李绍芬版反应工程答案.docx
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李绍芬版反应工程答案
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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:
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:
(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:
nA=nA0(1-XA)=7.672mol
nP=nA0YP=18.96mol
nC=nA0(XA-YP)=0.7672mol
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=38.30mol
nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788mol
nN=nN0=43.28mol
所以,反应器出口气体组成为:
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
冷凝分离
合成
原料气Bkg/h粗甲醇Akmol/h
循环压缩
100kmol放空气体
原料气和冷凝分离后的气体组成如下:
(mol)
粗甲醇的组成为CH3OH89.15%,(CH3)2O3.55%,C3H9OH1.10%,H2O6.20%,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,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:
(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:
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)
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/hB=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=4.431kmol/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=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4kmol/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=21.25kmol/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的浓度随时间变化的数据如下:
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。
切线的斜率为
由(2.6)式可知反应物的水解速率为
2.2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N2,H2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:
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
故反应速率可表示为:
用XA~VR/Q0作图,过VR/Q0=0.20min的点作切线,即得该条件下的dXA/d(VR/Q0)值α。
故CO的转化速率为
2.3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:
式中yCO和yCO2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kW等于0.0535kmol/kg.h。
如催化剂的比表面积为30m2/g,堆密度为1.13g/cm3,试计算:
(1) 以反应体积为基准的速率常数kV。
(2) 以反应相界面积为基准的速率常数kg。
(3) 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。
(4) 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。
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m2/m3。
2.4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:
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
由(2.6)式可知
代入速率方程式
化简整理得
积分得
解得XA=82.76%。
2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。
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:
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(2.27)试,求出频率因子A:
490℃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
反应速率为:
2.6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。
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,A,D,O,E,M点中哪一点速率最大,哪一点速率最小?
(4) 在等转化率线上,H,C,R,O,F及B点中,哪一点速率最大,哪一点速率最小?
(5) 在C,R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
(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H,M点的速率大小。
2.7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。
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:
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
(2)求与上述组成对应的平衡常数KP值:
(3)求平衡温度Te
(4)利用(2.31)式求逆反应活化能值
(5)利用(2.31)式求最佳温度TOP
2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应:
式中rR,rD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2kmol/m3,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(2.6)式
积分之
2.10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:
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%。
(2) 由题给条件可知,三甲基苯的出口浓度为:
2.11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0.1013MPa,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(2.49)式可求得总摩尔数的变化。
由于反应物是纯A,故有:
yA0=1。
由(2.52)式可求得组分的瞬间浓度:
乙醇的生成速率为:
2.12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1:
4,若这个反应对各反应物均为一级,已知k=2l/mol.s,试求:
(1) 反应在恒容下进行,系统的初始总压为0.1
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