化学反应工程习题课1、2

1-1在银催化剂上进行甲醇的氧化反应：

2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O2CH3OH?3O2

?2CO2?4H2O

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） 反应的选择性；

（2） 反应器出口气体的组成。 1-1.解：

（1）反应的选择性为：

? ?0.9611?96.11% S ? 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：

Y0.629

设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，反应器出口CH3OH、CH3CHO和CO2的摩尔数nA、nP和nC分别为： nA0?nA0(1?xA)?7.672mol nP?nA0?YP?18.96mol

结合上述反应的化学计量式，H2O（nW）、O2（nO）和N2（nN）的摩尔数分别为：

W0PC W13n?n?n?nC?0.8788mol OO0PnC?nA0?(xA?YP)?0.7672moln?n?n?2n?38.30mol22

nN?nN0?43.28mol所以，反应器出口气体组成为：

? 1-3.在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体组成

（摩尔分数）为：

C2H4,15%；O2,7%;CO2,10%;Ar，12%；其余为N2

反应器出口气体中含（摩尔分数）为：

C2H4,13.1%；O2,4.8%。

试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率的反应选择性。

1-3解：以100mol进料为基准，并设x和y分别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量，根据题目给的进料组成和化学计量关系列式：

C2H4?12O2???C2H4O

（1）

C2H4?3O2???2CO2?2H2O（2）

可列出下表：

由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知，所以可列出下面两个方程： yx3y

15?x?7?? 及 2 ? 022?0.048.131x x

100?100?22

解得：x=1.504mol y=0.989mol

乙烯的转化量为：1.504+0.989/2=1.999mol

所以，乙烯的转化率为：1.999/15=13.33% 环氧乙烷的收率为：1.504/15=10.03%

反应的选择性为：S=0.1003/.1333=75.24%

? 1-5：丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和

空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢，其主要反应为：

1

H2C?CH?CH2?CH3?O2?H2C?CH?CH?CH2?H2O 2此外还有很多副反应，如生成酮，醛及有机酸的反应。反应温度350℃，在压强为0.2026MPa下进行。根据分析，得到反应前后的物料组成（摩尔分数）如下。

组成 正丁烷

反应前/% 反应后/% 组成 0.63

0.61

氮

反应前/% 反应后/% 27.00

20.10

正丁烯 丁二烯 异丁烷 异丁烯 正戊烷 氧

7.05 0.06 0.50 0.13 0.02 7.17

1.70 4.45 0.48 0.00 0.02 0.64

水蒸气 57.44 62.07 1.20 1.80 0.20 0.10

一氧化碳 — 二氧化碳 — 有机酸 酮、醛

— —

根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收率以及反映的选择性。

1-5解：由丁二烯氧化反应可知，反应过程中，反应混合物的总物质的量发生变化。如果进料为100mol，则由氮平衡可算出反应后混合气的量为：

?103.4mol 100?26.1

其中，正丁烯的量=103.4×0.017=1.758mol 丁二烯的量=103.4×0.0445=4.60mol

若以反应器进料为基准，则正丁烯的转化率

27.0

7.05丁二烯的收率 4.6?0.06Y?X?7.05?1.758?75.1% 7.05丁二烯的选择性

S?Y?0.644?64.4% X0.7511-6.甲醛和乙炔在催化剂的作用下生成丁炔二醇。在滴流床反应器中进行，原料分离回收循环操作。某工厂生产中测的数据如下：反应器的甲醇含量为10%（质量分数），出反应器的甲醇含量为1.6%，丁炔二醇的初浓度为0，出口含量为7.65%。假设分离回收中无损失，试计算此反应过程中的转化率、选择性、单程收率和总收率

?85.75%

设原料的进料量为100Kg/h，则有质量守恒，出反应器的量也为100Kg/h，则出反应器的HCHO为1.6Kg/h，C4H6O2为7.65Kg/h： 转化率 10?1.6

单程收率

总收率

X?10?100%?84%7.65y?8610307.65?2?100%?53.37%?286Y??100%?63.54?1.630

选择性

S???100%?63.54%

X84%

2-3解：反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即 2y53.37% 由

RA?rR?2rD?1.6CA?16.4CA?1.6CA(1?10.25CA)dCdtARA??

dCA得 ??1.6CA(1?10.25CA)

对上式积分：

1.6t?

CAdt?CA0?(1CA?10.2510.25CA?1)dCA 1.62-4解：（1）由题意可将反应速率表示为:

rC?kCACBA?2B???C?4D

对于恒容过程，则有

CA?CA0(1?XA)

CB?CB0?2CA0XA0.1013?0.2 C?PA0?A0?3t?0.63321?(1?XA)??10.25CA0??ln(1?XA)?ln?1?1??10.25CA0????????0.3958hRT8.314?10?1023

?3?3 CB0?4CA0?4?2.382?10?9.528?10mol/L?2.382?10?3mol/L

当 0 . 8 时 X A? 0

CB?CB0?2CA0XA?9.528?10?3?2?2.382?10?3?0.8?5.717?10?3mol/L ?4?3?6RC?rc?kCACB?2?4.764?10?5.717?10?5.447?10mol/L

RD?4rC?4?5.447?10?6?2.179?10?5mol/L（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

?1?4?1?2

?A??t??2 ?A1

1yA0??0.2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：

CA?CA0(1?XA)?2.382?10?3?0.2?4.767?10?4mol/L1?4CA?CA0(1?XA)1??AyA0XA?2.382?10?3?(1?0.8)1?2?0.2?0.89.528?10?3?3.609?10?3?4mol/LCB?CB0?2CA0X1??AyA0XAA??2?2.382?10?0.81?2?0.2?0.8?4.331?10?5mol/L

rA?kCACB?2?3.069?10?4?4.331?10?5?3.126?10?6mol/L?6 RC?rC?3.126?10mol/L2-8解：在初始浓度相同的条件下，有： k1t1?k2t2E ?RTk?Ae又

则

XA?0.5XA?0.9代入数据，得

E?98.074kJ/mol2-13解：对二级反应 A?B???P

dCArA???kCACB?kCA(CB0?CA0?CA)有

对上式积分

dtt?1k(CB0?CA0)ln(1?XB1?XA)

CB0?CA0a） M ? ? 1 时 CB0?2CA0CA0

kE11? )当 ln 1 ? ? ( X B1 ? t1?5.4?10?3h0 .25k2RTT2T1

11t当 E ? ? R ( ? ) ln 2 时 X B ? 0 .45 t 2?2.27?10?2h2T1T2t1

?2当 X A ? 0 . 99 时 XB3?0.495t3?5.23?10h

C0?CA0b） M ? B 时， CB0?6CA0? 5CA0

?3?1?0.083当 X A . 5 时， XB? 0t1??1.616?10h

当 X A . 9时， XB?2?0.15? 0??5.72?10?3ht2

? 当 X A . 99 时， X B ? 0 .165 t 3 . 18?10?2h? 0? ? 13

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