清华大学2006年环境工程原理期末试卷(反应工程原理部分).pdf

环境工程原理期末考试试题 反应工程原理部分 2006 年 1 月 12 日 一 简答题 每题 6 分 共 24 分 1 简要阐述环境净化与污染控制技术原理体系以及在实际工程中实现污染物高效 快速 去除的基本技术路线 2 对于不可逆液相反应 利用间歇反应器和理想平推流反应器进行反应操作时的基本方 程有何异同 简要分析其理由 3 简述影响球形催化剂有效系数的主要因素及其产生的影响 4 分析气 液相快速反应的特点 根据气 液相拟一级快速反应的宏观速率方程 简述 提高反应速率的措施 二 对于二级不可逆液相反应 AA BB P 试分别给出利用间歇反应器 半间歇反应器 B 一次性加入 A 连续加入 和连续反应器进行反应操作情况下 A 和 B 的转化率的定 义式 10 分 三 某研究单位拟利用以粒状活性炭为载体的二氧化钛催化剂进行水中低浓度有机污染物 A 的分解研究 已知 A 的分解反应为不可逆反应 现需要确定该反应的本征速率方程 rA kcAn 请你为该研究单位设计一个系统的 可操作性强的实验方案 利用间歇反应 器 20 分 四 对于一级不可逆液相反应 A P 利用有效体积为 1m3的完全混合流连续反应器进行动 力学实验 将 A 的浓度为 60mmol m3的液体以 0 1m3 h 速度流入反应器 在 20oC 条件 下 A 的转化率达为 80 试回答以下问题 共 25 分 1 在同样的反应物料流量和温度条件下 利用 2 个有效体积为 0 5m3的完全混合流连 续反应器进行串联操作 试计算 A 的转化率 2 在同样的反应物料流量和温度条件下 利用 5 个有效体积为 0 2m3的完全混合流连 续反应器进行串联操作 试计算 A 的转化率 3 在同样的反应物料流量和温度条件下 利用有效体积为 1m3的理想平推流反应器进 行反应操作 试计算 A 的转化率 4 在同样的温度条件下 利用间歇反应器进行反应操作 要使 A 的去除率达到 80 反应时间应为多少 5 根据以上计算结果 讨论反应器操作方式对转化率的影响并简要解释其原因 五 利用如图所示的细胞循环反应器进行某细菌的培养 进料速率 qv0 1 m3 h S0 2 g m3 X0 0 V 1m3 已知该细菌的比生长速率 与基质浓度 S 之间的关系符合 Monod 方程 已知 max A 2 h 1 K s 0 5 g m 3 每消耗 2g 基质生成 1g 细胞 试回答以下问题 21 分 qv S XS0 X0 0 S V X Se Xe qVe 分 离 器 qV qV e e S X 浓缩菌体 1qV 1qV S X qV 1 保持 0 5 不变 分别计算 1 1 5 2 5 条件下 培养器内基质的利用率和临 界稀释率 Dc 2 保持 1 5 不变 分别计算 0 0 5 1 条件下 基质的利用率和培养器中的菌 体浓度 X 3 根据以上计算结果 讨论细胞浓缩器和细胞循环对细菌培养和基质利用率的影响 2005 2006 学年度环境工程原理 反应工程原理部分 考试参考答案2005 2006 学年度环境工程原理 反应工程原理部分 考试参考答案 一 1 解 1 原理体系 利用隔离 分离 转化等技术原理 通过工程手段 实现污染 物的高效 快速去除 2 技术路线 通过隔离 分离 转化方式的优选与组合 实现对污染物的高效 去除 效率 能耗 快速地去除 即通过对装置的优化设计以及对操作方式和操作条件的优化 实现对介质的混合状态和 流体流态的优化和对迁移 物质 能量 和反应速率的强化 从而实现对污染物的高效 去 除效率 能耗 快速去除 2 解 间歇反应器基本方程为 Vr dt dx n A A A 0 平推流反应器的基本方程为 A A nA r dV dx q 0 异同 方程的基本形式相同 但间歇反应器为反应速率正比于转化率随时间的变化率 而平推流反应器为反应速率正比于转化率随空间的变化率 原因 平推流反应器可以看作一个微元在流动过程中进行间歇反应 其反应时间可用流 动的距离或体积进行表示 即在空间上的平推流反应器与在时间上的间歇反应器 3 解 球形催化剂的效率系数的定义为 3 1 3tanh 1 1 sss 西勒模数反映了反应过程受本征反应及内扩散的影响程度 与 大小有关 根据 e n ASv s D ckR 1 3 可知 的主要影响因素有催化剂颗粒半径 R 扩散系数 De 反应速率常数 kV 催化剂 表面反应物浓度 cAS R kv cAS n 越大 本征反应速率越大 则扩散过程对反应速率影响越大 值越小 De 越大 扩散速率越大 则本征反应对反应速率影响越大 值越大 4 解 特点为 A 与 B 之间的反应速率较快 反应发生在液膜内的某一区域中 在液相 主体不存在 A 组分 也不发生 A 和 B 之间的反应 拟一级快速反应的宏观反应速率方程 tanh AiLAAS ckr 其中 LALABLLABLL kDkcDkc 提高反应速率的措施 提高 Hatta 八田 数 可以通过提高 B 在液相主体的浓度 cBL A 在液相中的扩 散系数 DLA 提高 cAi 加大气相中 A 的分压 提高 kLA 改善传质 即提高 A 在液相中的扩散系数 DLA 减少液膜厚度 L 二 解 1 在间歇反应器中 A 转化率为 xA 1 nA nA0 B 转化率为 xB 1 nB nB0 2 在半间歇反应器中 A 转化率为 tqn n x AnA A A 00 1 B 转化率为 xB 1 nB nB0 3 在连续反应器中 A 转化率为 xA 1 qA qnA0 B 转化率为 xB 1 qB qnB0 三 解 1 测定消除外扩散影响的实验条件 在一反应器内装入质量为 m1的催化剂 此时的填充层高度为 h1 在保持相同温度 T 压力 P 进口物料组成的条件下 改变进料流量 qnA0 测定相应的转化率 xA 在同一反应器内装入质量为 m2的催化剂 此时的填充层高度为 h2 在同样的温度 压力 进口物料组成的条件下测定不同 qnA0时的 xA 做 xA m qnA0曲线 求两曲线重合处的进料流量 qVt和流速 2 测定消除内扩散影响的实验条件 保持温度 压力 进口物料组成不变 选取进料流量 qnt和催化剂填装量 m1 改变催 化剂粒径 dp 测定相应的转化率 xA 做 xA dp曲线 曲线中 xA不随 dp变化而变化的区域 则为无内扩散阻力的粒径条件 选取该区域的催化剂 粒径为 dpt 3 测量本征速率方程 在相同反应器中 保持温度 压力 进口物料组成不变 选取催化剂粒径为 dpt 进料 流量为 qVt 则可消除内外扩散的影响 改变进料浓度 cA0 测定出口浓度 cA 根据积分法 或微分法计算本征速率方程 四 解 对于一级不可逆液相反应 完全混合流连续反应器体积为 1m3 则有 V 1 1 0 1 V h q 0 反应器出口反应物 A 浓度 1 1 00AAAA xckcc 则一级反应速率常数 k 0 4h 1 1 2 个完全混合流连续反应器串联 单个反应器的空间时间 1 1 V 0 5 5 0 1 V h q 反应器出口反应物 A 浓度 3 22 10 67 6 54 01 60 1 mmmolkcc AA 转化率 xA 88 9 2 5 个完全混合流连续反应器串联 单个反应器的空间时间 5 5 V 0 2 2 0 1 V h q 反应器出口反应物 A 浓度 3 55 50 18 3 24 01 60 1 mmmolkcc AA 转化率 xA 94 7 3 采用平推流反应器进行反应操作 反应器的停留时间 V 1 1 0 1 V h q 0 反应器出口反应物 A 浓度 34 010 0 10 160mmmoleecc k AA 转化率 xA 98 2 4 采用间歇反应器进行反应操作 有 A ln 1 xkt A ln 1 ln 1 0 8 4 0 4 x th k 02 5 反应器操作方式对转化率的影响 对于完全混合流连续反应器 串联级数增加 相应的转化率亦增加 完全混合流连续反应器与间歇反应器和平推流反应器相比 在相同的时间内 后两者 的转化率较高 平推流反应器和间歇反应器在相同的时间内具有相同的转化率 原因 完全混合流连续反应器存在 稀释 效应 即反应器中 A 浓度低于进料浓度 反应速率 较低 而平推流反应器或间歇反应器不存在这种 稀释 效应 反应速率较高 转化率亦较高 所以 平推流反应器或间歇反应器转化率高于相同反应体积的完全混合流连续反应器 在多级串连全混流式反应器中 反应器中 A 相当于被逐步稀释 当级数 n 趋向于无穷 大时 多级串连反应器相当于平推流反应器 五 解 反应器稀释率 1 V0 1 1 1 q D V h 1 保持 0 5 不变 当 1 时 11 1 即不浓缩 当微生物生长符合 Monod 时 稀释率和基质浓度之间有 max S S D KS 变形得 3 S max 0 5 1 1 0 5g m 2 1 1 KD S D 基质利用率 0 0 20 5 75 0 5 SS S 临界稀释率 1 max0 c S0 1 1 6h S D KS 当 1 5 时 1 1 0 75 出水基质浓度 3 S max 0 5 0 75 1 0 3g m 20 75 1 KD S D 基质利用率 0 0 20 3 85 0 3 SS S 临界稀释率 1 max0 c S0 1 2 13h S D KS 当 2 5 时 1 1 0 25 出水基质浓度 3 S max 0 5 0 25 1 0 07g m 20 25 1 KD S D 基质利用率 0 0 20 07 96 4 0 07 SS S 临界稀释率 1 max0 c S0 1 6 4h S D KS 2 保持 1 5 不变 当 0 时 11 1 即不浓缩 出水基质浓度 3 S max 0 5 1 1 0 5g m 2 1 1 KD S D 基质利用率 0 0 20 5 75 0 5 SS S 培养器中的菌体浓度 3 X S 0 0 75g m Y XSS 当 0 5 时 1 1 0 75