反应工程计算示例

反应工程计算示例

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 mol n P =n A0Y P =18.96 mol

n 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

2.14在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应：

以A,B 及R 分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：

（1） （2） （3）

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。

3222C H O H O 2H C H O 2H O +→+32222C H O H 3O 2C O 4H O

+→+0.629Y S 0.961196.11%

X 0.720====6532

6636

(）⇔+C H C H C H C H C H σσ+⇔A A σσ⇔+A B R σσ⇔+B B

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

2.15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：

（1）

（2）

（3）

（4）

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：

θ

σσθθθ+⇔==A V A A A A V

A

p A A K K p σσθθ⇔+=-

A A R B

A B R r k kp θ

σσθθθ⇔+==B V B B B B V

B

p B B K K p θθ=-

A A R B

r k kp 1θθθ++=A B V ,θθ

A B 1

θθθ++=A A V B B V V K p K p 1

1θ=

++V A A B B

K p K p ,,θθθ

A B V ()/111-=-=

++++++ A A R B B A B R P

A A A

B B A A B B A A B B

kK p kp K p k p p p K r K p K p K p K p K p K p /== A P A B

k kK K kK kK 2422422+→C H O C H O

22()()2()

+→A B R σσ+⇔A A 222σσ

+⇔B B σσσσ+⇔+A B R σσ⇔+R R (1)σσθθ+⇔=A A A V

A A K p 2(2)22σσθ+⇔=

B V

B B (4)σσθθ⇔+=R R R V

R R K p θθθθ=-

A A

B R V

r k k

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

3.1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0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问：

（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？

解：（1）

(2) 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2.83h 。

3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：

r D 及r R 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2kmol/m 3

。

（1） （1） 计算A 的转化率达95%时所需的反应时间； （2） （2） A 的转化率为95%时，R 的收率是多少？

（3） （3） 若反应温度不变，要求D 的收率达70%，能否办到？

（4） （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95%？

（5） （5） 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） （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

1

θθθθ+++=A B R

V 1

θθθ+

++=A A V V R R V V K p K

p θ=V ,,,θθθθA B R

V

22

θ=-=

A A A V R R V r kK p kp K

/==

R

k kK K k kK 325325+→+C H C O O C H N aO H C H C O O N a C H O H

00222000001()(1)11

0.95

169.6m in(2.83)

5.60.0210.95===⨯---=

⨯

=⨯-⎰⎰A f A f 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 3

2

3

1.6/.28.2/.+→=→=R A D A A B R r C km ol m h A D

r C km ol m h