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1、1绪论1.1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：2CH3OH O2 2HCH0 2H 2O2CH3OH 30 2 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） （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：S Y 06290.961 196.1 1%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。摩
2、尔数mo (mol)CHO2/ (2+4+1.3) =0.274027.40性气4/ (2+4+1.3) =0.547954.79水1.3/ (2+4+1.3) =0.178117.81总计1.000100.0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压、np和nc分别为：n A=nA0 （1-Xa） =7.672 molnp=n a0Yp=18.96 molno=n a0 （Xa-Yp） =O.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n）、氧气（n。）和氮气（m）的摩尔数分别为：n W=nwo+np+2 n
3、c=38.30 moln O=nO o-1/2 n p-3/2 nc=0.8788 molnN=nNo=43.28 mol所以，反应器出口气体组成为：组分摩尔数（mol）摩尔分CHO7.672率983HHCH18.9617.26O HO38.334.87CO0.76720.6983020.87880.7999243.2839.391. 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 CH 3OH2CO 4H 2 (CH 3) 2O H2OCO 3H2 CH 4 H2O4C0 8H 2 c4H9OH 3H 2OCO H2O CO 2 H2由于化学平衡的限制，反
4、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,?什循环压缩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CO26.82体15.4968.2569.78CO1.460.82CH0.553.62NN2.9210.29粗甲醇的组成为 CHOH 89.15%, (CH) 2。3.55%,C 3HOH 1.10%,H
5、O 6.20%,均重量百分率。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 9.82g,CO9.38g,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 气 组成以质量分率表示如下：组分摩尔质量Vi。(mol%)Fi0 (kmol/h)质量分率Xi0%CO2826.8226.8272.
6、051H268.2568.2513.1CO441.461.466.164CH160.550.550.8443NN282.922.927.844总计100100100其中Xi=yiM/刀yiMo进料的平均摩尔质量yiM=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yiCO2815.49269.78CO440.82CH163.622810.29总计100其中冷凝分离后气体平均分子量为M m=XyiMi=9.554又设放空气体流量为 Akmol/h,粗甲醇的流量为Bkg/h o对整个系统的N作衡算 得:(B)(A)5.38B/28 X 1000+0.
7、1029A=2.92对整个系统就所有物料作衡算得：100X 10.42=B+9.554A联立（A）、（ B）两个方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反应后产物中CO摩尔流量为Fco=0.1549A+9.38B/（28 X 1000）将求得的A、B值代入得Fc（ =4.431 kmol/h故CO的全程转化率为FCO,0 F COXCOF CO,026.822642fh435 83.48%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,O=100X 0.2682+7.2 X 100X 0.1549=138.4 kmol/h 所以 CO 的单程转化率为
8、16-18 FCO,0 F COX COFCO,0产物粗甲醇所溶解的CQ CO H、CH和N总量D为0.02848Bkmol /h(9.82 9.38 1.76 2.14 5.38)BD1000粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X 甲/Mm=(785.2-0.02848B) X 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%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
9、为88。在等温常压F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）1.02.03.04.05.06.07.08.09.0Q(mol/L)0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03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Q?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。切线的斜率为艮 125mOl/Lhdt .125mol / l.h2.2Q(ml/mi n)83.367.650.038.529.422.2X(%)203040506070FaFa。(1 Xa) Q Ca (1 X
10、a)dFAQ ca dX a故反应速率可表示为：Q0C A0M C A0 dXAAdVRd（VR/Q。）由（2.6 ）式可知反应物的水解速率为dXA/d(V r/Q )VJQ0 min0.120.1480.260.34在一小式座A%4 加13（30（0 4黯0进痴痴0.45CO 3H 2 CH 4 H2O催化剂枪65 10m4,原料/79 CO的含量为3%其余为N,H2气体，改变进口原 料气赖新薄榨济得出口 CO的转化率为：用Xa? Vr/Q。作图，过VR/Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的 值a。试求当进口原料气体流量为 50ml/min时CO勺转化速率。解：是一个流动反应器，其
11、反应速率式可用（2.7 ）式来表示dFAdVRPA0CA0一RT0.1013 0.03,8.314 10 3 5736.38 10 4mol/lrA Caoda 6.38 10 4 1.79 1.14 10 3mol /l.mind(VR / Qo)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：r kwyCOSOfkmol/kg h式中yco和y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 30m/g,堆密度为1.13g/cm3, 试计算：(1) ( 1)以反应体积为基准的速率
12、常数 kVO(2) (2)以反应相界面积为基准的速率常数kgO(3) (3)以分压表示反应物系组成时的速率常数kg o(4) (4)以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kco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nVm3。(2)kgrw dub3kw 1.78b 30 1036 210 6kmol /m .hkp(If(1 0.1013)0.45 0.05351508 kgg5(4)kc (皆)(8.31 1c, 3 700) .45 0.0535 0.333(7八7) 0.10.45(4八)kmol kg .h2.4在等温下进行液相反应A+4
13、C+D在该条件下的反应速率方程为：rA 0.8C A.5cB.5mol /l min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:1.5mol/l由题中条件知是个等容反应过程, 且，故可把反应速率式简化，得A和B的初始浓度均相等，即为A由(2.6 )O.8Ca.5Cb.5 0.8Ca式可知0.8Cao(1A)2dCA出代入速率方程式d Cao(1dtA) cCaod AdtO.8Cao(12 2 A)c d -AA0 dt化简整理得d A 0.8CAodt(1A)积分得(1)kvbkw 1.13 10 3 0.0535 60.46kmol/m 3.h
14、0.8C At 一 1 A解得一=82.76%nkw2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar及5.89CH4。该塔是在30Mpe压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为 490C,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：逆反应的1.5 kirPn Ph/3活化能Fk2 pN 匕 /i.5 kmol /m 3 hPH217.58 104J / mol。450 Ck2 22772Mpa)0.5/m3 h,且那2 K； ,490c 时，Kp 可按下式计算：log Kp2047.8/T 2.4943logT 1.25610 4T 1.8564 10 7T2 3.206 注：m 为标准立方米。解：
