化学反应工程答案[1]

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'化学反应工程答案[1]'
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)CH3OH2/(2+4+1.3)=0.274027.40空气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nA、nP和nc分别为:nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=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 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=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%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.39  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:  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CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29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%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844总计 100100100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yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29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%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)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0CA(mol/L)0
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