反应工程答案第一章.doc

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）?? 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： （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.?? 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 原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 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 H2 68.25 69.78 CO2 1.46 0.82 CH4 0.55 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）?? 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （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% 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yi CO 28 15.49 H2 2 69.78 CO2 44 0.82 CH4 16 3.62 N2 28 10.29 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