化學(xué)反應(yīng)工程

1、1.在銀催化劑上進行乙烯氧化反應(yīng)生產(chǎn)環(huán)氧己烷。進入反應(yīng)器的氣體組成：C2H4（15%）， O2（7%），CO2（10%），Ar（12%） ，其余為N2。反應(yīng)器出口氣體含：C2H4（13.1%）， O2（4.8%）。以上均為摩爾組成。試計算乙烯的轉(zhuǎn)化率，環(huán)氧己烷收率和反應(yīng)選擇性。該系統(tǒng)存在如下兩個反應(yīng)： 環(huán)氧乙烷的收率為：1.504/15=0.1003 收率=選擇性*轉(zhuǎn)換率 選擇性=0.1003/0.1333=0.75242.每100kg乙烷（純度100%）在裂解器中裂解，產(chǎn)生46.4kg乙烯，乙烷的單程轉(zhuǎn)化率為60%，裂解氣經(jīng)分離后，所得到的產(chǎn)物氣體中含有4kg乙烷，其余未反應(yīng)的乙烷返回裂解器

2、，求乙烯的選擇性收率、總收率和乙烷的總轉(zhuǎn)化率。解：以M點的混合氣體為計算基準進行計算即得單程轉(zhuǎn)化率和單程收率，而以A點的新鮮氣體為計算基準進行計算則得到全程轉(zhuǎn)化率和全程收率?，F(xiàn)對M點進行計算，設(shè)M點進入裂解器的乙烷為100kg，由單程轉(zhuǎn)化率為60%，則反應(yīng)掉的原料乙烷量：H=100*0.6=60kg乙烷的循環(huán)量：Q=100-H-4=100-60-4=36kg補充的新鮮乙烷量：F=100-Q=100-36=64kg乙烯的選擇性:乙烯的單程收率：乙烯的總收率：乙烷的總轉(zhuǎn)化率： 3.丁二烯是制造合成橡膠的重要原料，制取丁二烯的生產(chǎn)方法之一是將正丁烯和空氣及水蒸氣的混合氣體在磷鉬鉍催化劑上進行氧化脫氫

3、，其主反應(yīng)為：此外還有許多副反應(yīng)，如生成酮、醛及有機酸的反應(yīng)。反應(yīng)在T=350，P=0.2026MPa下進行。據(jù)分析，反應(yīng)前后摩爾組成如下表，請根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算正丁烯的轉(zhuǎn)化率、丁二烯的收率及反應(yīng)的選擇性。組成反應(yīng)前%反應(yīng)后%組成反應(yīng)前%反應(yīng)后%正丁烷0.630.61氮27.026.10正丁烯7.051.70水蒸氣57.4462.07丁二烯0.064.45CO/1.20異丁烷0.500.48CO2/1.80異丁烯0.130有機酸/0.20正戊烷0.020.02醛酮/0.10氧7.170.64解：由丁二烯氧化反應(yīng)可知，反應(yīng)過程中，反應(yīng)混合物的總物質(zhì)的量發(fā)生變化。如果進料為=100mol，則由氮平衡

4、可算出反應(yīng)后混合氣的量為：=100*27.0/26.1=103.4mol其中，正丁烯的量=103.4*0.017=1.758mol丁二烯的量=103.4*0.0445=4.60mol若以反應(yīng)器進料為基準，則正丁烯的轉(zhuǎn)化率為： 丁二烯的收率為： 丁二烯的選擇性為： 4.在磷鉬鉍催化劑上，有丙烯氨氧化合成丙烯腈的反應(yīng)過程可用下列反應(yīng)式表示： 原料氣：反應(yīng)后的烯腈、HCN、乙腈、丙烯醛及CO2收率分別為：68.4%、8.10%、4.51%、0.84%、13.6%。試計算反應(yīng)后氣體的組成，寫出計算過程并列表總結(jié)。物質(zhì)C3H6NH3O2H2ON2()組成6.46%6.46%14.21%19.38%53.

5、48%99.99%首先計算原料氣的組成，可以1mol丙烯為基準，氧氣系以空氣的形式加入，所以需要的空氣量為2.2/0.21=10.48mol，故混合氣的總量=1+1+3+10.48=15.48mol，則原料氣的組成如下表所示。 下面以100mol原料氣為基準進行計算。由各反應(yīng)產(chǎn)物的收率及化學(xué)計量關(guān)系，可求得反應(yīng)后氣體所含的反應(yīng)產(chǎn)物量如下： 丙烯腈量=6.460.684=4.42mol 氫氰酸量=6.460.0813=1.569mol 乙腈量=6.460.04511.5=0.437 丙烯腈量=6.460.084=0.0543mol 二氧化碳量=6.460.1363=2.636mol未反應(yīng)的丙烯量

6、=6.46(1-0.684-0.081-0.0451-0.0084-0.136)=0.294mol 水蒸氣量=19.38+4.423+1.5692+0.4372+0.0543+2.636=39.34mol 未反應(yīng)的氧氣量=14.21-12.6443=1.566mol 未反應(yīng)的氨氣量=6.46-4.42-0.437-1.569=0.034mol 氮氣量=53.48mol 反應(yīng)后氣體總量 物質(zhì)丙烯腈HCN乙腈丙烯醛CO2NH3O2H2ON2C3H6組成/%4.261.510.420.052.540.031.5137.8851.510.28=4.42+1.569+0.437+0.0543+2.636

7、+0.294+39.34+1.566+0.034+53.48=103.8mol 反應(yīng)后氣體物質(zhì)的量組成如下表所示。 5.在實驗室進行苯加氫制環(huán)己烷，采用0501催化劑，150及常壓下測得環(huán)己烷的生產(chǎn)速率：rA=42*10-3kmol/（h*gCat），=1.25g/cm3,，a=85m2/m3.若用催化劑相界面積和催化劑床層體積來表示環(huán)己烷的生成速率，其值為多少？解：rA=4210-3kmol/(hgCat)=1.25g/cm3=1250g/m3，a=85m2/m3 6.某氣相一級反應(yīng)：在等溫等壓得實驗反應(yīng)皿內(nèi)進行，原料含：A 75%(mol）、惰性氣體25%，經(jīng)八分鐘后其體積增加了一倍，求此

8、時的轉(zhuǎn)化率及該反應(yīng)在此溫度下的速率常數(shù)。解：由題意知yA0=0.75，以及V=2V0計算反應(yīng)的膨脹因子，得：=2 可知：=0.667對于一級反應(yīng)： 從而可以求得： 7.在一反應(yīng)器中用硫酸作催化劑進行己二酸和乙二醇的聚合反應(yīng)，其反應(yīng)動力學(xué)方程為：（kmol/L*min），若己二酸的初始濃度為0.02kmol/L，求己二酸的轉(zhuǎn)化率為50%、60%、70%、80%、90%的反應(yīng)時間。解：由反應(yīng)動力學(xué)方程可知，該反應(yīng)為二級反應(yīng)，所以將反應(yīng)速率方程積分，得： 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，得：XA/%5060708090反應(yīng)時間t/min250375583.310003250 出口轉(zhuǎn)化率越高，則反應(yīng)時間越長，或體

9、積越大。8. 根據(jù)機理推導(dǎo)動力學(xué)方程。 10.積分法求動力學(xué)方程。對于反應(yīng)A產(chǎn)物若在體積恒定的間歇反應(yīng)器中進行反應(yīng)，物料平衡方程為對于零級反應(yīng)rA= -K,結(jié)合物料衡算與速率方程，得到根據(jù)t=0，CA=CA0積分得對于一級反應(yīng)，聯(lián)立物料平衡式與速率方程根據(jù)t=0，CA=CA0積分得可見以對t作圖，其斜率即為k對于二級反應(yīng)積分得對于二級反應(yīng)，1/CA對t作圖得出的直線斜率即為k。11.PFR、CSTR、BR等溫反應(yīng)器設(shè)計，復(fù)合反應(yīng)最優(yōu)操作條件確定。必考一個P106例題4-1BRP113例題4-2CSTRP119例題4-4PFR12.利用BR進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg

10、，其反應(yīng)式為：原料中反應(yīng)組分質(zhì)量比為,反應(yīng)液密度為102.0kg/m3，假定在反應(yīng)過程中不變，每批裝料卸料及清洗等輔助操作時間為1h，反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為,100,k1=4.76*10-4L/min*mol，平衡常數(shù)K=2.92，試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)體積，根據(jù)反應(yīng)物料特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實際體積是多少？ 13.（1）按照12題數(shù)據(jù)，使用CSTR生產(chǎn)乙酸乙酯，計算所需反應(yīng)體積，CSTR體積與BR體積比較分析原因。（2）若用PFR反應(yīng)體積為多少？解：首先計算原料處理量V0，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為： 由于原料液中乙酸：

11、乙醇：水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg。由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為： 其次計算原料液的起始組成： 通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為： 將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：14. CSTR串聯(lián)書上例題P40例2-5例2-7P2-3A當中間轉(zhuǎn)化率為30%和70%、摩爾流率為52mol/min時，重做例題2-7.圖A：FA0=52mol/min=0.867mol/s當中間轉(zhuǎn)化率為30%時，PFR反應(yīng)器：在X=0和X=0.3之間積分得CSTR反應(yīng)器：所以圖B：CSTR反應(yīng)器：PFR反應(yīng)器：所以當中間轉(zhuǎn)

12、化率為70%時，PFR反應(yīng)器：在X=0和X=0.7之間積分得CSTR反應(yīng)器：所以圖B：CSTR反應(yīng)器：PFR反應(yīng)器：所以15.在PFR中，于923k等溫下進行丁烯脫氫反應(yīng)以生產(chǎn)丁二烯,反應(yīng)速率方程為原料氣為丁烯與水蒸氣的混合物，丁烯的摩爾分數(shù)為10%，操作壓力為105pa。923k時，k=1.079*10-4（kmol/h*m3*pa)。若要求丁烯的轉(zhuǎn)化率達35%，空時為多少？解：將速率方程代入式（4-6）即可求空時 積分式（1）需先將PA變成轉(zhuǎn)化率XA的函數(shù)。由理想氣體定律得： 而丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由化學(xué)計量關(guān)系知A=（1+1-1）/1=1，所以： 把式（3）代入式（2）后，再將其代入

13、式（1），則有 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式可得空時為：此處的空時系基于反應(yīng)器進口溫度及壓力計算的原料氣體積流量而求得。由于該反應(yīng)為變?nèi)莘磻?yīng)，此時，空時不等于氣體在反應(yīng)器的平均停留時間。因為在反應(yīng)過程中反應(yīng)氣體的體積不增大，從而造成流體速率越來越大，以致氣體在反應(yīng)器的平均停留時間要小于1.933s。如按恒容過程計算，則將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式求出T=1.898s，較之按變?nèi)萦嬎銇淼枚?，這就是說反應(yīng)體積可以小些，實際上這將達不到35%的轉(zhuǎn)化率，原因是沒有涉及由于體積膨脹而引起的停留時間變化。16.停留時間分布-RTD重要公式推導(dǎo)。P62217.某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70用BR并以H2SO4為催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實測得反應(yīng)動力學(xué)方程為：求：己二酸轉(zhuǎn)化率分別為