加一倍故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍39在间歇反应器中等温进行下列液相反应rD及rR分别为产物D及R的生成速率反应用的原料为A及B的混合液其中A 的浓度等于2kmolm31 计算A的转化率达95时所需的反应时间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 改用全混反应器操作反应温度与原料组成均不改变保持空时与1的反应时间相同A的转化率是否可达到955 在全混反应器中操作时A的转化率如仍要求达到95其它条件不变R的收率是多少6 若采用半间歇操作B先放入反应器内开始反应时A按1计算的时间均速加入反应器内假如B的量为1m3A为04m3试计算A加完时组分A所能达到的转化率及R 的收率解1第二章29题已求出t 0396h 2423min23 若转化率仍为095且温度为常数则D的瞬时选择性为D的收率这说明能使D的收率达到704对全混流反应器若使τ t 03958h则有解之得CA 04433所以这说明在这种情况下转化率达不到955 对全混流反应器若X 095则R的收率为6依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况为了求分组A的转化率及R的收率需要求出A及R 的浓度随时间的变化关系现列出如下的微分方程组对A 1对R23在反应时间t 04038h为方便起见取t ?04h内将04 m3的A均速加入反应器内故采用间歇釜操作时原料为A与B的混合物A的浓度为2kmol m3现采用半间歇釜操作且故可算出原料A的浓度为由于代入12式则得如下一阶非线性微分方程组45初始条件t 0CA 0CR 0可用龙格---库塔法进行数值求解取步长?t 002h直至求至t 04h即可用t 04h 时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算式中VA为所加入的A的体积且VA 04m3CA0为所加入的A的浓度且CA07kmolm3V为反应结束时物系的体积V 14m3同理可以计算出R的收率310在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应加料中组分A的浓度为02kmolm3流量为4m3h要求A的最终转化率为90试问1 总反应体积的最小值是多少2 此时目的产物B的收率是多少3 如优化目标函数改为B的收率最大最终转化率为多少此时总反应体积最小值是多少解1对上式求dVrdXA1 0可得将XA2 09代入上式则解之得XA1 0741所以总反应体积的最小值为2即解得CB1 0005992 kmolm3 同理解得CB2 000126 kmolm3B的收率3 目标函数改为B的收率这时的计算步骤如下对于第i个釜组分AB的衡算方程分别为对A对B当i 1时12当i 2时34由1式解出CA1代入2式可解出CB1 由1式解出CA1代入3式可解出CA2将CB1及CA2代入4式可解出CB2其为τ1τ2的函数即5式中CA0为常数由题意欲使CB2最大则需对上述二元函数求极值联立上述两个方程可以求出τ1及τ2题中已给出Q0故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积将τ1τ2代入5式即可求出B的最高浓度从而可进一步求出YB将τ1τ2代入CA2则由XA2 CA0-CA2 CA0可求出最终转化率311在反应体积为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应式中A--NH3 B HCHO反应速率方程为式中氨水和甲醛水溶液的浓度分别为106moll和623moll各自以150cm3s的流量进入反应器反应温度可取为36?假设该系统密度恒定试求氨的转化率XA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB解即得整理得解得XAf 0821反应器出口AB得浓度分别为312在一多釜串联系统22kgh的乙醇 com进行可逆反应各个反应器的体积均为001m3反应温度为100?酯化反应的速率常数为476×10-4lmolmin逆反应酯的水解的速率常数为163×10-4 lmolmin反应混合物的密度为864kgm3欲使醋酸的转化率达60求此串联系统釜的数目解等体积的多釜串联系统ABCD分别代表乙酸乙酸乙酯和水由计量关系得从已知条件计算出将上述数据代入A式化简后得到若i 1则B式变为解之得若i 2则B式变为解之得若i 3则B式变为解之得即三釜串联能满足要求313以硫酸为催化剂由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯仓库里闲置着两台反应釜一台的反应体积为3m3另一台则为1m3现拟将它们用来生产醋酸丁酯初步决定采用等温连续操作原料中comolm3丁酯则大量过剩该反应对醋酸为2级在反应温度下反应速率常数等于12m3hkmol要求醋酸的最终转化率不小于50这两台反应釜可视为全混反应器你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯。
反应工程第三版答案李绍芬
反应工程第三版答案李绍芬【篇一：李绍芬版反应工程(第二版)完整答案】在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：2ch3oh?o2?2hcho?2h2o 2ch3oh?3o2?2co2?4h2o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）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：s0.9611?96.11%（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为设甲醇的转化率为xa，甲醛的收率为ypna、np和nc分别为：na=na0(1-xa)=7.672 mol np=na0yp=18.96 molnc=na0(xa-yp)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nw）、氧气（no）和氮气（nn）的摩尔数分别为：nw=nw0+np+2nc=38.30 mol no=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 molnn=nn0=43.28 mol所以，反应器出口气体组成为：1. 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：co?2h2?ch3oh2co?4h2?(ch3)2o?h2o co?3h2?ch4?h2o4co?8h2?c4h9oh?3h2oco?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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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原料气 bkg/h 粗甲醇 akmol/h100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体 co 26.82 15.49 h2 68.25 69.78 co2 1.46 0.82 ch4 0.55 3.62 n2 2.92 10.29粗甲醇的组成为ch3oh 89.15%,(ch3)2o 3.55%,c3h9oh 1.10%,h2o 6.20%,均为重量百分率。
李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 管式反应器
4 管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应： 6532664+→+C H CH H C H CH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==-T H T T C C C X示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.500 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mol l所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X lkC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
李绍芬版反应工程答案
1 绪 论在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。
试计算（1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为A P 器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )= mol n P =n A0Y P = mol n C =n A0(X A -Y P )= mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C = mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0= mol所以，反应器出口气体组成为：1. 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：23CO 2H CH OH +⇔ 23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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原料气Bkg/h 粗甲醇Akmol/h100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体COH2CO2CH4N2粗甲醇的组成为CH3OH %,(CH3)2O %,C3H9OH %,H2O %,均为重量百分率。
李绍芬版反应工程答案
1 绪 论在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。
试计算（1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为A P 应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )= mol n P =n A0Y P = mol n C =n A0(X A -Y P )= mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C = mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0= mol1. 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：23CO 2H CH OH +⇔ 23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体COH2CO2CH4N2粗甲醇的组成为CH3OH %,(CH3)2O %,C3H9OH %,H2O %,均为重量百分率。
李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 多相系统中的化学反应
李绍芬版本反应工程课后习题全解多相系统中的化学反应6.多相系统中的化学反应与传递现象6.1、在半径为R 的球形催化剂上，等温进行气相反应⇔A B 。
试以产物B 的浓度C B 为纵座标，径向距离r 为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B 的浓度分布示意图。
（1） （1） 化学动力学控制 （2） （2） 外扩散控制（3） （3） 内、外扩散的影响均不能忽略图中要示出C BG ，C BS 及C Be 的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B 的浓度，C Be 是B 的平衡浓度。
如以产物A 的浓度CA 为纵座标,情况又是如何?解(1)以产物B 的浓度为纵座标(2)以产物A 的浓度为纵座标6.2 已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为117w/m 2K,气体的密度和热容分别为0.8kg/m 3和2.4J/kgK,试估算气膜的传质系数. 解:-=====⨯⨯=⨯=2/3321/(/)(/Pr),/Pr 1/117/0.8 2.410 6.09410/219.4/D H G p s c c G s p J J k C h S S k h C m s m hρρ又6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解:=-=<>=<>====3(1),0.5422/,65.6/0.542/1.650.328/p t p p a p r p a g p p r S r AV cm g ρρεεερερ由得由得由催化剂6.4 已知铁催化剂的堆密度为 2.7g/cm 3, 颗粒密度为 3.8 g/cm 3,比表面积为16m 2/g,试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积. 解:==2260.8/43.2/p g g S m ml S m mlρρb 每毫升颗粒的表面积=每毫升床层的表面积=6.5 试推导二级反应和半级反应的扩散有效因子表达式(6.23)和(6.24). 解:(1)二级反应,()()(()=-=-==-±+=⎡⎤=-±+⎣⎦=+-222222222,,4/2/114//2141,/A w AS G m AG AS w ASG m G m w G m AG w w AS w AGG m w AG G m w AG w AG G mR k C k a C C k C k a k a k k a C k k C k C k a k C k a k C Da k C k a αηA S x 由上解得:C 按定义此即(6.23)式式中D a=(2)半级反应()(=-=-==-±+==-++⎛=-++=+-+ ⎝1/21/21/22221/21/22221/21/22221/2,(),4/2/(4)/21411/4222A w AS G m AG AS w AS AS w w G m AG G m w AS w AGw w G m AG G m AGR k C k a C C k C C k k k a C k a k C k C k k k a C k a C Da Da Da Da αηx 由上解得:按定义:()()-⎡++⎢=--⎢⎢⎣⎡⎤⎛+⎢⎥ =--⎢⎥ +⎢⎥⎝⎣⎦=1/22221/22221/222124241122(6.24),:/w AG G mDa Da Da Da Da k C k a 此即式式中6.6 在充填ZnO-Fe2O3催化剂的固床反应器中,进行乙炔水合反应:+→++2223322232C H H O CH COCH CO H已知床层某处的压力和温度分别为0.10Mpa,400℃,气相中C 2H 2含量为3%(mol),该反应速率方程为r=kC A ,式中C A 为C 2H 2的浓度,速率常数k=7.06×107exp(-61570/RT),h -1,试求该处的外扩散有效因子.数据:催化剂颗粒直径0.5cm,颗粒密度1.6g/cm 3,C 2H 2扩散系数7.3×10-5m 2/s,气体粘度2.35×10-5Pa ﹒s,床层中气体的质量流速0.2kg/m 2s. 解:由已知条件可得()()---=⋅=⨯⨯=⨯+⨯=+===⨯⨯⨯===-=⨯⨯2530.359552/370.24/Re 0.0050.24/2.351051.06260.03180.972730.3303/22.44002730.357/(Re )0.24852.3510/(0.33037.310)0.97460.1837/()615707.0610exp 8.314673D b c G D c G kg m skg m j S Gk j m s S k ρερ()-⎡⎤= = ⎢⎥⎣⎦==⨯ ⋅⎡⎤=⨯=⎢⎥⎣⎦332221174.6/0.3263//0.203910/10.005/(0.005)16000.756w p m l h l s k k m kg sa m ρππ====+/0.0014810.99851w G m Da k k a Daπη6.7实验室管式反应器的内径2.1cm,长80cm ,内装直径6.35mm 的银催化剂进行乙烯氧化反应,原料气为含乙烯 2.25%(mol)的空气,在反应器内某处测得P=1.06×105Pa,T G =470K,乙烯转化率35.7%,环氧乙烷收率23.2%,已知+→ =-⨯ +→+ =-⨯ 42422412462422222419.6110/232 1.2510/C H O C H O H J molC H C H O CO H O H J molC H ∆∆颗粒外表面对气相主体的传热系数为58.3w/m 2K,颗粒密度为1.89g/cm 3.设乙烯氧化的反应速率为 1.02×10-2kmol/kg ﹒h,试求该处催化剂外表面与气流主体间的温度差. 解:()-= ⋅⎛⎫-=-+--=⨯ ⎪⎝⎭= ⋅=⨯⋅⋅=== -=--= 512252223()10.2/23.223.2()()1 5.00110/35.735.758.3/ 2.09910/0.50/16()()/48.59A r s ppm p pp p g G A r s m R mol kg h H H H J mol h w m k J m K h S d a m kgV d T T R H h a Kπρπρ∆∆∆∆6.8 一级连串反应:−−→−−→12A B C在0.1Mpa 及360℃下进行,已知k 1=4.368 s -1,k 2=0.417 s -1,催化剂颗粒密度为1.3g/cm 3,(k G a m )A 和(k G a m )B 均为20cm 3/g ﹒s.试求当C BG /C AG =0.4时目的产物B 的瞬时选择性和外扩散不发生影响时的瞬时选择性.解:外扩散无影响时,由(6.35)式得:⨯'=-=0.41730.410.96184.368S外扩散有影响时,由(6.34)式得:⨯=-=+10.41730.4(1.168)0.940310.01605 4.368(1.01605)S上式中所用的====1122/0.168/0.01605a G ma G mk D k a k D k a ρρ6.9 在Pt/Al 2O 3催化剂上于200℃用空气进行微量一氧化碳反应,已知催化剂的孔容为0.3cm 3/g,比表面积为200m 2/g,颗粒密度为1.2g/cm 3,曲节因子为3.7.CO-空气二元系统中CO 的正常扩散系数为0.192cm 2/s.试求CO 在该催化剂颗粒中的有效扩散系数.(----=== ===≥=⨯⨯=⨯ ==⨯ 53822322/30,10,0.36/216.610,,:9.7103010473/28 1.19610// 1.16410/g gp g p a k k p V S A cm V r D cm sDe D cm sλερλετa 解：r 为努森扩散故有6.10 试推导球形催化剂的内扩散有效因子表达式(6.60). 解:==-=-+2222223,:1122A A A C u dC du udr r dr rd C d u du udr r dr r dr r 令可得用以上各式对教材中(6.55)式进行变量置换得:= =2222p d u b u drb k De式中 (A)(A) (A) 式为二阶常系数齐次微分方程,边界条件:r=0 du/dr=0; r=R p u=C AS R p (B) 结合边界条件(B)式解(A)得:= sinh()()sinh()p A ASp R br C C C r bR有内扩散影响时的反应速率为:()=-= 24()p AA pr R dC R De R D dr π ()=⎛⎫-=-⎪⎝⎭(),():114tanh p A r R A p s AS s s dCC D drR R C De πφφφ由式求出代入式得按内扩散有效因子的定义:⎛⎫⎛⎫=-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭3411311()3tanh tanh 4p s AS s s s s s p p ASR C De E R k C πφηφφφφφπ==/s p p bR R k Deφ式中==⎛⎫=- ⎪⎝⎭/3/():3111()tanh(3)3ps p R k De E F φφηφφφ若令则式可改写为(F)即为教材(6.60)式,(E)式是(6.60)的又一形式.6.11 在球形催化剂上进行气体A 的分解反应,该反应为一级不可逆放热反应.已知颗粒直径为0.3cm,气体在颗粒 中有效扩散系数为 4.5×10-5m 2/h,颗粒外表面气膜传热系数为44.72w/m 2﹒K,气膜传质系数为310m/h,反应热效应为-162kJ/mol,气相主体A 的浓度为0.20mol/l,实验测得A 的表观反应速率为1.67mol/minl, 试估算：（１） （１） 外扩散阻力对反应速率的影响； （２） （２） 内扩散阻力对反应速率的影响； （３） （３） 外表面与气相主体间的温度差． 解：--=⋅=⨯⋅⨯⨯==⨯<*53331.67/min 1.00210/(1)31.671060.8081100.150.2(310/60),.AAG G R mol l mol m h L C k *A 判别外扩散阻力的影响用(6.79)式:R 故仅从传质考虑外扩散影响可不计==*2(2)(6.82),:2.783s A s AGR L DeC φφ判别内扩散阻力的影响用式先求出====2, 2.783,(6.60) 3.1,0.288,s s φηφφφη因有从可借助式估算出由此可知内扩散阻力影响严重.(3)计算外表面与气相主体间温度差⊿Ｔm ： =-=⋅⋅⋅*)/m G s A s T T T R h ∆∆r 颗粒体积(H 颗粒外表面积=50.4K6.12 在固体催化剂上进行一级不可逆反应→ ()A B A已知反应速率常数k,催化剂外表面积对气相的传质系数为k G a m ,内扩散有效因子η.C AG 为气相主体中组分A 的浓度. (1)试推导:()()-=+11AG A G mC R B k k a η(2)若反应式(A)改为一级可逆反应则相应的(B)式如何?解:(1)一级不可逆反应 A B:()()()()-=-==+==+/1A G AG AS m G m AG G m AG G m R k C C a k k a C k k a C k k a kηηηηA S A S A A S C 由上可解得:C 解得:-RC(2)一级可逆反应:AB()()()()()()()()-=-=+-+=+--=+-=++:11A G m AG AS AS Ae G m AG AeG m AG AS A AS Ae G mR k a C C k k C C k a C kC k a kC C R k k C C k a k k ηηηηηA S 由解得:C 则有6.13 在150℃,用半径100μm 的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数k p =5min -1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm 2/s,试问:(1) (1) 在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少?(2) (2) 改在2.02Mpa 下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问的计算.(3) (3) 改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-5cm 2/s.而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解:()==⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭(1)0.1076611tanh 33p p pd k d Deφηφφφ1由(6.60)式=用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p <6.36cm(2)2.02Mpa 时,De ≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm 2/s,与此相对应:==0.4186p p pd k d Deφ同上法可求得当η=0.8时,需d p <1.42cm(3)液相反应时,De=1×10-6cm 2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p <0.0142cm.6.14 一级不可逆反应A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m 3时的反应速率为 2.5 kmol/m 3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v =50s -1 ,床层孔隙率为0.3,A 的有效扩散系数为0.03cm 2/s,假定外扩散阻力可不计,试求:(1) (1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) (2) 反应器中所装催化剂颗粒的半径()===== --==-==⨯⨯ ⋅3171.43/18.136500.05/p v B B B vv v p B p p pA v AS V k V V V k k k l s V V V d k d DeR k C kmol s m εεφηηp p 解:k k 床层实验测得(-R A )=0.0417 kmol/s ﹒m 3床层,解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重.由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒 半径为3.69cm.6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m 2/g,孔容0.35cm 3/g,颗粒密度1.2g/cm 3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm 3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.解:丁烷分子量为58,λ=10-5cm,<ra>=2Vg/Sg=58.3×10-8cm, λ/2<ra>=8.576,此值与10接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主:()--=⨯⨯+=⨯22970058.310530273/58 2.10410/k D cm s--==⨯⨯==⨯323/ 2.610/0.50.94 1.2 1.7366 2.610k p m De D cm s ετφ由(6.60)式算得η=0.465.6.16 在固定床反应器中等温进行一级不可逆反应,床内填充直径为6mm 的球形催化剂,反应组分在其中的扩散系数为0.02cm 2/s,在操作温度下,反应式速率常数等于0.01min -1,有人建议改有3mm 的球形催化剂以提高产量,你认为采用此建议能否增产?增产幅度有多大?假定催化剂的物理性质及化学性质均不随颗粒大小而改变,并且改换粒度后仍保持同一温度操作.解:=======0.6,0.02887,0.9995,60.3,0.01444,0.9998p pp p d k d cm Ded cm φηφη故采用此建议产量的增加是很有限的.6.17 在V 2O 5/SiO 2催化剂上进行萘氧化制苯酐的反应,反应在 1.013×105Pa 和350℃下进行,萘-空气混合气体中萘的含量为0.10%(mol),反应速率式为:⎛⎫=⨯-⋅ ⎪⎝⎭50.381353603.82110exp ,/A A r p kmol kg hRT式中PA 为萘的分压,Pa.已知催化剂颗粒密度为1.3g/cm 3,颗粒直径为0.5cm,试计算萘氧化率为80%时萘的转化速率(假定外扩散阻力可忽略),有效扩散系数等于3×10-3cm 2/s.解:因外扩散阻力可不计,故C AS ≈C AG , ()-= ⋅0.38/A p AGR k C kmol kg h η 式中η由教材(6.66)式计算,为此先计算以下数据:--==⨯⎛⎫=⨯-⋅ ⎪⎝⎭⎛⎫ =⨯-⋅ ⎪⎝⎭13250.3850.383/12,310/,1353603.8210exp /1353603.8210exp /p p p AGp AG a V cm De cm s k p kmol kg h RT p kmol m h RT ρA 的值由:r 颗粒将此P AG =C AG RT,ρp =1300kg/m 3颗粒,T=(350+273)K 代入上式,并将小时换为秒计则得:-=⨯⋅40.3832.19610/A AG r C kmol m s 颗粒由上式得 k p =2.196×10-4又:C AS =C AG =P AG /RT=105×0.1%(1-0.8)/(8314×623)=3.861×10-6 kmol/m 3 将有关数值代入(6.66)式得:()()()()()--=====⨯==⨯⎰⎰⎰1/20.3831/20.381/242] 1.12:8.76910[][] 1.566310ASACASACAS C A A C p p AS C AS AG AGA A C C A A a De f C dC V k f C f C f C C f C dC C dC η式中最后得萘氧化率为80%时的萘的转化速率为: ()--==⨯⋅0.38632.15710/A p AGR k C kmol m s η颗粒6.18 乙苯脱氢反应在直径为0.4cm 的球形催化剂上进行,反应条件是0.10Mpa,600℃,原料气为乙苯和水蒸汽的混合物,二者摩尔比为1:9,假定该反应可按拟一级反应处理.⎛⎫''= =-⋅⋅ ⎪⎝⎭913000.1244exp ,/w EB w r k p k kmol kg h PaRT 苯乙烯(1)当催化剂的孔径足够大,孔内扩散属于正常扩散,扩散系数D’=1.5×10-5m 2/s, 试计算内扩散有效因子.(2)当催化剂的平均孔径为100Å时,重新计算内扩散有效因子. 已知:催化剂颗粒密度为1.45g/cm 3,孔率为0.35,曲节因子为3.0. 解:为计算内扩散有效因子,先求取K p := ⋅= ⋅3//EB p EB r kp kmol kg h k p kmol m h ρ由颗粒 将 P EB =RTC EB ,T=(600+273)代入上式得:=⨯ ⋅= ⋅3334.50810/ 1.252/BE EB r C kmol m h C kmol m s 颗粒颗粒由此得K p =1.252 s -1(1) (1) 孔径足够大,属正常扩散时, -==⨯ 62/ 1.7510/p m De D m s ετ由此求得Φ=0.564,由(6.60)式算得η=0.85(2) (2) 孔半径为100Å时:λ/2<ra>=10-5/200×10-8=5,属于过渡区扩散,由教材(6.36)式可算得乙苯的Dk=2.784×10-2cm 2/s. --==⨯+⨯22212.34810/112.784100.15D cm s--==⨯=⨯32722.73910/ 2.73910/p m D De cm s m s ετ 由上数据可算得φ=1.425,由教材(6.60)式算得η=0.5286.19 苯(B)在钒催化剂上部分氧化成顺酐(MA),反应为:这三个反应均为一级反应.实验测得反应器内某处气相中苯和顺酐的浓度分别为 1.27%和0.55%(均为mol%),催化剂外表面温度为623K,此温度下,k1=0.0196 s -1,k2=0.0158 s -1,k3=1.98×10-3 s -1,苯与顺酐的k G a m 均为 1.0×10-4m 3/skg.催化剂的颗粒密度为1500kg/m 3,试计算反应的瞬间选择性并与外扩散无影响时的瞬时选择性相比较.解:()()---==⨯=⨯=⨯⋅====-=+ 55512332312/ 1.30710, 1.05310,0.13210/./0.1307,0.1053,0.0132),w p w w w w G m a a m BG BS w w BS k k k k k m kg s Da k k a D D A a C C k k C ρa12G 由可算出单位均为由可算得D 为简化起见以表示顺酐,C 表示(C O +C O 由教材(6.18)式可写出:k ()()(A)-= - (B)-= - (1223)m AS AG w BS w AS m CS CG w AS w BS a C C k C k C a C C k C k C C G G k k=++=+++++1221121(1)/(1)(2)/(1)/[(1)(1)]BS BG a a As AG a a BG a a a C C D D C C D D C D D D 由得由得 有外扩散影响时的瞬时选择性: ()()()()()=-+⎡⎤⎡⎤++=-+⎢⎥⎢⎥++++++⎣⎦⎣⎦⎡⎤++=-+⎢⎥++++⎣⎦=1213121131313213212131131322/1111(1)110.4742w BS w AS w w BSw w AG a BG a a w w w w a a a a BG w w a a AG a w w w w a BG a S k C k C k k C k k C D C D D k k k k D D D D C k k D D C D k k k k D C D 无外扩散影响时的瞬时选择性:'=-=++1213130.5726w w CG w w w w BG k k C S k k k k C6.20 原题见教材,今补充如下:实验测得A 的气相浓度为1.68×10-5mol/cm 3时的反应速率为1.04×10-5(mol/cm 3床层﹒s).解:已知 ()---=⨯-=⨯ ⋅*5531.0410/(10.4) 1.73310/A R mol cm s颗粒若不计外扩散阻力,则C AS =C AG =1.68×10-5mol/cm 3 由教材312页: ()=-*2/s A AGR L DeC φL=dp/6=0.04cm,可算得s φ=0.1375,由(6.82)式=2s φφη,将此式与(6.60)式用试差法联立求解可得:φ=0.387 η=0.92。
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1绪论1.1解：（1）由（1.7 ）式得反应的选择性为：S = Y = 0.621 = 0.9611 二96・11%X 0.720（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气 =2: 4: 1.3 （摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为设甲醇的转化率为X A,甲醛的收率为Y P,根据（1.3 ）和（1.5 ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数皿、n p和n c分别为：n=n AO（1-X A）=7.672 moln p=n AO Y P=18.96 moln c=n AO（X A-Y P）=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nv）氧气（n。
）和氮气（n N）的摩尔数分别为：nw=n w+n p+2n c=38.30 moln o=no//2n p-3/2n C=0.8788 moln N=n N O=43.28 mol所以，反应器出口气体组成为：1. 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：CO 2H 2 二 CH 3OH 2C0 4H 2 (CH 3)2O H 2O CO 3H 2 CH 4 H 2O 4CO 8H 2 C 4H 9OH 3H 2OCO H 2O CO 2 H 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，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份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 ___________冷凝分离Bkg/h 粗甲醇lOOkmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：(mol)组分原料气冷凝分离后的气体原料气Akmol/CO26.8215.4968.2569.78CO 1.460.82CH0.55 3.622.9210.29粗甲醇的组成为 CHOH 89.15%,（Cf）2O 3.55%,C a H）OH 1.10%,fO 6.20%,均为重量百分率。
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1kg粗甲醇而言，其溶解量为 CQ 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH4 2.14g,N 25.38g。
若循环气与原料气之比为7.2 （摩尔比），试计算：（1）（ 1）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；（2）（ 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，则根据已知条件，计算进料原料气组成以质量分率表示如下：其中X i二y i M/刀y i M。
进料的平均摩尔质量 M m=E y i M=10.42kg/kmol 经冷凝分离后的气体组成（亦即放空气体的组成）如下：其中冷凝分离后气体平均分子量为Mm=E y i M=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N 2作衡算得：5.38B/28 X 1000+0.1029A=2.92 (A)对整个系统就所有物料作衡算得：100 X 10.42二B+9.554A (B)联立(A)、( B)两个方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反应后产物中CO 摩尔流量为F CO=0.1549A+9.38B/(28 X 1000)将求得的A 、B 值代入得F CO =4.431 kmol/h故CO 的全程转化率为=F co,o - F eo _ 26.82 — 4・435 — $3 48%F co,o 26.82由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO 摩尔流量为F CO ,0=100X 0.2682+7.2 X 100X 0.1549=138.4 kmol/h 所以CO 的单程转化率为产物粗甲醇所溶解的 CO 、CO H 2、CH 和N b 总量D 为D (9.82 9.38 1.76 2.14 5.38)B1000粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X 甲/M m =(785.2-0.02848B) X 0.8915/32=21.25 kmol/hXCOX coF co ,0FcoFco ,026.82 一 4.435 138.4 二 16.18% 二 0.02848Bkmol/h所以，甲醇的全程收率为Y 总=21.25/26.82=79.24%甲醇的单程收率为Y 单=21.25/138.4=15.36%2反应动力学基础2.1解：利用反应时间与组分 A 的浓度变化数据，作出C A 〜t 的 关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。
切线的斜率为:二^07®-—。
・125mol/l ・h6 i(2.6 )式可知反应物的水解速率为-dC AA =0.125mol/l.h dt 2.2解：是一个流动反应器，其反应速率式可用(2.7 )式来表 示dF AF A = F AO (1X A )=Q O C AO (1X A )dFA = -Qo C AodX A故反应速率可表示为：用X 〜V R /Q O 作图，过 V/Q °=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX/d(V R /Q O )值 aVJQ o min0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45 Xx%20.0 30.040.0 50.0 60.0 70.0-0.65 - 0.04 - i 79 -0.34 -.故CO 的转化速率为C A° 二电°.1013 ?036.38 10*mol/lRT &314 10 573r A=C A ° —A6.38 10" 1.79 = 1.14 10“mol/l.minA °d(V R /Q °)2.3解：利用(2.10 )式及(2.28 )式可求得问题的解。
注意题 中所给比表面dX A= Q°CA 0 dV R二 C A °dX Ad(V R /Q °)rA的单位换算成m/m3。
(1) k v 二=?b k w =1.13 103 0.0535= 60.46kmol/m 3.hP bP b_6 2(2) k g bk w b3k w = 1.78 10 6kmol/m 2・hg a v w b 30 1033 3 ⑷k c =（RT ）k 二（8.31 700）0.450.0535= 0.333（爲严（遷） 2.4解：由题中条件知是个等容反应过程， 且A 和B 的初始浓度 均相等，即为1.5mol/l ，故可把反应速率式简化，得5 = 0.8C A .5C B .5= 0.8C ；二 0.8C ；0（1 - X A ）2由（2.6 ）式可知—dC A dp Ao （1 —X A ）］ dX A“百― dt =CA^dT 代入速率方程式解得 X=82.76%。
2.5解：题中给出450C 时的k 2值，而反应是在490C 下，故首 先要求出490C 时的k 2值。
利用(2.27 )试，讣出频率因子A:k 2 二 Aexp (需)R TA 二 k ?exp (需)二 2277/e17.58 104/8.314 723二 1.145 1016¥4k 2 二 Aexp^Ep 1.145 1016e 17.58 10 /8.314 72^ 1.055 104m 3(MPa )0.5/m 3.h RT490C 的Kp 值由题给公式计算出log K P 二 2047.8/ 763 - 2.4943log763 - 1.256 10，763 1.8564 10 76323.206 二 1.2524K^ 5.592 10 '(3)k p 二（吉）nK w =（ 1 )0.45 0.1013) 0.0535= 0.1508 kmol kg.h. (MPa)0.45 C A0dX A dt =0.8C ；0(1_X A )2 化简整理得dX A(1 X A ) 积分得 二 0.8C A0dt0.8C A°tX A1X A求k i 值:K ；上k —K ；k 2k2k,=(5.592 10^)1 21.055 10^ 33m 3(MPa ) 1.5/m 3.h求各组分的分压值：2N 2 2日2 NH 3vivP i0 - ----- P A0X AV AP i1+ y A0 §A X Ay i^ —yA0X A(-+ 3)X A =0.14160.2087(1-0.1416) 1 0.2087*(-2)*0.1416 =0.19040.626-3*0.2087* 0.1416= 0.57161 0.2087*(-2)*0.1416P i Ti P各组分的分率及分压值为严=-22y i1+ yA0 X AP i 二y i PVR V y R0 ---- y A0 XAV Ay R0.10二1 ■ yA^'-AXA1 0.035 --1 2 *0.2087* X A 1 0.2087* (-2)* X A45.914X^6.5 1-y A0 - 20.87%，•:；A = y AyA0 -y A0XA1 • y AO^X Ay Hy H0「1y A0X A1 Y AO -I A X AN 19.06% p N2=5.718MPa H57.18%p H =17.15MPaAr+ CH 4 13.79% P Ar+ CH4=4.137MPa反应速率为:2.8解：(1)求出转化率为80%寸各组分的分压:以100mol 为基准x SO Q SQ N bE7.011.082.0 100.00.80 7(1-0.80)=1.4 11-5.6 X 0.5=8.2 5.60 82.0 97.2P NH /S =33 ・0汉 5・ 718 x 17・151" — 1.055X10433 17.151.5=4.023 10 m /m cat ・h(179・6kmol/m cat ・h)2.6 解：图 2.1 (1) 可逆反应 (2) 放热反应(3) M 点速率最大，A 点速率最小 率最小(4) 0 点速率最大，B 点速率最小 率最小(5) R 点速率大于C 点速率 率 (6) M 点速率最大 判断H,M 点的速率大小。
图2.2可逆反应 吸热反应M 点速率最大，A 点速 H 点速率最大，B 点速 C点速率大于R 点速 根据等速线的走向来2.7解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相 同，而温度的影响表现在反应速率常数 k 上，故可用反应速率常数之 比来描述反应速率之比。