李绍芬《反应工程》课后习题答案
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
组分
摩尔质量
摩尔分率yi
CO
28
15.49
H2
2
69.78
CO2
44
0.82
CH4
16
3.62
N2
28
10.29
总计
100
其中冷凝分离后气体平均分子量为
M’m=∑yiMi=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N2作衡算得：
5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A)
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CO29.82g,CO 9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：
nA=nA0(1-XA)=7.672 mol
nP=nA0YP=18.96 mol
nC=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 mol
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/h
100kmol放空气体
nN=nN0=43.28 mol
所以，反应器出口气体组成为：
组分
摩尔数（mol）
摩尔分率%
CH3OH
7.672
6.983
HCHO
18.96
17.26
H2O
38.3
34.87
CO2
0.7672
0.6983
O2
0.8788
0.7999
N2
43.28
39.39
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：
组分
摩尔分率yi0
摩尔数ni0(mol)
CH3OH
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
100.0
设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，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nA、nP和nc分别为：
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，则反应器的进料组成为
（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：
组分
摩尔质量
yi0(mol%)
Fi0(kmol/h)
质量分率xi0%
CO
28
26.82
26.82
72.05
H2
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
FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)
将求得的A、B值代入得
FCO=4.431 kmol/h
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
F’CO,0=10源自文库×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h
所以CO的单程转化率为
产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为
粗甲醇中甲醇的量为
(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h
2
68.25
68.25
13.1
CO2
44
1.46
1.46
6.164
CH4
16
0.55
0.55
0.8443
N2
28
2.92
2.92
7.844
总计
100
100
100
其中xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=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：
摩尔质量
摩尔分率yi
CO
28
15.49
H2
2
69.78
CO2
44
0.82
CH4
16
3.62
N2
28
10.29
总计
100
其中冷凝分离后气体平均分子量为
M’m=∑yiMi=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N2作衡算得：
5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A)
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CO29.82g,CO 9.38g,H21.76g,CH42.14g,N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：
nA=nA0(1-XA)=7.672 mol
nP=nA0YP=18.96 mol
nC=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 mol
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/h
100kmol放空气体
nN=nN0=43.28 mol
所以，反应器出口气体组成为：
组分
摩尔数（mol）
摩尔分率%
CH3OH
7.672
6.983
HCHO
18.96
17.26
H2O
38.3
34.87
CO2
0.7672
0.6983
O2
0.8788
0.7999
N2
43.28
39.39
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：
组分
摩尔分率yi0
摩尔数ni0(mol)
CH3OH
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
100.0
设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，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nA、nP和nc分别为：
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，则反应器的进料组成为
（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：
组分
摩尔质量
yi0(mol%)
Fi0(kmol/h)
质量分率xi0%
CO
28
26.82
26.82
72.05
H2
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
FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)
将求得的A、B值代入得
FCO=4.431 kmol/h
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
F’CO,0=10源自文库×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h
所以CO的单程转化率为
产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为
粗甲醇中甲醇的量为
(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h
2
68.25
68.25
13.1
CO2
44
1.46
1.46
6.164
CH4
16
0.55
0.55
0.8443
N2
28
2.92
2.92
7.844
总计
100
100
100
其中xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=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：