反应工程习题

dxA rA
cA0
xA 0
dxA 0.8cA20 1 xA
2
xA
0.8cA0 1 xA
t=4min时，解得XA=82.76%
3. 在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应：
C6
H
3
(CH
）
33
H2
C6H4 (CH3 )2
CH 4
C6
H
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(CH
）
32
H2
C6 H 5CH 3
CH 4
反应器进口原料气组成为66.67%H2,33.33%三甲基苯。在 0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化
1. 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
⑴ 反应的选择性； ⑵ 反应器出口气体的组成。
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
rA
0.8C1A.5CB0.5
0.8C
2 A
0.8C A2 0 (1
X A)2
t cA0
xA 0
（2） 由题给条件可知，各组分的出口浓度为：
C A0
pA0 RT
0.1 0.3333 8.314 103 523
7.669 103 kmol / m3
CA CA0(1 0.8) 7.669 103(1 0.8) 1.534 103 kmol / m3
CB
0.20 0.06666
1.534 103
解：⑴ 反应的选择性为：
S Y 0.692 100% 96.11% X 0.720
⑵ 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：
组分 CH3OH 空气
水 总计
摩尔分率yi0 2/（2+4+1.3）=0.2740 4/（2+4+1.3）=0.5479 1.3/（2+4+1.3）=0.1781
（1） 若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积； （2） 若装填系数取0.75，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80.5, 84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h
摩尔数（mol） 7.672 18.96 38.3 0.7672 0.8788 43.28
摩尔分率% 6.983 17.26 34.87 0.6983 0.7999 39.39
2. 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：
rA 0.8C1A.5CB0.5mol / l min
组分名称 三甲基苯(A)
氢（B） 二甲基苯(C)
甲烷(D) 甲基苯（E）
∑
X=0时 33.33 66.67
0 0 0 100.0
X=0.8时 33.33（1-X） 66.67-33.33X-Y
33.33X-Y 33.33X+Y
Y 100.0
由题给条件可知，混合气中氢的含量为20%，所以有： 66.67-33.33X-Y=20 解得Y=66.67-33.33×0.8-20=20.01kmol（甲苯量） 生成的二甲基苯量：33.33×0.8-20.01=6.654kmol 生成的甲烷量：33.33×0.8+20.01=46.67kmol 剩余的三甲基苯量：33.33×（1-0.8）=6.666kmol 氢气含量为：20kmol 故出口尾气组成为：三甲基苯6.666%，氢气20%，二甲 基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%。
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 mol
nN=nN0=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为：
组分
CH3OH HCHO
H2O CO2 O2 N2
1.000
摩尔数ni0(mol) 27.40 54.79 17.81 100.0
设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，则反应器出口
甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：
nA=nA0(1-XA)=7.672 mol；
nP=nA0YP=18.9608 mol；
nC=nA0XA-nP=0.7672 mol
RC
rA
rE
6300C
AC
0.5 B
3400CC
C
0.5 B
6300 1.534 103 (4.6 103 )0.5 3400 1.532 103 (4.6 103 )0.5
0.6555 0.3533 0.3022kmol / m3.h
4. 拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： CH2ClCH2OH NaHCO3 CH2OHCH2OH NaCl CO2 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1：1，混合液的 比重为1.02。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5.2l/mol.h，要求转化率达到 95%。
4.6 103 kmol
/
m3
CC
0.06654 0.06666
1.534 103
1.532 103 kmol
/ m3
CD
0.4667 0.06666
1.534
103
1.074
103
kmol
/
m3
CE
0.2001 0.06666
1.534 103
4.603 103 kmol
/
m3
则二甲苯的生成速率为：
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：
rA 6300CACB0.5kmol / m3 h
rE 3400CCCB0.5kmol / m3 h
则出口处二甲基苯的生成速率是多少？
解：以100kmol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。 用物料衡算求出口气体组成：