《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案.doc
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1、第一章1、1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛得反应: 进入反应器得原料气中,甲醇:空气:水蒸气=2:4:1、3(摩尔比),反应后甲醇得转化率达72%,甲醛得收率为69、2%。试计算(1) (1) 反应得选择性;(2) (2) 反应器出口气体得组成。解:(1)由(1、7)式得反应得选择性为: (2)进入反应器得原料气中,甲醇:空气:水蒸气=2:4:1、3(摩尔比),当进入反应器得总原料量为100mol时,则反应器得进料组成为组分摩尔分率yi0摩尔数ni0(mol)CH3OH2/(2+4+1、3)=0、274027、40空气4/(2+4+1、3)=0、547954、79水1、3/(2+4+1、3)=
2、0、178117、81总计1、000100、0设甲醇得转化率为XA,甲醛得收率为YP,根据(1、3)与(1、5)式可得反应器出口甲醇、甲醛与二氧化碳得摩尔数nA、nP与nc分别为:nA=nA0(1-XA)=7、672 molnP=nA0YP=18、96 molnC=nA0(XA-YP)=0、7672 mol结合上述反应得化学计量式,水(nW)、氧气(nO)与氮气(nN)得摩尔数分别为:nW=nW0+nP+2nC=38、30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0、8788 molnN=nN0=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、67
3、26、983HCHO18、9617、26H2O38、334、87CO20、76720、6983O20、87880、7999N243、2839、391. 1、 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳与氢合成甲醇,其主副反应如下:由于化学平衡得限制,反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇,为了提高原料得利用率,生产上采用循环操作,即将反应后得气体冷却,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。下图就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 放空气体原料气与冷凝分离后得气体组成如下
4、:(mol)组分原料气冷凝分离后得气体CO26、8215、49H268、2569、78CO21、460、82CH40、553、62N22、9210、29粗甲醇得组成为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 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) 一氧化碳得单程转换率与全程转化率;(2) (2)
5、甲醇得单程收率与全程收率。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%CO2826、8226、8272、05H2268、2568、2513、1CO2441、461、466、164CH4160、550、550、8443N2282、922、927、844总计100100100其中xi=yiMi/yiMi。进料得平均摩尔质量Mm=yiMi=10、42kg/kmol。经冷凝分离后得气体组成(亦即放空气体得组成)如下:组分摩尔质量摩尔分率yiCO2815、49H2269、78
6、CO2440、82CH4163、62N22810、29总计100其中冷凝分离后气体平均分子量为 Mm=yiMi=9、554又设放空气体流量为Akmol/h,粗甲醇得流量为Bkg/h。对整个系统得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、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)将求得得A、B值代入得FCO=4、431 kmol/h故CO得全程转化率为由已知循环气与新鲜气之
7、摩尔比,可得反应器出口处得CO摩尔流量为FCO,0=1000、2682+7、21000、1549=138、4 kmol/h所以CO得单程转化率为产物粗甲醇所溶解得CO2、CO、H2、CH4与N2总量D为粗甲醇中甲醇得量为(B-D)X甲/Mm=(785、2-0、02848B) 0、8915/32=21、25 kmol/h所以,甲醇得全程收率为Y总=21、25/26、82=79、24%甲醇得单程收率为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得浓度变化数据,作出CAt得关系曲线,用镜面法求得t=3、5h时该点得切线,即为水解速率。切线得斜率为由(2、
8、6)式可知反应物得水解速率为2、2解:就是一个流动反应器,其反应速率式可用(2、7)式来表示故反应速率可表示为:用XAVR/Q0作图,过VR/Q0=0、20min得点作切线,即得该条件下得dXA/d(VR/Q0)值。VR/Q0min0、120、1480、200、260、340、45XA%20、030、040、050、060、070、0故CO得转化速率为2、3解:利用(2、10)式及(2、28)式可求得问题得解。注意题中所给比表面得单位换算成m2/m3。2、4解:由题中条件知就是个等容反应过程,且A与B得初始浓度均相等,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
9、式化简整理得积分得解得XA=82、76%。2、5解:题中给出450时得k2值,而反应就是在490下,故首先要求出490时得k2值。利用(2、27)试,求出频率因子A:490得Kp值由题给公式计算出求k1值: 求各组分得分压值:各组分得分率及分压值为NH310%pNH3=3MPaN219、06%pN2=5、718MPaH257、18%pH2=17、15MPaAr+ CH413、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
10、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 根据等速线得走向来判断H,M点得速率大小。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,而温度得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%时各组分得分压:以100mol为基准xSO2O2SO3N207、011、0082、0100、00、807(1-0、80)=1、411-5、60、5=8、25、6082、097、2 (2)求与上述组成对应得平衡常数KP值:(3)求平衡温度Te(4)利用(2、31)式求逆反应活化能值
11、(5)利用(2、31)式求最佳温度TOP2、9解:反应物A得消耗速率应为两反应速率之与,即利用(2、6)式积分之2、10解:以100mol为计算基准,设X为三甲基苯得转化率,Y为生成得甲苯摩尔数。(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、3333、33(1-X)氢(B)66、6766、67-33、33X-Y二甲基苯(C)033、33X-Y甲烷(D)033、33X+Y甲基苯(E)0Y100、0100、0由题给条件可知,混合气中氢得含量为20%,所以有:66、67-33、33X-Y=20解得Y=66、67-33、330、8-20=20、01kmol(
12、甲苯量)生成得二甲基苯量:33、330、8-20、01=6、654kmol生成得甲烷量:33、330、8+20、01=46、67kmol剩余得三甲基苯量: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,三甲基苯得出口浓度为: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得初始浓度为:亚硝酸乙脂得分解速率为:乙醇得生成速率为:(2)恒压过程,由于反应前后摩尔数有变化,就是个变容过程,由(2、49
13、)式可求得总摩尔数得变化。由于反应物就是纯A,故有:yA0=1。由(2、52)式可求得组分得瞬间浓度:乙醇得生成速率为: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,就是个变容反应过程,由(2、49)式可求得总摩尔数得变化反应物A得原始分率:由(2、52)式可求得转化率为80%时得浓度:2、13解:方法(1),先求出总摩尔变化数。首先将产物得生成速率变为对应得反应物得转化速率: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得瞬间选择性SR
14、,SS,因而可求出产物R及S得收率yR,yS,求得A转化率为85%时得分率: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得速率方程: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,写出相应得覆盖率表达式:整个反应得速率方程以表面反应得速率方程来表示:根据总覆盖率为1得原则,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:并假设第二步就是控制步骤,其速率方程就代表了整个反应得速率方程:其余得两步可认为达到
15、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。但上述假定得反应步骤不就是唯一得。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)012345678900、4420、8311、2531、6092、1082、4572、8623、4383、843作图得一直线,其斜率为0、425h-1,故假设一级反应就是合理得,其动力学方程可表示为:用微分法求解动力学方程首先用CAt曲线,在曲线上取时间为0,1,2,9h所对应点得切线,为了准确可采用镜面法,求得各切线得斜率即为对应得dCA/dt之值,然后再以dCA/dtCA作图,所求得dCA/
16、dt值如下表所示:t(h)0123456789CA(mol/l)1、400、900、610、400、280、170、120、080、0450、03dCA/dt(mol/l、h)0、700、450、2950、1910、1470、0950、060、0330、0250、015设为一级不可逆反应,用dCA/dtCA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、0041,反应速率常数值为k=0、4996。还可用一数学公式来拟合CAt曲线,然后再将该数学公式对t求导,求得dCA/dt之值,此法会
17、比作图法来得准确。3 釜式反应器3、1解:(1)(2) 因为间歇反应器得反应时间与反应器得大小无关,所以反应时间仍为2、83h。3、2解:氯乙醇,碳酸氢钠,与乙二醇得分子量分别为80、5,84 与 62kg/kmol,每小时产乙二醇:20/62=0、3226 kmol/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) 反应器得实际体积:3、3解:用A,B,R,S分别表示反应方程式中得四种物质,利用当量关系可求出任一时刻盐酸得浓度(也就就是丙酸钠得浓度,因为其计量比与投量比均为1:1)为:于就是可求出A得平衡转化率:现以丙酸浓度对时间作图:由上
18、图,当CA=0、051514、7mol/l时,所对应得反应时间为48min。由于在同样条件下,间歇反应器得反应时间与反应器得大小无关,所以该生产规模反应器得反应时间也就是48min。丙酸得产量为:500kg/h=112、6mol/min。所需丙酸钠得量为: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,则由上面得积分式知,t,这显然就是不可能得。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
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