1 绪 论
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+
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：
0.629Y S 0.961196.11%
X 0.720====
（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y i0
摩尔数n i0(mol)
CH 3OH 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
A P ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：
n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol
n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol
结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：
n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol
n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol
组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH
7.672 6.983
HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2
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：
23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+
222CO H O CO H +?+
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
循环压缩
合成
冷凝分离
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
H268.25 69.78
CO2 1.46 0.82
CH40.55 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y i0(mol%) F i0(kmol/h) 质量分率x i0%
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x i =y i M i /∑y i M i 。进料的平均摩尔质量M m =∑y i M i =10.42kg/kmol 。
组分 摩尔质量 摩尔分率y i CO 28 15.49 H 2 2 69.78 CO 2 44 0.82 CH 4 16 3.62 N 2 28 10.29 总计
100
M ’m =∑y i M i =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N 2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
F CO =0.1549A+9.38B/(28×1000) 将求得的A 、B 值代入得
F CO =4.431 kmol/h 故CO 的全程转化率为
CO,0CO CO CO,0F F 26.82 4.435X 83.48%
F 26.82
--===
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
CO,0CO '
CO CO,0F F 26.82 4.435X 16.18%
F 138.4
--===
1 绪论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 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。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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 2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4 .27x =69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH: %1002 21004.27?+ +--y x y x =6.983%
空气： %1002 210023279.54?+ +-- y x y x =40.19% 水： %10022100281.17?+ +++y x y x =34.87% HCHO: %10022100?+ +y x x =17.26% CO 2: %1002 2100?+ +y x y =0.6983% 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： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 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 放空气体 Akmol/h 原料气和冷凝分离后的气体组成如下： 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82
第一章习题 1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系? 答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。 2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么? 何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么? 答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。 3 若将反应速率写成t c r d d A A - =-，有什么条件? 答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。 4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器? 答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。 5 现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。 (1)A+2B →C (2)A+2B →C (3)2A+2B →C A+C →D B+C →D A+C →D C+D →E 解
(1) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B A 1C C 22B A 1B D 4C A 3C 22 B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= (2) E 6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22 B A 1C D 4C B 3C 22B A 1B C 22 B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-= (3) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B 2A 1C C 22B 2A 1B D 4C A 3C 22 B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= 6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65× 104m 6kmol -2s -1。现以气相分压来表示速率方程，即(?r A )=k P p A p B 2 ，求k P =?（假定气体为理想气体） 解 ()3 -1-363111 2643c P 2 B A p A 2 B A c 2 B A c A 1264c kPa s m kmol 10655.1K 303K kmol kJ 314.8s kmol m 1065.2)(s kmol m 1065.2K 30330273--------??=???= ==-? ? ? ??==-= ?==+=RT k k p p k r RT p RT p k c c k r RT p c k T
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 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： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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）， A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol 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： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+
24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 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 Bkg/h 粗甲醇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 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29 粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 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CO 2 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g 。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，计算进料原料其中x i =y i i i i m i i
李绍芬版反应工程答 案
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 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： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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 设甲醇的转化率为X A P ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol
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： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 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 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 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82
第二章 均相反应动力学 1、有一反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，反应物转化掉80％，经过18min 后， 转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 2 A A min 18A0min 8A0A A A0d d 2 19.019.0181)(21 8.018.081)(11kc t c kc kc x x c kt =- = -?== -?=-?= 为假设正确，动力学方程 3、 在间歇反应器中有一级液相可逆反应P A ?，初始反应时C A0=0.5mol/L ，C P0=0反应8min 后，A 的转化率为1/3，而平衡转化率是2/3，求此反应的动力学方程式。 解：p A A C k C k dt dC 21-=- 210021 22) 1(k k x C x C C C K k k Ae A Ae A Ae Pe ==-===即 根据一级可逆反应积分式 1212121min 08664.08 2ln 3 132ln 18ln 1 -==+∴+=-+= k k k k x x x k k t A Ae Ae 121 1m in 02888.0m in 05776.0--==∴k k P A p A A C C C k C k dt dC 02888.005776.021-=-=- 5、恒温恒容的气相反应A →3P ，其动力学方程为V n k dt dn V r A A A =- =-1)(，在反应过程 中系统总压p t 及组分A 的分压均为变量，试推导 )(A t p f dt dp =的表达式。
解：A t A A A t A A A A A A A A t A A t A A A t kp dt dp RT p k kc V n k dt dp RT dt dp RT dt dp RT dt dc r V n k dt dn v r dt dp dt dp p p p p p p p 221211(1)(22)(3)0 0======-=-=-=-=--=--=-+=得即 8、纯气相组分A 在一等温等容间歇反应器中按计量式P A 5.2?进行反应，实验测得如下 数据， 时间/min 0 2 4 6 8 10 12 14 ∝ 分压p A /MPa 0.1 0.08 0.0625 0.051 0.042 0.036 0.032 0.028 0.020 用积分法求此反应的动力学方程式。 解：由于当∞→t 时，02.0=A p 常数，因此假设为一级可逆反应。 ）即，即，达到平衡时，020220 20220212 121210215 1 (5.125.25.125.25.210)(5.2101002 .02.02.0)02.01.0(5.2)(5.25.2A A A A A A A A A A A Ae pe pe Ae A A p p A A p p k p k p k p k p k p k p p k p k dt dp k k p p k k RT p k RT p k MPa p p p c k c k dt dc p A e - =-=-+-=-?-=- ====∴ ==-=-=-=-→∞
反应工程知识点 第1章 绪论 1. 反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率。 2. 反应工程一般是按反应物系的相态来分类，将化学反应分为均相反应和多相反应两大 类。 3. 根据反应过程是否使用催化剂，将化学反应分为催化反应和非催化反应两大类。 4. 反应进度是指任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比，反应进度永远为正值。 5. 转化率是针对反应物而言的，收率则是对反应产物而言，转化率、收率和选择性三者的 关系：Ｙ＝SX 。 6. 化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，反应器设计的核心内容是确定反应体积， 反应器设计最基本的内容是：①选择合适的反应器型式；②确定最佳的操作条件；③确定反应体积。 7. 工业反应器放大主要方法是逐级经验放大法和数学模型法。 8. 反应器类型可以搞看图填写。 9. 工业反应器有三种操作方式：①间歇操作；②连续操作；③半间歇（或半连续操作）。 第2章 反应动力学基础 1.反应速率是指单位时间内单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。 2.以R v v A v R B A →+反应为例，其反应速率的表达式是dt dn V r A A 1-=或dt dn V r B B 1-=或dt dn V r R R 1=，用反应进度表式反应速率的表达式：dt d V r ξ1-=-，其反应物转化量与反应产物生产量之间的关系R B A R B A v v v dn dn dn ::::=。 3.在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式叫做速率方程或动力学方程，其数学函数表达式),(T c f r =，以以R v v A v R B A →+不可逆基元反应为例，其速率方程为B A v B v A A c kc r =。 4.k 为反应速率常数，为温度的函数，其关系式为)/exp(RT E A k -=。 5.绝大多数反应都是非基元反应，但是非基元反应可以看成是若干基元反应的综合结果，即反应机理。 6.不论可逆反应还是不可逆反应，反应速率总是随着转化率的升高而降低（降低或升高）；不可逆反应及可逆吸热反应，反应速率总是随着温度的升高而加快（减慢或加快）；至于可逆吸热反应，反应温度按最佳温度曲线操作，反应速率最大。 7.在同一反应物系中同时进行若干个化学反应时，称为复合反应。 8.独立反应是指这些反应中任何一个反应都不可能由其余反应进行线性组合而得到。 9.复合反应包括三个基本反应类型，即并列反应、平行反应和连串反应。 10.当一个反应的反应产物同时又是另一个反应的反应物时，这类反应称为连串反应。 11.固体催化剂系由三部分组成：即主催化剂、助催化剂和载体。使用载体的主要目的是为了增大表面积。助催化剂主要作用是提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性。常用的催化
化学反应工程作业答案
3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应325325CH COOC H NaOH CH CHCOONa C H OH +→+ 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L ，反应速率常数为5.6L/（min ·mol ），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为31m 、32m 时，所需的反应时间是多少？ 解： A B C D +=+ A A B r k C C =?? 设A 的转化率为A x ，B 的转化率为B x 000A A A A A A n n n x n n --?= = 000 B B B B B B n n n x n n --?== ∵ 00A B n n = ， A B n n ?=? ， ∴ A B C C = t=0 Af x A A a dx C r ? =020 Af x A A A dx C k C ?? =01(1)A Af kC x --0 1A k C =169.6 min t 与反应体积无关。 ∴31m 、所需反应时间均为169.6min 3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？ 解：对于平推流反应器： 1ln 1Af k x τ=- 0 B v v τ= 对于全混流反应器： '' 1Af Af x k x τ= - 0 R v v τ= ∴ 1ln 1Af x -=' 1Af Af x x -=2.3 ∴ ' Af x =0.697
3-6 已知某均相反应，反应速率2 ,17.4A A r kC k ml ==/（mol ﹒min ），物料密度恒定为0.75g/ml ， 加料流量为7.14L/min ，0A C =7.14mol/L ，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？ (1) 串联两个体积0.253m 的全混流反应器。 （2）一个0.253m 的全混流反应器，后接一个0.253m 的平推流反应器。 （3）一个0.253m 的平推流反应器，后接一个0.253m 的全混流反应器。 （4）两个0.253m 的平推流反应器串联。 解： （1） 0R v v τ== 3 0.251027.14 ?=35mm ， 设转化率为12,f f x x 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 2222 1221 (1)(1)f f A f f x x k C x x τ= ?--=1.64 ∴ 20.467f x = 12(1)Af A f C C x =-=1.44 ∴ 0(1)0.80Af A Af Af C C x x =-?= （2） 00.251000 7.14 R V V τ?= ==35min 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 221221 1.64(1)(1)f f A f f x x k C x x τ=?=-- ∴ 20.62 f x = 12(1)Af A f C C x =-=2.7×（1-0.62）=1.026
检测方法及方法确认作业指导书 天津大学：《反应工程》（第二版） 习题答案 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（X）达72%，甲醛的收率（Y）为69.2%。试计算：（1 ）反应的选择性（S）；（2）反应器出口气体的组成（摩尔分率%）。 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）， 设甲醇的转化率为X A ，甲醛的收率为Y P ，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n A 、n P 和n c 分别为： n A=n A0(1-X A)=7.672 mol，n P=n A0Y P=18.96 mol，n C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别 为： n W=n W0+n P+2n C=38.30 mol n O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol 组分摩尔数（mol）摩尔分率% CH 3 OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2 O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.39 组分摩尔分率y i0 摩尔数n i0 (mol) CH 3 OH 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
1绪论 1.1解：（1）由（1.7 ）式得反应的选择性为： S = Y = 0.621 = 0.9611 二96?11% X 0.720 （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 设甲醇的转化率为X A,甲醛的收率为Y P,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皿、n p和n c分别为：n=n AO（1-X A）=7.672 mol n p=n AO Y P=18.96 mol n c=n AO（X A-Y P）=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（nv）氧气（n。）和氮气（n N）的摩尔数分别为： nw=n w+n p+2n c=38.30 mol n o=no//2n p-3/2n C=0.8788 mol n N=n N O=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为：
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 2H 2 二 CH 3OH 2C0 4H 2 (CH 3)2O H 2O CO 3H 2 CH 4 H 2O 4CO 8H 2 C 4H 9OH 3H 2O CO H 2O CO 2 H 2 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 Bkg/h 粗甲醇 lOOkmol 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 原料气 Akmol/
李绍芬《反应工程》课后习题答案
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 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： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 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 A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol 组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 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： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+
反应工程李少芬答案 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： （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：
A B。试以产物B的 6.1、在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应 浓度C B为纵座标，径向距离r为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B的浓度分布示意图。 （1）化学动力学控制 （2）外扩散控制 （3）内、外扩散的影响均不能忽略 图中要示出C BG，C BS及C Be的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B的浓度，C Be是B的平衡浓度。如以产物A的浓度CA为纵座标,情况又是如何? 解(1)以产物B的浓度为纵座标 (2)以产物A的浓度为纵座标 6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解: 6.13 在150℃,用半径100μm的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数k p=5min-1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm2/s,试问: (1)在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少? (2)改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问 的计算. (3)改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6cm2/s. 而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解: 用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p<6.36cm (2)2.02Mpa时,De≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm2/s,与此相对应: 同上法可求得当η=0.8时,需d p<1.42cm (3)液相反应时,De=1×10-6cm2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p<0.0142cm. 6.14 一级不可逆反应A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m3时的反应速率为 2.5 kmol/m3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v=50s-1,床层孔隙率为0.3,A的有效扩散系数为0.03cm2/s,假定外扩散阻力可不计,试求: (1)反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2)反应器中所装催化剂颗粒的半径 实验测得(-R A)=0.0417 kmol/s﹒m3床层, 解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重. 由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒半径为3.69cm. 6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m2/g,孔容0.35cm3/g,颗粒密度1.2g/cm3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子. 解:丁烷分子量为58,λ=10-5cm,
6.1、在半径为R 的球形催化剂上，等温进行气相反应?A B 。试以产物B 的浓度C B 为纵座标，径向距离r 为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B 的浓度分布示意图。 （1） 化学动力学控制 （2） 外扩散控制 （3） 内、外扩散的影响均不能忽略 图中要示出C BG ，C BS 及C Be 的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B 的浓度，C Be 是B 的平衡浓度。如以产物A 的浓度CA 为纵座标,情况又是如何? 解(1)以产物B 的浓度为纵座标 (2)以产物A 的浓度为纵座标 6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解: =-=<>=<>====3(1),0.5422/,65.6/0.542/1.650.328/p t p p a p r p a g p p r S r A V cm g ρρεεερερ由得由得由催化剂 6.13 在150℃,用半径100μm 的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,
测得反应速率常数k p =5min -1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm 2/s,试问: (1) 在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少? (2) 改在2.02Mpa 下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问 的计算. (3) 改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6 cm 2/s. 而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解 : ()= =?? - ? ???(1)0.107611tanh 33p d φηφφφ1由(6.60)式= 用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p <6.36cm (2)2.02Mpa 时,De ≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm 2/s,与此相对应 : = =0.418p d φ 同上法可求得当η=0.8时,需d p <1.42cm (3)液相反应时,De=1×10-6cm 2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p <0.0142cm. 6.14 一级不可逆反应 A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m 3时的反应速率为 2.5 kmol/m 3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v =50s -1 ,床层孔隙率为0.3,A 的有效扩散系数为0.03cm 2/s,假定外扩散阻力可不计,试求: (1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) 反应器中所装催化剂颗粒的半径 ()===== --= =-==?? ?31 71.43/18.13500.05/p v B B B v v v p B p A v AS V k V V V k k k l s V V V d R k C kmol s m εεφηηp p 解:k k 床层 实验测得(-R A )=0.0417 kmol/s ﹒m 3床层, 解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重. 由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒半径为3.69cm. 6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m 2/g,孔容0.35cm 3/g,颗粒密度1.2g/cm 3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm 3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222C H O H O 2H C H O 2H O +→+ 32222C H O H 3O 2C O 4H O +→+ 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。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 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X A ，甲醛的收率为Y P ，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n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=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% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.39 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： 2 0.850.4 /-=?w C OC O r k y y k m o lk g h 式中y CO 和y CO2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k W 等于 0.0535kmol/kg.h 。如催化剂的比表面积为30m 2/g ，堆密度为1.13g/cm 3 ，试计算： （1） 以反应体积为基准的速率常数k V 。 （2） 以反应相界面积为基准的速率常数k g 。 （3） 以分压表示反应物系组成时的速率常数k g 。 （4） 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数k C 。 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m 2/m 3 。 33 230.450.45 33 0.45(1)1.13100.053560.46/.6(2)1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..() 8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-== ??=-= = =???==?=??==?=v b w b b g w w v b n p w n c w k k k m o l m h k k k k m o l m h a k m o l k k P k gh M P a m R T k k P k m 0.45)().k m o l o l k gh 2.14在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应： 65326636(）?+C H C H C H C H C H 以A,B 及R 分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下： （1）σσ+?A A （2）σσ?+A B R （3）σσ?+B B 若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。 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： θσσθθ θ +?==A V A A A A V A p A A K K p σσθθ ?+=-A A R B A B R r k k p
第二章 均相反应动力学 欧阳光明（2021.03.07） 1、有一反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，反应物转化掉80％，经过18min 后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 3、 在间歇反应器中有一级液相可逆反应P A ?，初始反应时 C A0=0.5mol/L ，C P0=0反应8min 后，A 的转化率为1/3，而平衡转化率是2/3，求此反应的动力学方程式。 解： p A A C k C k dt dC 21-=- 根据一级可逆反应积分式 5、恒温恒容的气相反应A →3P ，其动力学方程为 V n k dt dn V r A A A =- =-1)(，在反应过程中系统总压p t 及组分A 的分压均 为变量，试推导 )(A t p f dt dp =的表达式。解： A t A A A t A A A A A A A A t A A t A A A t kp dt dp RT p k kc V n k dt dp RT dt dp RT dt dp RT dt dc r V n k dt dn v r dt dp dt dp p p p p p p p 221211(1)(22)(3)0 0======-=-=-=-=--=--=-+=得即 8、纯气相组分A 在一等温等容间歇反应器中按计量式P A 5.2?进
行反应，实验测得如下数据， 时间/min 0 2 4 6 8 10 12 14 ∝ 分压p A /MPa 0.1 0.08 0.0625 0.051 0.042 0.036 0.032 0.028 0.020 用积分法求此反应的动力学方程式。 解：由于当∞→t 时，02.0=A p 常数，因此假设为一级可逆 反应。 第三章 均相反应过程 1、液相一级等温反应在间歇釜中达到70%转化率需要12min ，若此反应移到同温度下平推流反应器和全混流反应器中进行时，所需要的空时和空速各为多少？ 解： 1001 1 min 0429.070 3 1min 3.233 70 )7.01(1.07.0) 1()(min 083.012 1 1 min 12min 1.07.01ln 12111ln 111ln ---== = ∴==-?= -= =-==== ====-=∴-=c v A A A A A f A A A c v BR A A x k x kc x c r x c CSTR t PFR x t k x kt τδττδ中在空速中所需的空时在 3、液相反应在一间歇反应器中进行，反应速率如下表所示： C A /mol/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.3 2.0 (-r A )/mol/(L.min) 0.1 0.3 0.5 0.6 0.5 0.25 0.10 0.06 0.05 0.045 0.042 （1） 若C A0=1.3mol/L ，，则反应时间为多少？ （2） 若反应移至平推流反应器中进行，C A =.5mol/L ， F A0=1000mol/h ，求x A0=0.30时所需反应器的大小。 （3） 当C A0=1.2mol/l ，F A0=1000mol/h ，x A =0.75时，求所需