李紹芬《反應工程》課后習題答案.doc

1 緒 論1.1在銀催化劑上進行甲醇氧化為甲醛的反應： 進入反應器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），反應后甲醇的轉(zhuǎn)化率達72%，甲醛的收率為69.2%。試計算（1） （1） 反應的選擇性；（2） （2） 反應器出口氣體的組成。解：（1）由（1.7）式得反應的選擇性為： （2）進入反應器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），當進入反應器的總原料量為100mol時，則反應器的進料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/（2+4+1.3）=0.274027.40空氣4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81總計1.000100.0設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為YP，根據(jù)（1.3）和（1.5）式可得反應器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩爾數(shù)nA、nP和nc分別為：nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol結(jié)合上述反應的化學計量式，水（nW）、氧氣（nO）和氮氣（nN）的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=nN0=43.28 mol所以，反應器出口氣體組成為：組分摩爾數(shù)（mol）摩爾分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391. 1. 2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應如下：由于化學平衡的限制，反應過程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機后與原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流程示意圖冷凝分離合成 原料氣 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（mol）組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的組成為CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過程中可部分溶解于粗甲醇中，對1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計算：（1） （1） 一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（2） （2） 甲醇的單程收率和全程收率。解：（1）設(shè)新鮮原料氣進料流量為100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計算進料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844總計100100100其中xi=yiMi/yiMi。進料的平均摩爾質(zhì)量Mm=yiMi=10.42kg/kmol。經(jīng)冷凝分離后的氣體組成（亦即放空氣體的組成）如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計100其中冷凝分離后氣體平均分子量為 Mm=yiMi=9.554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對整個系統(tǒng)的N2作衡算得：5.38B/281000+0.1029A=2.92 (A) 對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得：10010.42=B+9.554A (B) 聯(lián)立（A）、（B）兩個方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反應后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(281000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431 kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應器出口處的CO摩爾流量為FCO,0=1000.2682+7.21000.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm