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化学反应工程试题库及答案

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1 绪 论

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:

2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O

2CH3OH?3O2?2CO2?4H2OS?Y?0.629?0.9611?96.11%X0.720

(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),

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)=7.672 mol nP=nA0YP=18.96 mol

nC=nA0(XA-YP)=0.7672 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=38.30 mol nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 mol nN=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% 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:

CO?2H2?CH3OH

2CO?4H2?(CH3)2O?H2O

CO?3H2?CH4?H2O

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

4CO?8H2?C4H9OH?3H2O

CO?H2O?CO2?H2

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 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/h B=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=4.431 kmol/h 故CO的全程转化率为

XCO

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

FCO,0?FCO26.82?4.435???83.48üO,026.82XCO'FCO,0?FCO26.82?4.435???16.18üO,0138.4

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=21.25 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%

(9.82?9.38?1.76?2.14?5.38)BD??0.02848Bkmol/h1000

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。在等温常压下不断取样分析,测的组分A的浓度随时间变化的数据如下: 反应时间(h) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 CA(mol/L) 0.9 0.61 0.42 0.28 0.17 0.12 0.08 0.045 0.03 试求反应时间为3.5h的A的水解速率。 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

???0.76??0.125mol/l.h6.1r?A?dCdtA?0.125mol/l.h

2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应:

催化剂体积为10ml,原料气中CO的含量为3%,其余为N2,H2气体,改变进口原料气流量Q0进行实验,测得出口CO的转化率为: Q0(ml/min) 83.3 67.6 50.0 38.5 29.4 22.2 X(%) 20 30 40 50 60 70 试求当进口原料气体流量为50ml/min时CO的转化速率。 解:是一个流动反应器,其反应速率式可用(2.7)式来表示

CO?3H2?CH4?H2OrA??dFAdVR

FA?FA0(1?XA)?Q0CA0(1?XA)dFA??Q0CA0dXA故反应速率可表示为:

rA?Q0CA0dXAdXA?CA0dVRd(VR/Q0)

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

??0.65?0.04?1.790.34故CO的转化速率为

PA00.03?6.38?10?4mol/lCA0??0.1013?RT8.314?10?3?573

dXArA?CA0?6.38?10?4?1.79?1.14?10?3mol/l.mind(VR/Q0)

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:

式中yCO和yCO2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kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化剂的比表面积为30m2/g,堆密度为

0.85?0.4r?kwyCOyCO2kmol/kg?h1.13g/cm3,试计算:

(1) (1) 以反应体积为基准的速率常数kV。

(2) (2) 以反应相界面积为基准的速率常数kg。

(3) (3) 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。

(4) (4) 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。

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。

(1)kv??bkw?1.13?103?0.0535?60.46kmol/m3.h(2)kg??bavkw??b?b?30?10?6kmol/m2.hk?1.78?103wkmol(3)kp?(1)nkw?(1)0.45?0.0535?0.1508P0.1013kg.h.(MPa)0.45?33n0.458.31?10?700mRT(4)kc?()kw?()?0.0535?0.333()0.45(kmol)P0.1kmolkg.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: 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

0.5222rA?0.8C1.5C?0.8C?0.8C(1?X)ABAA0A

0.5rA?0.8C1.5CABmol/l?min

由(2.6)式可知

?d??dCAdXA?CA0(1?XA)???rA????CA0dtdtdt

代入速率方程式

CA0化简整理得

dXA22?0.8CA0(1?XA)dt

dXA?0.8CA0dt(1?XA)

积分得

XA0.8CA0t?1?XA

解得XA=82.76%。

2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。该塔是在30MPa压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490℃,反应气体中氨含量为10%(mol),试计算该处的反应速率。在Fe催化剂上氨合成反应速率式为:

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1绪论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
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