《化学反应工程》试题及答案解读

1、化学反应工程试题库一、填空题质量传涕、热量传递、动量传递和化学反应称为三传一反.TOC o 1-5 h z物料衡算和能量衡算的一般表达式为。着眼组分A转化率xA的定义式为兀朮=仇曲爲)/朗。总反应级数不可能大于3。反应速率-匚=kCC的单位为kmol/(m3h),速率常数k的因次为m3/(kmolh)。AAB反应速率-rA=kCA的单位为kmol/kgh,速率常数k的因次为m3/kgh。A.A.反应速率-r=kCi/2的单位为mol/Ls，速率常数k的因次为(mol)2Ls。AA反应速率常数k与温度T的关系为lnk=-10000+10.2，其活化能为。T某反应在500K时的反应速率常数k是40

2、0K时的103倍，则600K时的反应速率常数k时是400K时的105倍。某反应在450C时的反应速率是400C时的10倍，则该反应的活化能为(设浓度不变)TOC o 1-5 h z186.3kJ/mol。非等分子反应2SO2+O2=2SO3的膨胀因子5等于-0.5。223SO非等分子反应N2+3H2=2NH3的膨胀因子5等于2/3。223H2反应N2+3H2=2NH3中(r)=1/3(r)=1/2r223n2H2NH3在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0,转化率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为Cd-xjn，转化率为1-(1-xA)n。在全混流反应器

3、中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0,转化率为xA，当反1xnx应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为袞，转化率为抵一。1+(n1)x1+(n1)xAA反应活化能E越_大，反应速率对温度越敏感。对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越大。TOC o 1-5 h z某平行反应主副产物分别为P和S,选择性SP的定义为_(劣也曲)也知。某反应目的产物和着眼组分分别为P和A其收率P的定义为(nP-nP0)/(nA0-nA)。均相自催化反应其反应速率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反应速率。根据反应机理推导反应动力学常采用的方法有速率控制步骤、拟平衡态。对于连续操作系统，定

4、常态操作是指温度及各组分浓度不随时间变化。返混的定义：不同停留时间流体微团间的混合。平推流反应器的返混为0:全混流反应器的返混为R。空时的定义为。Vx针对着眼组分A的全混流反应器的设计方程为二一。F-rA0A不考虑辅助时间，对反应级数大于0的反应，分批式完全混合反应器优于全混流反应器。反应级数0时，多个全混流反应器串联的反应效果优于全混流反应器。反应级数0时，多个全混流反应器串联的反应效果差于全混流反应器。反应级数0时，平推流反应器的反应效果优于全混流反应器。反应级数0时，平推流反应器的反应效果差于全混流反应器。对反应速率与浓度成正效应的反应分别采用全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器

5、体积的大小关系为；通常自催化反应较合理的反应器组合方式为全混流+平推流相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度高于最优温度。主反应级数大于副反应级数的平行反应，优先选择平推流反应器。主反应级数小于副反应级数的平行反应，优先选全混流反应器。要提高串联反应中间产物P收率，优先选择反应器。主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜采用_低温操作。主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜采用_高温操作。停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式JE(t)dt=1.0。0定常态连续流动系统，F(0)=_L；F(g)=。42.定常态连续流动系统，43.平均停留时间t是E(t)曲线的分布中心：与E(t)

6、的关系为t=itE(t)dt。044.方差2表示停留时间分布的分散程度:t其数学表达式为b2二t45.采用无因次化停留时间后，E(0)与E(t)的关系为E(9)二tE(t)。采用无因次化停留时间后，F(0)与F(t)的关系为F(8)=F(t)无因次方差b2与方差b2的关系为=b2/12。TOC o 1-5 h z9t9t48.平推流反应器的b2=0:而全混流反应器的b9=99两种理想流动方式为平推流和全混流TOC o 1-5 h z非理想流动2的数值范围是。0循环操作平推流反应器循环比越大返混越大。循环操作平推流反应器当循环比B=0时为平推流；当B=_壬时为全混流。停留时间分布实验测定中，常用

7、的示踪方法为脉冲示踪和阶跃示踪。脉冲示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到E(t)曲线。阶跃示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到F(t)曲线。采用脉冲示踪法测得的浓度CA(t)与E(t)的关系式为E(t)=CA(t)/C。采用阶跃示踪法测得的浓度CA(t)与F(t)的关系式为F(t)=。N个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差=1/N。0多级全混釜串联模型当釜数N=丄为全混流，当N=a为平推流。tt全混流的E(t)=1e；F(t)=1-e-1。t平推流的E(t)=0当t丰t、=8当t=t_；F(t)=0当t堆密度。你们对于体积为Vp外表面积为ap的颗粒其体积当量直径为36V/兀

8、、面积当量直径为a/兀、比表面当量直径为6a/VPPP固定床最优分段的两个必要条件是前一段出口反应速率与下一段进口相等和每一段的操作温度线跨越最优温度线。二、计算分析题在恒容条件下，反应A+2B=R,原料气组成为CAo=CBo=100kmol/m3，计算当CB=20A0B0Bkmollm?时，计算反应转化率xA、xB及各组分的浓度。AB解：在恒容条件下：xB=(CB0-CB)/Cbo=0.8由CA0-CA=(CB0-CB)/2得到：CA=60kmol/m3xA=(CA0-CA)/CA0=0.4在恒压条件下，反应A+2B=R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB=20A0

9、B0Bkmol/m3时，反应转化率xA、xB及各组分的浓度。AB解:&B=(l-l-2)/2=-l;yB0=0.5=0(1+BO。BXB)=n0(1-05XB)在恒压条件下：V=V0n/n0=V0(l-0.5xB)000BCb二WnB0(1-Xb)化0%)-CB0(1-Xb)/d-O%)xB=8/9nA0-nA=(nB0-nB)/2xA=(nA0-nA)/nA0=(nB0-nB)/(2nA0)=(nB0-nB)/(2nB0)=0.5xB=4/9串联-平行反应A+B=R，A+R=S，原料中各组分的浓度为C=2.0mol/L，Cn=4.0mol/L，A0B0C=C=0,在间歇反应器中恒容操作一定时

10、间后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5molIL，计算R0S0AR此时组分B和S的浓度。-1解：在恒容条件下：C=C-C；C=C；C=(C-C)-C；C-C=C+CA1B0BA2SRB0BSA0AA1A2得到：CS=(CA0-CA-CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1mol/LC=C-C-C=4.0-1.5-0.1=2.4mol/LBB0RS4.在间歇反应器中进行等温2级、1级、0级均相反应，分别求出转化率由0至0.9所需的时间与转化率由0.9至0.99所需时间之比。解：在间歇反应器中：t=CxA2叫0级反应：A0rxA1At00.9t0.90.99t=CjA=kC(x-

11、x)A0kA0A2A1xA11级反应：呼2dxt=CAA0kC(1一x)xA1A0A=1ln1一xA11一xA2t00.9t0.90.99lniu-”10.9=1ln10.910.992级反应：t=C件A0kC2(1一x)2xA1A0A1kCA0_x_i1xA211x/A21-0.910=0.1t1-r0.90.9910.9910.900.9在等温恒容条件下进行下列气相反应1dnnA=k-A，试推导：VdtVA-2R其反应速率方程为1)以A组分转化率xA表示的反应速率方程;2)以总压P表示的速率方程。假定原料组分为50%A和50%惰性气体，气体为理想气体。解：(1)ndxn(1x)T0A=kA

12、VdtVdx-tdt=k(1x)A(2)6a=(2-1)/1=1yA0=0.5n=n0(1+yA06AxA)=n0(1+0.5xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2dP=k(1.5P-P)dt06.在间歇反应器中进行等温二级反应A=B，反应速率：-rA=0.01CAmol/(L-s)当CA0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至CA=0.01mol/L所需的时间。dC解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：-*=0.01C2t=dtACACA0当CA0=1mol/L时，t=9900sA0当CA0=5mol/L时，t=9950sA0当CA0=lOmol/L时，t=9990sA07.解

13、试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。k=ke-Rt0RTlnk=lnk一0Ink与1/T作图为一直线dp&某气相恒容反应在400K时的速率式为：-分=0.37pAMPa/h，试问反应速率常dn数的单位是什么？若速率式写成-.=-vd=kCATgh），试问此反应的速率常数为多少？解：(1)反应速率常数的单位：(hMPa)-idPdj=10-3RTP=10-3RTCdtVdtAAn1(2)AX103=CX103=PX106VARTAdA=0.37X10-3RTC2Vdtak=0.37x10-3RT=0.37x10-3x8.314x400=1.2m3/(kmolh)9.等温下在间歇反应器中进行

14、一级不可逆液相分解反应A=B+C，在5min内有50%的A分解，要达到分解率为75%，问需多少反应时间？若反应为2级，则需多少反应时间？解：一级反应：t=CA0 xAdxkC(1-x)0A0A1丨1lnk1-xA=-ln(1-x)kAt0.75=tln(1-0.75)=0-5ln(1-0.5)=10min二级反应：xt=CJA00dxkC2(1-x)2AkCA1-xA0t0.750.751-0.5=t=15min0.51-0.750.5=kCACBmol/(Lh),在等温间歇dC10.液相自催化反应A=B的速率方程为一=-釜中测定反应速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L

15、,经过1小时后可测得反应速率最大值,A0B0求该温度下的反应速率常数k。解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA-rAdCAdt=kC(1-C)AAd(r)dC反应速率最大时：亍二k(12CA)希=，得到CA=0.5m沁对反应速率式积分得到kt=ln(1C)CAAC(1C)AA0代入数据得到k=2.944L/(molh)对于气相反应：A-3P其反应速率方程为-rA=kCA,试推导在恒容条件下以总压P表示的反应速率方程。假定原料为50%A和50%惰性组分，气体符合理想气体。dx解:在恒容条件下一防CA0卡=kCA0(1-XA)dxdt=k(1x)A&A=(3-1)/1=2yA0=.5n=n0(1

16、+yA05AXA)=n0(1+XA)xA=n/n0-1=P/P0-1dP二k(2PP)dt0对于气相反应：A-3P其反应速率方程为-rA=kCA，在一平推流反应器中进行等温恒压反应。已知反应器体积为V原料体积流量为v,初始浓度为CA。试推导：其反应器设计方程，并以A组分转化率xA表示成易积分的形式。假定原料为纯A,气体符合理想气体。解:A=(3-1)/1=2yA0=1等温恒压：v=v(1+yA0AXA)=v0(1+2xA)1xAA01+2XFF(1x)二一A二一A0Avv(1+2x)0AVFA0Jdxr0AjdxjIca0A1kCA0(1+2xA.1xAdxA丿TdxA丿1+2xA1xA在一全

17、混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：目的产物为p,反应器体积为V，体积流量为v0，进料为纯A组分，浓度为CA0。(1)各组分的浓度表达式；导出产物P的总收率、选择性表达式；导出产物P浓度达到最大所需的空时，即最优空时。解：全混流反应器中对A组分作物料衡算CFF=V(r)v(CC)二VkCC=A0-A0AA0A0A1AA1+kT1对P组分作物料衡算:F-F二VrvC二V(kC-kC)P0P0P1A2PkeCkeCC=1=+AOp1+ke(1+ke)(1+ke)212二C-C-C二CA0APA0keC1+ke(1+ke)(1+ke)ll20kke2C2A0(1+ke)(1+ke)12P的总收率

18、：二Pn-nCpP0=p=nnCC1+keA0AA0A2P的总选择性：SPn-nC1=po=p=n-nCkeSS0S2dCP的浓度达到最大需满足：一严=0得到最优空时：e=de:丄kk1214.某一级气相反应A=2P,反应速率常数k=0.5min-i,按下列条件进行间歇恒容反应，lmin后反应器内的总压为多少？反应条件：(l)latm纯A；(2)lOatm纯A；(3)1atmA和9atm惰性气体。解：一级反应：dxA=k(1-1一e-kt=1一e-0.5二0.393dtAAn=n0(1+CAyA0 xA)=n0(1+yA0 xA)p=p0(1+yA0 xA)yA0=1p=p0(1+yA0 xA

19、)=1.393atm10atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0 xA)=13.93atm(3)1atmA和9atm惰性气体：yA0=0.1P=P0(1+yA0 xA)=10.393atm15.某二级液相反应A+B=C,已知在间歇全混釜反应器中达到xA=0.99需反应时间为10min，问：(1)在平推流反应器中进行时，空时T为多少？(2)在全混流反应器中进行CA=(2-1)/1=1(1)1atm纯A时，空时T为多少?(3)若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时T又为多少?解：-伫=kC2dtAkC=-A0trx)AI1-丿=10 x鵠=9.9l)在平推流反应器中：工1=kCA0rx)A

20、Jx丿A=丄x旦=10min9.91-0.992)在全混流反应器中：ex0.99=a=1000minkC(1-x)29.9x(1-0.99)2A0A0.993)两个等体积串联全混流反应器中：xx-x第一个釜0.5e二缶第二个釜0.5e二乜a第kC(1-x)2第个釜kC(1-x)2A0A1A0A2由试差法计算得到：t=51.5min16.自催化反应A+R-2R其速率方程为：-rA=kCACRAAR在等温条件下进行反应，已知CA0和CR0,要求最终转化率为xAf。为使反应器体积最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；(2)此最小反应器总体积表达式；(3)在FA0/(-rA)xA图上表示各反应器的体

21、积。解：(1)最合适的理想反应器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器反应速率最大点是两个反应器的分界点。C+C=C+CC=C+C-C=C-CARA0R0RA0R0AMAr二kC(CC)AAMA反应速率最大时，d(-rA)/dt=0CA=0.5CMCC若CA戸0.5Cm，即XA0R0Af2CA0全混釜体积：v(CC)9A0A2vkCCkC2(2CA02vk(C+C)2A0R0(CA0CR0)V平推流体积：Tv0午dqkCC0.5CMARv0k(C+C)A0R0lnCCxR0A0AfC(1X)A0AfV=Vm+VP17.对于反应速率方程为-r二kCn的液相反应，为达到一定的生产能力，试讨论当n0

22、、AAn=0和nVO时，如何选择型式（平推流或全混流）使反应器体积最小，并简单说明理由，F并在x图上表示反应器的体积。raA解：当n=0时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器型式无关。当n0时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择平推流反应器。当nVO时，反应速率与反应物浓度呈负效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择全混流反应器。18.一级等温反应A=P,活化能为83140J/mol,在平推流反应器中进行反应，反应温度为420K,反应器体积为V，如改为全混流反应器，其体积为V，为达到相同的转化率xA=0.6,TOC o 1-5 h

23、 zpmA（1）若反应操作温度相同，则V/V之值应为多少？（2）若V/V=1，则全混流反应器的mpmp操作温度应为多少？AOlnFx解：(1)V二皆mkC1xAOA HYPERLINK l bookmark82 o Current Document x1m=a/ln=2.941x1x HYPERLINK l bookmark162 o Current Document PAAkx1（2）V/V=1，同样得到：7m二/ln二2.94mpk1x1x HYPERLINK l bookmark166 o Current Document PAAk=ke-Rrmk=keRTpeR（TP弋）=2.94代入

24、数据得到：T=440K HYPERLINK l bookmark168 o Current Document mOpOm等温二级反应，依次经过体积相等的平推流反应器和全混流反应器，出口转化率为0.99,若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？解：等温二级反应得到，平推流MAJ1_11x1xAoutAin全混流：kCtA0 xxAoutAin(1x)2Aout将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：kCA0T=61.53全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口xA=0.884全混流出口xA就是平推流进口xA，计算平推流出口xA=0.986等温一级反应，依次经过体积相等的平推流

25、反应器和全混流反应器，出口转化率为0.99若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？1x解：等温一级反应得到，平推流k=InAin-1xAout全混流：x一xAoutAin1一xAout将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：kT=3.175全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口xA=0.760全混流出口xA就是平推流进口xA，计算平推流出口xA=0.9921.液相二级不可逆反应A+B=C,CA0=CB0，在平推流反应器进行试验，当t=10min时A0B0 xA=0.99，问在相同温度下为达到相同转化率，采用（1）在全混流反应器中进行时，空时T为多少？（2）若在两个等体积串

26、联全混流反应器中进行时，空时T又为多少？22.在恒温恒容下进行下式所示的自催化反应：A+RTR,其速率方程为-：=kCACR，初始浓度分别为C和C，试推导其在间歇釜中达到最大反应速率时的时间和A组分的A0R0浓度，若采用连续操作，应采用何种理想反应器组合方式，可使反应器总体积最小，并用示意图进行表示。23.平行反应：P匚=1其中P为目的产物，在等温操作中，证明：采用全混流反P应器最大产物浓度CPmax=CA0；采用平推流反应器最大产物ASrS=2CA浓度CPmax=CA0/(1+5)。TrT=CA224.等温一级不可逆串联反应ARk2S,进料为纯A浓度为CA0，连续操作空时为T，试分别推导出反

27、应器出口各组分的浓度：（1）平推流反应器；（2）全混流反应器。25.等温一级不可逆平行反应：rp=k1CArS=k2CA进料为纯A浓度为CA0,连续操作空时为T，试分别推导出反应器出口各组分的浓度：（1）平推流反应器；（2）全混流反应器。26.试分别在图上画出下列流动模型的停留时间分布函数F（t）和停留时间分布密度函数E（t）曲线：举出与它有相同停留时间分布的另一种流动模型，这说明了什么问题27.液相反应R(主反应)rR=k1CA0-6CB1-2A+B_S(副反应)rS=k2CA2-0CB0-2从有利于产品分布的观点，(1)将下列操作方式按优一劣顺序排列，并说明理由。(2)若反应活化能EE，应

28、如何选择操作温度？试采用脉冲示踪法推导全混流反应器的停留时间分布函数和分布密度函数。试采用阶跃示踪法推导全混流反应器的停留时间分布函数和分布密度函数。画出平推流反应器、全混流反应器、平推流和全混流反应器串联及全混流和平推流反应器串联的停留时间分布密度函数E(t)和分布函数F(t)F(0)和E(0)分别为闭式流动反应器的无因次停留时间分布函数和停留时间分布密度函数。(1)若反应器为平推流反应器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)(2)若反应器为全混流反应器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；

29、(e)E(1.2)(3)若反应器为一非理想反应器，试求：(a)F(g)；(b)E(g)；(c)F(0)；(d)E(0)；丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总反应为C4H8(A)=C4H6(B)+H2(C)假设反应按如下步骤进行：A+OOAOAOOBO+CBOOB+O假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程(1)A吸附控制；(2)B脱附控制；(3)表面反应控制。乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应C2H2(A)+HCl(B)=C2H3Cl(C)其动力学方程式可有如下几种形式：1)r=k(ppp/K)/(1+Kp+Kp+Kp)ABCAABBCC2)r二kKpp/(1+Kp+Kp)AABAABB3)r=kKpp/(1+Kp+Kp)BABBBCC试分别列出反应机理和控制步骤气固相催化反应：A+B=C，其反应机理如下：A+aoAaB+aoBaAa+BoCaCaoC+a假定符合Langmuir均匀吸附模型，试分别推导动力学方程(1)A吸附控制；(2)C脱附控制；(3)表面反应控制。在气固相催化剂表面进行下列气