《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案.docx
- 文档编号:28106474
- 上传时间:2023-07-08
- 格式:DOCX
- 页数:48
- 大小:53.79KB
《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案.docx
《《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案.docx(48页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
《化学反应工程》第五版朱炳辰课后习题答案
第一章
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),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)
CH3OH
2/(2+4+1。
3)=0.2740
27。
40
空气
4/(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、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:
组分
摩尔数(mol)
摩尔分率%
CH3OH
7.672
6.983
HCHO
18.96
17.26
H2O
38.3
34.87
CO2
0.7672
0.6983
O2
0。
8788
0.7999
N2
43.28
39。
39
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:
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
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
15.49
H2
68。
25
69.78
CO2
1。
46
0。
82
CH4
0.55
3.62
N2
2。
92
10。
29
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)
(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
72.05
H2
2
68.25
68。
25
13.1
CO2
44
1。
46
1。
46
6。
164
CH4
16
0。
55
0。
55
0。
8443
N2
28
2.92
2.92
7。
844
总计
100
100
100
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:
组分
摩尔质量
摩尔分率yi
CO
28
15。
49
H2
2
69。
78
CO2
44
0.82
CH4
16
3.62
N2
28
10。
29
总计
100
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。
VR/Q0min
0.12
0。
148
0。
20
0.26
0。
34
0。
45
XA%
20。
0
30.0
40。
0
50。
0
60。
0
70。
0
故CO的转化速率为
2.3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.
2.4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
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
NH3
10%
pNH3=3MPa
N2
19.06%
pN2=5。
718MPa
H2
57。
18%
pH2=17。
15MPa
Ar+CH4
13.79%
pAr+CH4=4.137MPa
反应速率为:
2。
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.
2.8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。
0
0。
80
7(1—0.80)=1。
4
11-5.6×0。
5=8.2
5.60
82.0
97.2
(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。
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)
(2) 由题给条件可知,三甲基苯的出口浓度为:
2。
11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解:
(1)由题意可将反应速率表示为:
对于恒容过程,则有
当XA0=0.8时
(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
反应物A的原始分率:
由(2。
52)式可求得转化率为80%时的浓度:
2。
13解:
方法
(1),先求出总摩尔变化数.
首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率:
总反应速率为:
以一摩尔反应物A为基准,总摩尔变化数为:
初始浓度为:
则有
方法
(2),可将CA表示为:
方法(3),利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性SR,SS,因而可求出产物R及S的收率yR,yS,求得A转化率为85%时的分率:
其中:
2。
14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:
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
2.17解:
根据题意,假设反应步骤如下:
并假设第二步是控制步骤,其速率方程就代表了整个反应的速率方程:
其余的两步可认为达到平衡,则有:
由于,有:
将代入速率式,得:
式中。
故上述假定与题意符合。
但上述假定的反应步骤不是唯一的.
2。
18解:
先用积分法求其动力学方程。
设为一级不可逆反应,其速率表达式为:
积分得:
用~t作图。
t(h)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0.442
0.831
1。
253
1。
609
2。
108
2。
457
2.862
3.438
3.843
作图得一直线,其斜率为0。
425h-1,故假设一级反应是合理的,其动力学方程可表示为:
用微分法求解动力学方程
首先用CA~t曲线,在曲线上取时间为0,1,2,……9h所对应点的切线,为了准确可采用镜面法,求得各切线的斜率即为对应的dCA/dt之值,然后再以dCA/dt~CA作图,所求的dCA/dt值如下表所示:
t(h)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CA(mol/l)
1.40
0.90
0。
61
0。
40
0。
28
0。
17
0.12
0。
08
0.045
0.03
dCA/dt(mol/l.h)
0.70
0.45
0.295
0。
191
0.147
0.095
0。
06
0。
033
0。
025
0.015
设为一级不可逆反应,用dCA/dt~CA作图得一直线,其斜率为0.5h—1,其动力学方程可表示为:
或将速率方程直线化,即两边取对数,得:
可简化为y=b+ax形式,利用多元回归,可求得反应级数n=1。
004≈1,反应速率常数值为k=0.4996。
还可用一数学公式来拟合CA~t曲线,然后再将该数学公式对t求导,求得dCA/dt之值,此法会比作图法来的准确.
3釜式反应器
3.1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.
3.2解:
氯乙醇,碳酸氢钠,和乙二醇的分子量分别为80。
5,84和62kg/kmol,每小时产乙二醇:
20/62=0。
3226kmol/h
每小时需氯乙醇:
每小时需碳酸氢钠:
原料体积流量:
氯乙醇初始浓度:
反应时间:
反应体积:
(2)
(2) 反应器的实际体积:
3.3解:
用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质,利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度(也就是丙酸钠的浓度,因为其计量比和投量比均为1:
1)为:
于是可求出A的平衡转化率:
现以丙酸浓度对时间作图:
由上图,当CA=0.0515×14.7mol/l时,所对应的反应时间为48min。
由于在同样条件下,间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关,所以该生产规模反应器的反应时间也是48min。
丙酸的产量为:
500kg/h=112.6mol/min。
所需丙酸钠的量为:
112.6/0。
72=156。
4mol/min。
原料处理量为:
反应器体积:
实际反应体积:
3.4解:
(1)
(由数值积分得出)
(2)若A全部转化为R,即XA=1。
0,则由上面的积分式知,t→∝,这显然是不可能的。
3.5解:
(1)因为B过量,所以:
恒容时:
(A)
(B)
(B)式除以(A)式得:
解此微分方程得:
(C)
将t1,CA,CC及t2,CA,CC数据代入(C)式化简得:
解之得:
(2)先求出最大转化率:
(3)产物C的最大收率:
产物C的最大浓度:
3.6解:
根据题中给的两种反应情况,可分别列出微分方程,然后进行求解。
但仔细分析这两种情况,其实质是下述反应的特例:
(A)
当时,(A)式变为(B)
当时,(A)式变为(C)
当时,(A)式变为(D)
其中式(D)即为书讲的一级不可逆连串反应。
可见只要得到(A)式的解,则可容易化简得到(B),(C)及(D)式的解。
对于(A)式,可列出如下微分方程组:
(1)
(2)
(3)
由题意知初始条件为:
(4)
联立求解此微分方程组可得:
(5)
(6)
(7)
式中,由如下式确定:
(8)
(9)
现在可用上述结果对本题进行计算:
(1)
由(5)~(9)式得
(2)当t→∝时,由(5)~(9)式得
(3)此时为的情况,当t→∝时,由
得:
3.7解:
(1)
由上式知,欲使S增加,需使CA低,CB高,但由于B的价格高且不易回收,故应按主反应的计量比投料为好。
(2)保证CA低,CB高,故可用下图所示的多釜串联方式:
(3)用半间歇反应器,若欲使CA低,CB高,可以将B一次先加入反应器,然后滴加A.
3。
8解:
(1)
苯酚浓度
苯酚产量
(2)全混流反应器
苯酚产量
(3)说明全混釜的产量小于间歇釜的产量,这是由于全混釜中反应物浓度低,反应速度慢的原因。
(4)由于该反应为一级反应,由上述计算可知,无论是间歇反应器或全混流反应器,其原料处理量不变,但由于CAB增加一倍,故C苯酚也增加一倍,故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。
3。
9解:
(1)第二章2.9题已求出t=0.396h=24.23min
(2)
(3)若转化率仍为0.95,且温度为常数,则D的瞬时选择性为:
D的收率:
这说明能使D的收率达到70%
(4)对全混流反应器,若使τ=t=0.3958h,则有
解之得:
CA=0.4433
所以:
这说明在这种情况下转化率达不到95%。
(1)(5) 对全混流反应器,若X=0。
95,则R的收率为:
(6)依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。
为了求分组A的转化率及R的收率,需要求出A及R的浓度随时间的变化关系,现列出如下的微分方程组:
对A:
(1)
对R:
(2)
(3)
在反应时间(t=0.4038h,为方便起见取t≈0。
4h)内将0.4m3的A均速加入反应器内,故
采用间歇釜操作时,原料为A与B的混合物,A的浓度为2kmol/m3.现采用半间歇釜操作,且,故可算出原料A的浓度为:
由于:
代入
(1),
(2)式则得如下一阶非线性微分方程组:
(4)
(5)
初始条件:
t=0,CA=0,CR=0
可用龙格—-—库塔法进行数值求解.取步长△t=0。
02h,直至求至t=0。
4h即可.用t=0。
4h时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算:
式中VA为所加入的A的体积,且VA=0。
4m3;CA0为所加入的A的浓度,且CA0=7kmol/m3;V为反应结束时物系的体积,V=1.4m3。
同理可以计算出R的收率:
3.10解:
(1)
对上式求dVr/dXA1=0可得:
将XA2=0。
9代入上式,则
解之得XA1=0。
741
所以总反应体积的最小值为
(2)
即
解得CB1=0.005992kmol/m3
同理
解得CB2=0.00126kmol/m3
B的收率:
(3)目标函数改为B的收率,这时的计算步骤如下:
对于第i个釜,组分A,B的衡算方程分别为:
对A:
对B:
当i=1时,
(1)
(2)
当i=2时,
(3)
(4)
由
(1)式解出CA1代入
(2)式可解出CB1;由
(1)式解出CA1代入(3)式可解出CA2;将CB1及CA2代入(4)式可解出CB2,其为τ1,τ2的函数,即(5)
式中CA0为常数.由题意,欲使CB2最大,则需对上述二元函数求极值:
联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。
题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积。
将τ1,τ2代入(5)式即可求出B的最高浓度,从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2代入CA2,则由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最终转化率。
3.11解:
即得:
整理得:
解得:
XAf=0.821
反应器出口A,B得浓度分别为:
3.1
(1) 所需的反应体积;
(1)
(2) B及D的收率。
已知操作温度下,k1=6.85×10-5l/mol。
s;
k2=1.296×10-9s—1;;k3=1。
173×10—5l/mol.s;B的分子量为140;D的分子量为140.
解:
因MB=MD=140,所以MA=MC=70
(1)
(2)
(3)
由
(2),(3)式分别得:
(4)
(5)
将(4),(5)式及上述数据代入
(1)式,可整理为τ的代数方程式,解之得τ=3。
831×105s=106。
4h
(1)
(1) 反应体积
(2)
(2) 将τ代入(4)式得,所以B的收率为:
对A作物料衡算:
所以有:
所以D的收率为:
3.20解:
(1)二个300l全混串联釜,XA2=0.989,
(1)
(2)
解得:
XA1=0.8951
代入
(1)式求出此系统的体积流量:
3。
8题中已算出。
因为最终转化率相同,故生产能力增加168.7/16。
02=10。
53倍。
(2)二个300l釜并联,在最终转化率相同时,Q0增加一倍,生产能力也增加一倍。
3.21解:
(1)
(1) 求转化率:
解得:
XAf=0.8221
反应器出口物料中醋酐浓度:
3.22解:
(1)
(1) 一级不可逆反应:
所以Q0=0.109m3/h
丙二醇的浓度=
丙二醇的产量=
(2)采用定态下连续操作
所以Q0=0。
109m3/h
丙二醇的产量=
(3)因连续釜在低的反应物浓度下操作,反映速率慢,故产量低。
4管式反应器
4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应:
在反应条件下该反应的速率方程为:
式中CT及CH分别为甲苯及氢的浓度,mol/l,原料处理量为2kmol/h,其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm,试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解:
根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程,原料甲苯与氢的摩尔比等于1,即:
,则有:
示中下标T和H分别代表甲苯与氢,其中:
所以,所需反应器体积为:
所以,反应器的长度为:
4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据,改用活塞流反应器生产乙二醇,试计算所需的反应体积,并与间歇釜式反应器进行比较。
解:
题给条件说明该反应为液相反应,可视为恒容过程,在习题3.2中已算出:
所以,所需反应器体积:
由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小,间歇釜式反应器的反应体积大,这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
4。
31。
013×105Pa及20℃下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应:
式中的浓度单位为kmol/m3。
进气组成为10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若进气流量为0.6m3/h(标准状况下),试计算反应器出口的气体组成.
解:
由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程,其设计方程为:
(A)
示中A,B分别代表NO和O2。
由题意可知,若能求得出口转化率,由(2.54)式得:
便可求出反应器出口气体组成。
已知:
所以,反应速率为:
再将有关数据代入(A)式:
(B)
用数值积分试差求得:
因此,
另:
本题由于惰性气体N2占80%,故此反应过程可近似按恒容过程处理,也不会有太大的误差。
4。
4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:
反应压力及温度分别为2。
026×105Pa及815℃。
进料含50%(mol)C2H6,其余为水蒸汽。
进料量等于0。
178kg/s.反应速率方程如下
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化学反应工程 化学反应 工程 第五 版朱炳辰 课后 习题 答案