化学反应工程第五版课后习题答案

第一章

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:(摩尔比),反应后甲醇的转化率达72%,甲醛的收率为%。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()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:(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+)= 空气 4/(2+4+)= 水 (2+4+)= 总计 设甲醇的转化率为XA,甲醛的收率为YP,根据()和()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)= mol nP=nA0YP= mol

nC=nA0(XA-YP)= mol

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= mol

nO=nO0-1/2nP-3/2nC= mol nN=nN0= mol

所以,反应器出口气体组成为: 组分 摩尔数(mol) 摩尔分率% CH3OH HCHO H2O CO2 O2 N2

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

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 H2 CO2 CH4 N2

粗甲醇的组成为CH3OH %,(CH3)2O %,C3H9OH %,H2O %,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 ,CO ,H2 ,CH4 ,。若循环气与原料气之比为(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 H2 2 CO2 44 CH4 16 N2 28 总计 100 100 100 其中xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量Mm=∑yiMi=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 H2 2 CO2 44 CH4 16 N2 28 总计 100 其中冷凝分离后气体平均分子量为 M’m=∑yiMi=

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:

28×1000+= (A) 对整个系统就所有物料作衡算得:

100×=B+ (B) 联立(A)、(B)两个方程,解之得

A=h B=h

反应后产物中CO摩尔流量为

FCO=+(28×1000) 将求得的A、B值代入得

FCO= kmol/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×+×100×= kmol/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= ×32= kmol/h 所以,甲醇的全程收率为

Y总==%

甲醇的单程收率为

Y单==%

2 反应动力学基础

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=时该点的切线,即为水解速率。 切线的斜率为

由()式可知反应物的水解速率为

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