李绍芬版反应工程答案
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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。
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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：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：（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 moln 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 moln O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 moln N =n N0=43.28 mol1. 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 15.49H268.25 69.78CO21.46 0.82CH40.55 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。
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CO29.82g,CO9.38g,H2 1.76g,CH42.14g,N25.38g。
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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。
李绍芬版反应工程答案之令狐文艳创作
1 绪论令狐文艳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）（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：（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，A P）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、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)=7.672 moln 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 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol1.1. 2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 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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CO29.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g。
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_天大_李绍芬
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），当进A P 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，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
下图是生产流程示意图Bkg/h 粗甲醇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 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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。
李绍芬版反应工程答案之欧阳美创编
1 绪论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）（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：（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A P）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、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)=7.672 moln 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 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol1.1. 2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 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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。
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：
李绍芬版反应工程答案之欧阳音创编
1 绪论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）（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：（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A P（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n A、n P和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 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 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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。
化学反应工程李绍芬第三版课后答案
化学反应工程李绍芬第三版课后答案1、苯丙素类的基本母核是具有一个或数个（）单元的天然化合物（）[单选题] * AC6-C3基团(正确答案)BC6-C6基团CC5-C3基团DC8-C8基团2、在结晶溶剂的选择过程中首先要遵循的是（）[单选题] *A成分的纯度(正确答案)B相似相容原理C冷却热饱和原理D以上都不对3、阿托品的结构类型是（）[单选题] *A喹啉类B异喹啉类C莨菪烷类(正确答案)D苄基异喹啉类4、E连续回流提取法(正确答案)能用乙醇作溶剂提取的方法有（多选）（）* A浸渍法(正确答案)B渗漉法(正确答案)C煎煮法D回流提取法(正确答案)5、下列应用最广的经典提取方法是（）[单选题] *A水蒸气蒸馏法B溶剂提取法(正确答案)C超临界流体萃取法D超声提取法6、下列化合物中β位有-COOH取代的是（）[单选题] *A大黄素B大黄酸(正确答案)C大黄素甲醚D芦荟大黄素7、属于挥发油特殊提取方法的是（）[单选题] *A酸提碱沉B水蒸气蒸馏(正确答案)C煎煮法D浸渍法8、南五味子保肝的主要效药效成分是（）[单选题] *A蒽醌B香豆素C黄酮D木脂素(正确答案)9、处方中厚朴主要化学成分厚朴酚，其结构类型是（）[单选题] * A黄酮B香豆素C木脂素(正确答案)D三萜皂苷10、具有升华性的生物碱是（）[单选题] *A烟碱B咖啡因(正确答案)C槟榔碱D苦参碱11、游离生物碱和生物碱盐都易溶解的溶剂是（）[单选题] *A三氯甲烷B正丁醇C乙醇(正确答案)D水12、从香豆素类的结构与分类看，下列属于简单香豆素类的是（）[单选题] * A龙脑B七叶内酯(正确答案)C薄荷醇D西瑞香素13、木脂素母核结构中的C6-C3单体数目为（）[单选题] *A1个B2个(正确答案)C3个D4个14、下列不能作为极性吸附剂的是（）[单选题] *A活性炭(正确答案)B氧化铝C硅胶D氧化镁15、碱水提取芦丁时，若PH过高会使（）[单选题] * A产品质量降低B产品收率降低(正确答案)C苷键水解断裂D内酯环开环16、下列含有蒽醌类成分的中药是（）*A丹参B决明子(正确答案)C芦荟(正确答案)D紫草17、分馏法分离挥发油的主要依据是（）[单选题] * A密度的差异B沸点的差异(正确答案)C溶解性的差异D旋光性的差异18、可沉淀具有羧基或邻二酚羟基成分的沉淀法是（）[单选题] *A溶剂沉淀法B醋酸铅沉淀法(正确答案)C酸碱沉淀法D水提醇沉法19、以下哪种方法是利用成分可以直接由固态加热变为气态的原理（）A [单选题] * A升华法(正确答案)B分馏法C沉淀法D透析法20、四氢硼钠反应变红的是（）[单选题] *A山柰酚B橙皮素(正确答案)C大豆素D红花苷21、结晶法一般是在分离纯化物质的哪个阶段常常使用的（）[单选题] * A开始B中期C最后(正确答案)D以上均可22、连续回流提取法与回流提取法比较，其优越性是（）[单选题] *A节省时间且效率高B节省溶剂且效率高(正确答案)C受热时间短D提取量较大23、具有挥发性的生物碱是（）[单选题] *A苦参碱B莨菪碱C麻黄碱(正确答案)D小檗碱24、具有挥发性的生物碱是（）[单选题] *A吗啡碱B麻黄碱(正确答案)C苦参碱D小檗碱25、极性最大的溶剂是（）[单选题] *A酸乙酯(正确答案)B苯C乙醚D氯仿26、二氢黄酮类专属性的颜色反应是（）[单选题] * A盐酸-镁粉反应B四氢硼钠反应(正确答案)C硼酸显色反应D锆盐-枸橼酸反应27、水蛭的主要化学成分是（）[单选题] *A有机酸B蛋白质(正确答案)C多糖D生物碱28、下列化合物中，酸性最强的是（）[单选题] *A芦荟大黄素B大黄酚C大黄素甲醚D大黄酸(正确答案)29、与明胶反应生成沉淀的成分是（）[单选题] *A强心苷B皂苷C有机酸D鞣质(正确答案)30、E连续回流提取法(正确答案)用乙醇作溶剂提取时，下列说法正确的是（）* A对植物细胞壁穿透力强(正确答案)B溶解范围广，提取较全面(正确答案)C提取液中蛋白质、多糖等水溶性杂质少(正确答案)D有防腐作用，提取液不易发霉变质(正确答案)。
李绍芬版反应工程答案之欧阳歌谷创编
1 绪论欧阳歌谷（2021.02.01）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）（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：（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，则反应设甲醇的转化率为X A P 1.5）式可得反应器出口甲醇、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)=7.672 moln 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 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 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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。
李绍芬版反应工程习题答案第二章
2 反应动力学基础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 A 的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，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 ） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 C A (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0.760.125/.6.1α-==-mol l h由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.-==dC A r mol l hAdt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2423+→+CO H CH H O催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，改变进口原料气流量Q 0进行实验，测得出口CO 的转化率为：Q 0(ml/min) 83.3 67.6 50.0 38.5 29.4 22.2 X(%) 20 30 40 50 60 70试求当进口原料气体流量为50ml/min 时CO 的转化速率。
解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)-==-=-=-A A RA A A A A A A AdF r dV F F X Q C X dF Q C dX故反应速率可表示为：000(/)==A AA A A R R dX dX r Q C C dV d V Q用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。
V R /Q 0min 0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45 X A % 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.00.650.04 1.790.34α-==故CO 的转化速率为40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT4300 6.3810 1.79 1.1410/.min(/)--==⨯⨯=⨯AA A R dX r C mol l d V Q2.3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： 20.850.4/-=⋅w CO CO r k y y kmol kg h式中y CO 和y CO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa 压力及700K 时反应速率常数k W 等于0.0535kmol/kg.h 。
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），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 ）式可得反应器出口甲醇、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 )=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 moln 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CO 26.82 15.49H268.25 69.78CO2 1.46 0.82CH40.55 3.62N2 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：（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，计其中i i i i i m i i。
经冷凝分离后的气体组成（亦即放空气体的组成）如下：M ’m =∑y i M i =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/28×1000+0.1029A=2.92 (A) 对整个系统就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A (B) 联立（A ）、（B ）两个方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h 反应后产物中CO 摩尔流量为F CO =0.1549A+9.38B/(28×1000) 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CO,0CO CO CO,0F F 26.82 4.435X 83.48%F 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=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h 所以CO 的单程转化率为CO,0CO 'CO CO,0F F 26.82 4.435X 16.18%F 138.4--===产物粗甲醇所溶解的CO 2、CO 、H 2、CH 4和N 2总量D 为(9.829.38 1.76 2.14 5.38)B D 0.02848Bkmol /h1000++++==粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X 甲/M m =(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/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12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，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0.760.125/.6.1α-==-mol l h由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.-==dCA r mol l h A dt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2423+→+CO H CH H O催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)-==-=-=-A A RA A A A A A A AdF r dV F F X Q C X dF Q C dX故反应速率可表示为：0000(/)==A AA A A R R dX dX r Q C C dV d V Q用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R0.650.04 1.790.34α-==故CO 的转化速率为40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT4300 6.3810 1.79 1.1410/.min(/)--==⨯⨯=⨯AA A R dX r C mol l d V Q2.3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：20.850.4/-=⋅w CO CO r k y y kmol kg h式中y CO 和y CO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa 压力及700K 时反应速率常数k W 等于0.0535kmol/kg.h 。
如催化剂的比表面积为30m 2/g ，堆密度为1.13g/cm 3，试计算： （1） （1） 以反应体积为基准的速率常数k V 。
（2） （2） 以反应相界面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） 以摩尔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）式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成m 2/m 3。
33230.450.45330.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-==⨯⨯=-===⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯==⨯=v b w bbg w wvb n p w nc w k k kmol m h k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h2.4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：1.50.50.8/min =⋅A A B r C C mol l若将A 和B 的初始浓度均为3mol/l 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1.5mol/l ，故可把反应速率式简化，得1.50.522200.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X 由（2.6）式可知00(1)⎡⎤⎢⎥⎣⎦--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt代入速率方程式22000.8(1)=-A A A AdX C C X dt化简整理得00.8(1)=-AA A dX C dtX 积分得00.81=-AA A X C t X解得X A =82.76%。
2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及5.89CH 4。
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：322321.531.512/=-⋅NH H N NH H p p r k p k kmol m hp p逆反应的活化能417.5810/=⨯E J mol 。
450℃时30.5322277()/=⋅k m MPa m h ，且212/=Pk k K ，490℃时，Kp 可按下式计算：472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T 注：m 3为标准立方米。
解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k 2值。
利用（2.27）试，求出频率因子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 hRT490℃的Kp 值由题给公式计算出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 求k 1值：22'112'22243 1.531(5.59210) 1.0551033()/.--===⨯⨯⨯=p p k K k K k k k m MPa m h求各组分的分压值：2233122+↔N H NH5716.0.14160*(-2)*2087.01.14160*2087.0*3-626.0 1y 13y y 1904.0 .14160*(-2)*2087.01)1416.0-(12087.0 1y y y 1416.05.6914.45*(-2)*2087.01*2087.0*211035.010.01y y y 22123211 %87.20Py , 1y y y 1000H H 000A A 00R 0R R 0000000＝＝－）＋－（＝，+=δ+-==+=δ+-===+--=δ+νν-=δ==δ+νν-=δ+νν-=A A A AA AA A AA A A AA AA A AA AA A i i AA A A A Aii i AA A A A Aii i X y X X y X X X X X X y X y p X y X X y X p p p P y i i p =反应速率为：322321.5 1.541.5121.5333317.15333.0 5.718 1.05510317.154.02310/.(179.6/.)=-=⨯⨯-⨯⨯=⨯NH H N NH H p p r k p k p p m m cat h kmol m cat h2.6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。