化学反应工程习题答案

1 绪 论

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+

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： 0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====

（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

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：

23CO 2H CH OH +?

23222CO 4H (CH )O H O +?+

242CO 3H CH H O +?+

24924CO 8H C H OH 3H O +?+

222CO H O CO H +?+

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

Bkg/h 粗甲醇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 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29

粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 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CO 2 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g 。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，计算进料原料其中x i =y i i i i m i i

M ’m =∑y i M i =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N 2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/h B=785.2kg/h

反应后产物中CO 摩尔流量为

F CO =0.1549A+9.38B/(28×1000)

将求得的A 、B 值代入得

F CO =4.431 kmol/h

故CO 的全程转化率为

CO,0CO CO CO,0F F 26.82 4.435X 83.48%F 26.82--===

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=138.4 kmol/h

所以CO 的单程转化率为 CO,0CO '

CO

CO,0F F 26.82 4.435X 16.18%F 138.4--===

产物粗甲醇所溶解的CO 2、CO 、H 2、CH 4和N 2总量D 为 (9.829.38 1.76 2.14 5.38)B D 0.02848Bkmol /h 1000++++=

=

粗甲醇中甲醇的量为

(B-D)X 甲/M m =(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

解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～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

0.760.125/.6.1

α-==-mol l h

由（2.6）式可知反应物的水解速率为 0.125/.-==dC

A r mol l h A dt

2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：

2423+→+CO H CH H O

催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，改变进口原

料气流量Q 0解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示 00000(1)(1)-==-=-=-A

A R

A A A A A A A A

dF r dV F F X Q C X dF Q C dX 故反应速率可表示为：

00

00(/)==A A A A A R R dX dX r Q

C C dV d V Q

用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。

0.650.04 1.790.34

α-==

故CO 的转化速率为 40030.10130.03 6.3810/8.31410573--?===???A A P C mol l RT

430

0 6.3810 1.79 1.1410/.min (/)--==??=?A A A R dX r C mol l d V Q

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：

20.850.4/-=?w CO CO r k y y kmol kg h

式中y CO 和y CO2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k W 等于0.0535kmol/kg.h 。如催化剂的比表面积为30m 2/g ，堆密度为

1.13g/cm 3，试计算：

（1） （1） 以反应体积为基准的速率常数k V 。

（2） （2） 以反应相界面积为基准的速率常数k g 。

（3） （3） 以分压表示反应物系组成时的速率常数k g 。

（4） （4） 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数k C 。

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m 2/m 3。 33230.450.45

330.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-==??=-===???==?=??==?=v b w b

b

g w w

v b n p w n c w k k kmol m h

k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h

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： 1.50.50.8/min =?A A B r C C mol l

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

1.50.522200.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X 由（

2.6）式可知

00(1)??????--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt 代入速率方程式

220

00.8(1)=-A A A A dX C C X dt

化简整理得 00.8(1)=-A A A dX C dt X

积分得 00.81=

-A A A X C t X 解得X A =82.76%。

2.5氨合成塔入口的气体组成为

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