《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案.doc

1、第一章1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CHOCHO4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：0.629YS.16.%X7（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组分 摩尔分率 yi0 摩尔数ni0(mol)CH3OH2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40空气 4/（2

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、n P和 nc分别为：nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=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：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=nN0

3、=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%CH3OH7.672 6.983HCHO 18.96 17.26H2O 38.3 34.87CO2 0.7672 0.6983O2 0.8788 0.7999N2 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：23COH224()O432982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

4、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 15.49H2 68.25 69.78CO2 1.46 0.82CH4 0.55 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

5、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，计算进料原循环压缩合成冷凝分离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 72.05H2 2 68.25 68.25 13.1CO2 44 1.46 1.46 6.164CH4 16 0.55 0.55 0.8443N2 28 2.92 2.92

6、 7.844总计 100 100 100其中 xi=yiMi/y iMi。进料的平均摩尔质量 Mm=y iMi=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：组分 摩尔质量 摩尔分率yiCO 28 15.49H2 2 69.78CO2 44 0.82CH4 16 3.62N2 28 10.29总计 100其中冷凝分离后气体平均分子量为Mm=y iMi=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/281000+0.1029A=2.92 (A) 对整个系统就所有物料作衡算得：10010.42=B+9

7、.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/(281000)将求得的 A、B 值代入得FCO=4.431 kmol/h故 CO的全程转化率为 CO,026.84.35X.8%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FCO,0=1000.2682+7.21000.1549=138.4 kmol/h所以 CO的单程转化率为 CO,0 26.84.3516.8产物粗甲醇所溶解的 CO2、CO、H 2、CH 4和 N2总量 D为(9.82.31762.

8、45.38)BD0.248kmol/h0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解：利用反应时间与组分 A的浓度变化数据，作出 CAt 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 0.76.15/.molh由（2.6）式可知反应物的水解速率为 .2/.dCrlAt2.2解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示

9、00(1)(1)RAAAFdVXQC故反应速率可表示为： 000(/)AARRdrdV用 XAV R/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 。VR/Q0min0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45XA% 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0.65.41.793故 CO的转化速率为 403.0.6.810/85APCmolRT4300.79./.in(/)dr lVQ2.3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。3 320.45 0.45

10、3 30.45(1)1.6./.2178(3)().1.()84 3.） vbwbg wvnpwckkmolha lPkgMPaRTk m.()kollgh2.4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 1.5022208.(1)ABArCCX由（2.6）式可知 ()Addttt代入速率方程式 2200.8(1)AXt化简整理得 0.(1)AdCdt积分得 0.8tX解得 XA=82.76%。2.5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

11、: 442 17.580/.317216 6./8.3430.532exp()/ 50e(). .()/EkRTeA mMPah490的 Kp值由题给公式计算出 722log047.8/6394log731.276186155.9 pK求 k1值： 221 431.531(.0).510()/ ppkKmMPah求各组分的分压值：231NH5716.0.4*(-2)087.136 yy1904. .1460*(-2)87.y146.05.95*(-2)870.103.yy 213 %87.20Py ,1yyH0A0R0R0000 歇歇歇歇AAAAAA iiAiii Aiii XXXpXppPi

12、ip各组分的分率及分压值为NH3 10% pNH3=3MPaN2 19.06% pN2=5.718MPaH2 57.18% pH2=17.15MPaAr+ CH413.79% pAr+ CH4=4.137MPa反应速率为： 32321.5 1.541.52 1.53730.8074.0/.(796/)NNHHprkkmcatholmcath2.6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

13、 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。 405196201()()50508.347344exp() （ 倍 ）ERTreeA2.8解：（1）求出转化率为 80%时各组分的分压：以 100mol为基准x SO2 O2 SO3 N2 0 7.0 11.0 0 82.0 100.00.80 7(1-0.80)=1.4 11-5.60.5=8.2 5.60 82.0 97.2223322 332.1.4/971.6()850

14、./.80()19721SOSNpPy MPapy a（2）求与上述组成对应的平衡常数 KP值：32 30.5 0.5.44668SOPoK(3)求平衡温度 Telg49./.786.peeTTK(4)利用（2.31）式求逆反应活化能 E值 44 59.62109.210.310/rHE Jmol(5)利用（2.31）式求最佳温度 TOP 478.79.4.3.lnln2(492)eOPT KR2.9解：反应物 A的消耗速率应为两反应速率之和，即 221.6.1.60.5RDAArCC利用（2.6）式 .(0.5)Adt积分之0 01(1).2510.251.6()ln(1)l.43/.8A

15、AC AAAXCt dCt h2.10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） （1） 用物料衡算求出口气体组成：组分名称 X=0时 X=0.8时三甲基苯(A) 33.33 33.33（1-X）氢（B） 66.67 66.67-33.33X-Y二甲基苯(C) 0 33.33X-Y甲烷(D) 0 33.33X+Y甲基苯（E） 0 Y 100.0 100.0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=66.67-33.330.8-20=20.01kmol（甲苯量）生成的二甲基苯量：33.330.8-

16、20.01=6.654kmol生成的甲烷量：33.330.8+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） （2） 由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为： 3303 3.17.6910/8452()7690(8).54/ ApCkmolRT l333333.2./051412.67.0.740/.260BCDE lkoml0.50.533. 330.5631.54(1)41.20(4.61)0.2

17、/CAABCBRrkmolh2.11解：（1）恒容过程，其反应式可表示为： 2BD反应速率式表示为： 0(1)AArkCX设为理想气体，反应物 A的初始浓度为：20314014 26.53/88()90exp(97)(1).39exp7/).82/.A APyCmolRTrkXTCXmols亚硝酸乙脂的分解速率为： 6.2Amols乙醇的生成速率为： 05/.DRr（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。 1.1/AtA由于反应物是纯 A，故有：y A0=1。由（2.52）式可求得组分的瞬间浓度： 22014 6().530(.8)031/

18、1.9exp97/4.950/.ACXmolrk ls乙醇的生成速率为： 6.80.2DARrmols2.12解：（1）由题意可将反应速率表示为： 4CABBrk对于恒容过程，则有 0 303()2.10.2.810/84.95AABACXPmolRT当 XA0=0.8时 340 334 665().76/2.28102810.5710/7. /.45.9/.CABD lX molRrk lsmols（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化 142/AtA反应物 A的原始分率：0.y由（2.52）式可求得转化率为 80%时的浓度：340(1)2.810(.8)

19、6091/.ACXmoly 3509.52.810/BA ol456623.1.3././ACrk lsRmols2.13解：方法（1） ，先求出总摩尔变化数 A。首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率： 0.43.251ARSAATrCr总反应速率为： .7RASTAr以一摩尔反应物 A为基准，总摩尔变化数为：0.425130.3827.初始浓度为： 03.1/8.47APyCmolT则有 230 3(1)10.5.620/.82.75.61.in AXlyRo方法（2） ，可将 CA表示为： 0()13210jAARSATy233.40.258180.2457571.8.6/03.0.1/.minjAXColRl