吴元欣版反应工程答案.doc

第一章 例题与习题解答
例1
每100 kg乙烷（纯度100%）在裂解器中裂解，产生45.8 kg乙烯，乙烷的单程转化率为59%，裂解气经分离后，所得到的产物气体中含有4.1kg乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解器。求乙烯的选择性、收率、总收率和乙烷的总转化率。

解：以B点的混合气体为计算基准进行计算即得到单程转化率和单程收率，而以对A点的新鲜气体为计算基准进行计算得到全程转化率和全程收率。
新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率，单程转化率（反应器进口为基准）；新鲜原料进入反应系统起到离开系统止所达到的转化率，全程转化率（新鲜原料为基准）。
现对B点进行计算，设B点进入裂解器的乙烷为100 kg。
由于乙烷的单程转化率为59%，则在裂解器中反应掉的原料乙烷量为

E点乙烷的循环量

A点补充的新鲜乙烷量为

乙烯的选择性为

乙烯的单程收率

乙烯的总收率（摩尔收率）

乙烯的总质量收率

乙烷的总转化率

例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，可凝组分分离为液体即为粗甲醇，不凝组分如氢及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机压缩后与原料气混合返回合成塔中。下面是生产流程示意图。

原料气和冷凝分离后的气体中各组分的摩尔分数如下
组成
原料气
冷凝分离后气体
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
粗甲醇中各组分的质量分数分别为CH3OH 89.15%、（CH3）2O 3.55%、C4H9OH 1.1%、H2O 6.2%。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷却冷凝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 2.14g、CH4 2.14g、N2 5.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：
（1）一氧化碳的单程转化率和全程转化率；
（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，根据已知条件，计算进料原料气组成如下：
组分
摩尔质量
yi0(mol%)
Fi0(kmol/h)
质量分率xi0%
质量流量kg/h
CO
28
26.82
26.82
72.05
760.96
H2
2
68.25
68.25
13.1
136.5
CO2
44
1.46
1.46
6.164
64.24
CH4
16
0.55
0.55
0.8443
8.8
N2
28
2.92
2.92
7.844
81.76
总计

100
100
100
1042.26
其中 ，进料的平均摩尔质量。
经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下：
组 分
CO
H2
CO2
CH4
N2
总计
摩尔质量 Mi
28
2
44
16
28

摩尔分率 yi
15.49
69.78
0.82
3.62
10.29
100
其中冷凝分离后气体平均分子量为

又设放空气体流量为A kmol/h，粗甲醇的流量为 B kg/h。对整个系统的N2作衡算得：
（1）
对整个系统所有物料进行衡算得： （2）
联立（1）与（2）两个方程，解之得：
A＝26.91 kmol/h, B=785.2 kg/h
反应后产物中CO摩尔流量为

故CO的全程转化率为

由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器进口处的CO摩尔流量为：

所以CO的单程转化率为

产物粗甲醇中所溶解的CO2，CO、H2、CH4和N2总量D为

粗甲醇中甲醇的量为

所以，甲醇的全程收率为

甲醇的单程收率为

第二章 例题习题与解答
例1
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9.629×104J/mol，如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为550℃时的速率比反应温度为400℃时的反应速率大多少倍？
解：
由题可知，反应条件除温度不同外，其它条件均同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可利用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
(倍)

例2
下面是两个反应的T－X关系图，图中AB是平衡线，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：
图1 图2
（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，判断哪一点速率最大？
解：
如下表所示。

图1
图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
需依据等速线的走向来判断H、M点的速率大小
第三章 例题习题与解答

例1
在一个恒容间歇反应器中进行下列液相反应：
kmol/(m3.h)
kmol/(m3.h)
式中、分别表示产物R和D的生成速率。反应用的原料为A和B的混合物，其中A的浓度为2kmol/m3，试计算：
（1）A的转化率达到95%时所需要的反应时间。
（2）A的转化率为95%时，R的收率是多少?
（3）若反应温度不变，要求的收率达70%，能否办到?
（4）改用全混流反应器操作，反应温度与原料组成均不变，保持空时与①情况的反应时间相同，的转化率能否达到95%?
（5）在全混反应器操作时，的转化率如仍要达到95%，其它条件不变，的收率是多少?
解：
（1）
反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即

可写出此条件下A反应速率：

分离变量，积分可得：

代入相关数值，可得：
h

注意：体系中物质浓度影响不同反应的反应速率时，是同时作用的；
多个反应存在时，关键反应组分的反应速率是几个反应分支的反应速率叠加。

（2）

= 0.2305kmol/m3

（3）

> 0.7
表明D的收率能达到70%。

（4）
对全混流反应器，若h，则有：
0.4038 =
得， = 0.4433
则， < 0.95
说明该条件下转化率达不到95%。
（5）
对全混流反应器，若，则R的收率为:

思考：针对（3）、（4）改成平推流反应器时，其结果又如何？

例2
在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应

反应开始时A和B的浓度等于2kmol/，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。
解： 因
由间歇反应器的设计方程，反应时间t为

即
（A）
由题给组分A的起始浓度，反应时间，代入式（A）可求此时组分A的浓度。
组分A的转化率为

即=。只知道A转化率尚不能确定P的生成量，因转化的A既可以转化成P也可能转化成Q。由题给的速率方程知
(B)
又，两式相除，有

积分得

即
(C)
将有关数值代入式（C）得

所以，P的收率为

例3
有如下平行反应：
（主反应，为目的产物）
（副反应）
其动力学方程为：, （mol/m3.s），已知：，和两种物料的初浓度：，分别从反应器进口等流量加入，反应转化率。
① 写出瞬时选择性与转化率间的关系式；
② 计算在全混流反应器中的总选择性。
解：
① 写出瞬时选择性与组分A的转化率关系表达式
SP=
又 CA0=CB0，
SP =
② 计算在全混流反应器中的总选择性
S= S= ，且　CAf=CA0 (1-XAf)=0.05
S=1/(1+0.05)=0.95

例4
在一全混流反应器中进行可逆反应

进料混合物总体积流量为，其中不含产物；A、B浓度分别为1400和800。已知，。反应混合物体积可认为不变。要求B转化率达到0.75，计算所需的反应器有效容积。
解 反应动力学方程可写为
(A)
由化学反应的计量关系，有

式中，为配料比，。将上式各浓度表达式代入式（A），得
(B)
在要求的出口条件（）下

代入全混流反应器的设计方程，有

思考题：
某一分解反应

已知cA0=1mol/l, 且s为目的产品，求（1）全混流，（2）平推流，（3）你所设想的最合适的反应器或流程所能获得的最高S1浓度cs1为多少？