《化学反应工程》试题及答案基础部分

1、化学反应工程试题一、填空题质量传递、热量传递、动量传递和化学反应称为三传一反。A=-)/3.物料衡算和能量衡算的一般表达式为输入输出=累积。着眼组分 转化率x的定义式为x（nnnA=-)/3.AAA0AA0总反应级数不行能大于 3.AAr=kCC 的单位为kmol（3h，速率常数k 的因次为3/(kmoh ）.AAA反应速率-r =kC的单位为kmol/kgh,速率常数k 的因次为 m3/kgh。A反应速率 rA kC1/ 2 的单位为mol/Lsk 的因次为 (mol）1/2L1/2s.A反应速率常数k 与温度T 的关系为lnk 10000 10.2其活化能为 8314kJ/mol。T500

2、K k 400K 103 600K k时是400K 时的105 倍。某反应在 450时的反应速率是 400时的 10 倍,则该反应的活化能为(设浓度不变）186.3kJ/mol.非等分子反应2SO2+O2=2SO3 的膨胀因子等于-0。5。非等分子反应N2+3H2=2NH3 的膨胀因子等于 2/3.N13.反应N2+3H2=2NH3 中（rN)=1/3 （rH2）=1/2A0A0A在平推流反应器中进行等温一级不行逆反应,反应物初浓度为 C，转化率为x ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为C（1x ）n，转化率为 1(1x )n。A0A0AA在全混流反应器中进行等温一级不行逆反应

3、，反应物初浓度为 CA0,转化率为 x ，当反A1 x应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为1 (n A xnx,转化率为1(n Ax。1)AE 越大，反应速率对温度越敏感.A对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越大。某平行反应主副产物分别为P 和S，选择性SP 的定义为 (nPnP0）/ （nSnS0）。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（nA0nA)。.依据反应机理推导反应动力学常接受的方法有速率把握步骤、拟平衡态。对于连续操作系统,定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

4、；全混流反应器的返混为.空时的定义为反应器有效体积与进口体积流量之比。V针对着眼组分A 的全混流反应器的设计方程为FA0 xA。rA0 .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。反应器体积的大小关系为全混流多级串联全混流平推流；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

5、小于副反应级数的平行反应，优先选择全混流反应器。要提高串联反应中间产物P 收率,优先选择平推流反应器。主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜接受低温操作.主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜接受高温操作。停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式E(t)dt 1.0。0定常态连续流淌系统，F（0）=0 ；F（）=1 。FFt) 定常态连续流淌系统，F(t）与 E（t)的关系E(t)dt .0E(t）E（t）的关系为t tE(t)dt .方差表示停留时间分布的分散程度；其数学表达式为 2t0。tt)2 Et)dt。0接受无因次化停留时间后，E（）E（t) E( ) tE(t) 。

6、接受无因次化停留时间后，F（）与F（t) 的关系为F(）=F（t）.无因次方差与方差的关系为 2t/t2 。平推流反应器的=0；而全混流反应器的=1。两种抱负流淌方式为平推流和全混流。非抱负流淌的数值范围是 01。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=0时为平推流；当=时为全混流。停留时间分布试验测定中，常用的示踪方法为脉冲示踪和阶跃示踪。脉冲示踪法依据检测到的浓度变化曲线可以直接得到E(t)曲线。阶跃示踪法依据检测到的浓度变化曲线可以直接得到F（t）曲线.AAC （t)E（t）E(t)= C (t)/C 。AAAA接受阶跃示踪法测得的浓度C （t）与F（t）的

7、关系式为F(t）= C (t）/ C.AAN 个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差= 1/N。多级全混釜串联模型当釜数N= 1 为全混流,当N=为平推流。tE（t)= 1 ettt；F（t）=1et .E(t)=0 当t t 、=当t t ;F（t)= 0 当t t 、=1 当t t .轴向分散模型中,Pe 准数越小返混越大。轴向分散模型中Peclet 准数的物理意义是代表了流淌过程轴向返混程度的大小。对于管式反应器，流速越大越接近平推流;管子越长越接近平推流。为使管式反应器接近平推流可实行的方法有提高流速和增大长径比。对于平推流反应器,宏观流体与微观流体具有相同的反应结果.工业催化剂

8、所必备的三个主要条件：选择性高、活性好和寿命长。化学吸附的吸附选择性要高于物理吸附的吸附选择性。化学吸附的吸附热要大于物理吸附的吸附热。化学吸附常为单分子层吸附,而物理吸附常为多分子层吸附。操作温度越高物理吸附越弱，化学吸附越强；在气固相催化反应中动力学把握包括表面吸附、表面反应和表面脱附。气固相催化反应本征动力学指消退内外集中对反应速率的影响测得的动力学。.在气固相催化反应中测定本征动力学可以通过提高气体流速消退外集中剂颗粒粒度消退内集中.固体颗粒中气体集中方式主要有分子集中和努森集中.气固相催化串联反应，内集中的存在会使中间产物的选择性下降。气固相催化平行反应,内集中的存在会使高级数反应产

9、物的选择性下降.Thiele 模数的物理意义反映了表面反应速率与内集中速率之比。催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反应速率/催化剂内部浓度和温度与外表面上的相等时的反应速率。催化剂粒径越大，其Thiele 模数越大,有效系数越小；气固相非催化反应缩核模型中气相反应物A 的反应历程主要有三步,分别是气膜集中、灰层集中和表面反应.自热式反应是指利用反应自身放出的热量预热反应进料。固定床反应器的主要难点是反应器的传热和控温问题.多段绝热固定床的主要控温手段有段间换热、原料气冷激和惰性物料冷激。固定床把握温度的主要目的是使操作温度尽可能接近最优温度线。 P对于体积为 VP 外表面积为 aP 的颗粒其体积

10、当量直径为、面积当量直径为a /a /P/V .P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 CA0=CB0=100kmol/m3，计算当 CB =20Akmol/m3 x 、x 及各组分的浓度。解:在恒容条件下：xB=（ CB0 CB )/ CB0ACA0 CA =( CB0- CB )/2 得到：CA=60 kmol/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 =20A

11、kmol/m3 x 、x A解：=(11-2)/2=1；y=0。5BB0n=n0(1+ yB0 x ）= nB00B（10.5 x ）0BBB在恒压条件下：V=V0 n/n0= V0(10。5xB）BBCB =n/V= nB( ）/V1。5= B( ）/ 1-。5)xB=8/9nA0 nA =（ nB0 nB )/2xA=( nA0 nA )/ nA0=（ nB0- nB ）/（2 nA0)= （ nB0- nB ）/(2 nB0)=0。5 xB=4/9串联平行反应A+B=A+R=CA=2molLCB=4.0 CR0=CS0=0,CA=0。3mol/L，CR=1。5 mol/L，计算此时组分B

12、S的浓度.解:在恒容条件下:CA1= CB0-CB；CA2= CS ；CR= (CB0-CB）CS；CA0CA=CA1+CA2得到:CS=( CA0CA CR)/2=（2。0-0.3-1.5）/2=0.1 mol/LCB= CB0 CRCS=4。01。50。1=2。4 mol/L2 级、1 级、0 0 0.9 所需的0.90。99 所需时间之比。解：在间歇反应器中:t CxA2 dxA0 级反应:A2 dxA0rxAA1， t0.90t CA0 xA1A kC(xkA0A2xA100.9t0.90.990.99 0.910级反应：t CxA2dxA ，t00.9 ln1010.91A0kCxA

13、1A)k1xA2t0.90.99ln 10.910.99级反应:A2dx111， t1 1t CA0A2200.910.9 10 0.1kC 1x1x11xA1A0AA0A2A20.90.9910.9910.9在等温恒容条件下进行下列气相反应：A 2R其反应速率方程为r 1 dnA kA ,试推导：nAVdtVn以A xA 表示的反应速率方程;P 表示的速率方程.50%A 50%惰性气体，气体为抱负气体。n解：(1） A0dxn A kA0AVdtVdx dtA（2）=(21)/1=1y=0.5n=n (1+ y x ）= n (1+0。5 x ）AA00A0AA0AxA=2n/n02=2P/

14、P02 (1.5PP)dt0在间歇反应器中进行等温二级反应 A=B, rA 0.01C2mol /(Ls当 CAA01、5、10mol/L 时,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： dtAt 100 1 1CCAA0CA0=1mol/L 时，t=9900s CA0=5mol/L 时，t=9950s CA0=10mol/L 时，t=9990slnk1/Tk lnk1/TeRT解:k k EeRT0lnk lnk E 10RTlnk 1/T 作图为始终线400K 时的速率式为： dpA 0.37p2MPa/）试问反应速率常dtA数的单位是什么？(2）若

15、速率式写成 rdnA kC2kmol/（m3h)，试问此反应的速AVdtA率常数为多少？1(MP）1n(2） A103 C103 PdPdn106A103 RTA P103 RTC1VARTA1dndtVdtAAA 0.37103 RTC2VdtAk 0.37103 RT 0.37103 8.314400 1.2m3/（ kmolh)等温下在间歇反应器中进行一级不行逆液相分解反应A=B+C,在5min 内有50的A 分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 CxAdxA 1ln1 A0kC0A0A)k1xkAAt0.75t0.510mindxxdx二级反应：

16、t CAA1xAA0kC20A0(1 x)2AkC1 xA0At0.75t0.7510.5 15min0.5 10.750.5dC液相自催化反应A=B 的速率方程为 r AA kC C dtAmol（h釜中测定反应速率,CA0=0。95mol/L，CB0=0。05mol/L，经过 1 小时后可测得反应速率最大k。dCAAA0+CB0-CA=1CA r A kC dt Ad(r )dC反应速率最大时：A k (1 2C dt)A 0CdtA=0。5 mol/L(1C )CCA对反应速率式积分得到kt lnCAAA0k=2.944 L/(molh）)A0对于气相反应:A3P其反应速率方程为rA=k

17、CA,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，气体符合抱负气体。dx解：在恒容条件下 r CAA0A kC dtA0 AdxA k(1 x )dtA=(31）/1=2y=0.5n=n(1+y x )= n(1+ x ）AA0 xA=n/n01=P/P010A0AA0AdP k(2PP)dt00对于气相反应：A3P 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C0程,并以A xA 表示成易积分的形式。假定原料为纯A，气体符合抱负气体。解：=(3-1）/1=2y=1AA0等温恒

18、压:v=v （1+ y x )= v (1+2x ）0A0AA0AFCFA0 A) C1 xAFAvvF0 A A A0 1 2xAA V A dxA FA dxxA112xAdxArA00kC0AkC1 xA0A1xA12x1 1x AAdxA0AAkAk1Pk2S目的产物为P,反应器体积为V，体积流量为v ，进料为纯A 组分，浓度为C。0（1)0（2)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FFV(r ) v (CC ) Vk CCCA0A0AA0A0A1A1k1对P 组分作物料衡算：F FVrv CV(k

19、Ck C ) C1A1A0PP0P0P1A2PP1k CCCCCCA021A01k1kk22C2A0SA0APA01k)k )P 的总收率：11212 nP nP0 CP1PnnA0ACCA01 k 2P 的总选择性S nP nP0 CP 1PnnCk SS0S21k k1 2P dCP 01k k1 2d某一级气相反应A=2=5mi-,:(1)1atm纯A（2) 10atm纯A（3)1atm A和9atm惰性气体。解：一级反应: x ) x1ekt 1e0.5 0.393dtAA=（21）/1=1n=n (1+yx ）= n(1+ yx ） P=P(1+ yx )A0A A0 A0A0 A0

20、A0 AA0 A(1) 1atm纯A：yA0=1 P=P0 （1+ yx ）=1A0 A(2) 10atm A:yA0=1 P=P0 （1+ yA0 xA)=13.93atmA0 A(3) 1atm A和9atm 惰性气体：yA0=0。1 P=P0 (1+ yx A0 A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10mi（1）在平推流反应器中进行时，空时（2）空时为多少?（3）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少？dC1x10.99A kC2 kC t 1A 9.9dtA0 x1010.99A（1)在平推流反应器中:1x kC1A 1

21、 0.9910minxA0A9.910.99在全混流反应器中： xA0.991000minkC A0A)29.9(10.99)2两个等体积串联全混流反应器中:第一个釜0.5 xA1其次个釜0.5 x xA2A1kC A0A1)2kCA0 )2A2由试差法计算得到：=51。5min自催化反应A+R2R 其速率方程为：rA=kCACR在等温条件下进行反应，已知CA0 和CR0,要求最终转化率为x。为使反应器体积最Af小.试问：最合适的抱负反应器组合方式；此最小反应器总体积表达式;FA0/(rA)xA 图上表示各反应器的体积。解:（1）最合适的抱负反应器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器（2)反

22、应速率最大点是两个反应器的分界点。CA+CR= CA0+CR0CR= CA0+CR0-CA= CM-CAr kC (CAAC )A反应速率最大时,d(rA)/dt=0CA=0。5CMC0。5C CA0CR0 ，仅用一个全混釜即可Afv (CMAf2CA0C)v xVmA0kC CAR k(1 xAf0AfxA0C)R0C0.5CCA0 CR0AfAfv (C2CA0C )2v2v全混釜体积：Vm0A0kC CAR0kC2M(2CC)A0Mk(CA00C)2R0(CC)A0R0V平推流体积： PCAfAfdCAVv0ClnR0CxA0AfvkC CPk(CC)C )0V=Vm+VP0.5CMRA

23、0R0A0AfFFA0/(-rA)VmVP0 xAf对于反应速率方程为 rA kCn 的液相反应，为达到肯定的生产力量，试争辩当n0、An=0 n0 时，如何选择型式(平推流或全混流）,并在FrA0 xA 图上表示反应器的体积。rAn=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 ,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 n0 时,流型式，故选择全混流反应器.)n)n0A/AFxA)n=0A/AFxAn0)A/AFxA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m420KVp,Vmx=06，A(1)若反

24、应操作温度相同，则Vm/Vp 之值应为多少？(2）若 Vm/Vp=1,则全混流反应器的操作温度应为多少？AFxF1解:（1）VmVA0kCA0AxAAV1 xPA1A0kCA01 xAm V1 xP/ln 2.941 xA（2）V/V =1，同样得到： m xA/ln1 2.94kmpkkP1 x1 xAAkk eRTm k eRTp eR TP 2.94 代入数据得到：T=440KEm0 EE( 1 1 )0m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kC11全混流: kCA0

25、xAout xAin1 xAout1 xAinA0 )2Aout将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：kCA0=61。53A全混流反应器+平推流反应器:x =0。884AAA全混流出口x就是平推流进口x ，计算平推流出口x AA等温一级反应,099，若将两个反应器改换次序,问出口转化率为多少?解:等温一级反应得到，平推流kln 1 xAinxxAinAout1 xAoutA将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：k=3.175 全混流反应器+x =0.760AAAx x ,x =0。AAA液相二级不行逆反应 A+B=C，CA0=CB0，在平推流反应器进行试验，当=10

26、min 时 x =0.99，问在相同温度下为达到相同转化率，接受（1)在全混流反应器中进行时,空时为多少？（2)若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少?A在恒温恒容下进行下式所示的自催化反应：A+R2R，其速率方程为 r kC C ，AAR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,若接受连续操作，应接受何种抱负反应器组合方式，可使反应器总体积最小，并用示意图进行表示。平行反应：APrP=1SrS=2CAAPrP=1SrS=2CATrT=CA2.最大产物浓度 CPmax=C.A0A0A0CPmax=CA0/(1+C）1等温一级不行逆

27、串联反应A1k R kS,进料为纯A CA0,试分别推导出反应器出口各组分的浓度（1(）全混流反应器。APAPSr =P1Ak Cr =S2Ak C进料为纯A浓度为CA，连续操作空时为，试分别推导出反应器出口各组分的浓度2）全混流反应器。试分别在图上画出下列流淌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：vv0PFRVpVmCSTR举出与它有相同停留时间分布的另一种流淌模型，这说明白什么问题.R(主反应)R(主反应)r =R1Ak C0.6C 1.2BA+BS(副反应)r =S2Ak C2.0S(副反应)r =S2Ak C2.0C 0.2B?E E ，应如何选择操作温度

28、?ABABABBABBAAB试接受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。试接受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E（t)F（t)F（）和 E（)分别为闭式流淌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.若反应器为平推流反应器,试求：（F(（）1）（F(8；(d（0.8);(12）若反应器为全混流反应器，试求：（F(）bE(1cF（8)（E(。8E。）若反应器为一非抱负反应器，试求：E( )（c（0（E(（）0E)d)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+A AB+C BB+假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程：A 吸附把握;B 脱附把握;表面反应把握.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