化学反应工程试题及复习资料基础部分

PAGEPAGE10/14《化学反应工程》试题库一、填空题.A =( - 3.物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入输=累积 。着眼组分转化率x 的定义式为 x n n n A =( - 3.A A A0 A A0总反应级数不可能大于3 。A A 反应速=kCC的单位为kmol/(m3·h)，速率常数k的因次为m3/(kmol·h) 。A A A 反应速=kC 的单位为kmol/kg·h，速率常数k的因次为m3/kg·h 。A 反应速率rA

kC1/2的单位为速率常数k的因次为。A反应速率常数k与温度T的关系为lnk1000010.2其活化能为83.14kJ/mol 。T500Kk400K103600Kk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 。SO2SO2+O2==2SO3的膨胀因子SO2

等于 -0.5 。H非等分子反应N2+3H2==2NH3的膨胀因子H2

等于2/3 。N13. 反应N2+3H2==2NH3中（N

）= 1/3（rH2

）= 1/2 rNH314.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C ，转化率为x，当反14.A0 AA0 A 应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为C (1-x)n ，转化率为1-(1-x)n 。A0 A 15.在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度C ，转化率为x，当反15.A0 A1x应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为1(nAx

nx，转化率为 A 。1 (n xAE越大，反应速率对温度越敏感。

1)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(nP-nP0)/(nS-nS0) 。某反应目的产物和着眼组分分别为P和A其收ΦP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 ∞ 。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F A0

xA 。rA0>0<0>0<0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

E(t)dt1.0。0定常态连续流动系统0；F(∞)= 1。FFt)E(t)的关系

E(t)dt。0平均停留时间tE(t)E(t)的关系为t

tE(t)dt。方差

2表示停留时间分布的分散程度；其数学表达式为2t t

0。tt)2Et)dt。0E(t)E()tE(t。采用无因次化停留时间后与F(t)的关系为F(θ)=F(t) 。无因次方差2与方差2的关系为2

/t2。 t t平推流反应器的2= 0 ；而全混流反应器的2= 1 。 非理想流动2的数值范围是0~1 。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。停留时间分布实验测定中，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。A A 采用脉冲示踪法测得的浓度C(t)与E(t)的关系式为E(t)=C(t)/C 。A A A A 采用阶跃示踪法测得的浓度C(t)与F(t)的关系式为F(t)=C(t)/C 。A A N个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方2=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)=1ett

t；F(t)=1et。平推流的E(t)=0当tt、=∞当tt ；F(t)=0当tt、=1当tt。轴向分散模型中Peclet准数的物理意义是代表了流动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采取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。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 ；气固相催化反应本征动力学指消除内外扩散对反应速率的影响测得的动力学。气固相催化反应的本征动力学与宏观动力学的主要区别是前者无内外扩散的影响。固体颗粒中气体扩散方式主要有 分子扩散 和 努森扩散 。固体颗粒中当孔径较大时以分子扩散为主，而当孔径较小时以努森扩散为主。Thiele模数的物理意义反映了表面反应速率与内扩散速率之比 。催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反应速率/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，分别是气膜散 、灰层扩散 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。固定床控制温度的主要目的是使操作温度尽可能接近最优温度线 。固体颗粒常用的密度有堆密度、颗粒密度和真密度，三者的关系是真密度＞颗粒密度＞堆密度。36V/P对于体积为VP36V/P

、面积当量直径为a/、比表面当量直径为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=20A B0 B kmol/m3时，计算反应转化率x、x及各组分的浓度解在恒容条件下：xB=(C -C )/A B0 B B0 由CA0-CA=(C -C )/2得到：CA=60kmol/mB0 A A0 A x=(C -C )/C A A0 A A+2B==RCA0=CB0=100kmol/m3CB=20A kmol/m3x、xA 解：δ=(1-1-2)/2=-1;y

=0.5BB0n=n0(1+B0

B0BB0Bδx)=n(1-0.5x)BB0B在恒压条件下：V=V0n/n0=V0(1-0.5xB)CB=nB/V=nB0(1-xB)/[V0(1-0.5xB)]=CB0(1-xB)/(1-0.5xB)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==A+R==CA=2.molLCB=4.0CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5mol/L，计算此时组分B和S的浓度。B =CB0-C；ΔCA2=CS；CR=(CB0-CB)-C；CA0-CA=ΔCA1+ΔCA2得到：CS=(CA0-CACR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1mol/B CB=CB0-CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4mol/L21000.90.90.99所需时间之比。解：在间歇反应器中：

tC

xA2dxA0级反应：

A2dx

A0 rx AA1

，t 0.90tCA0xA1

AkC (xk A0

x

0~0.9 t0.9~0.99

0.990.9

10

tC

xA2 dxA

1ln1

，t0~0.9

1010.9 1A0 kCx A1

(1xA

) k 1xA2

t0.9~

ln10.910.99级反应：

A2 dx

1 1 1 ，t

1 1tCA0

A 2 2

0~0.9

10.910 0.1kCxA1 A0

(1xA

) kCA0

1x 1xA2 A2

0.9~0.99

110.99

110.9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

Ak A，试推导：nA V dt Vn以AxA表示的反应速率方程；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。n）A

dx n x)Ak A0 AV dt VdxAk(1x)dt A（2）δ=(2-1)/1=1 y =0.5 n=n(1+y δx)=n(1+0.5x)A A0 0 A0 A A 0 AxA=2n/n0-2=2P/P0-2dPk

P)dt 0在间歇反应器中进行等温二级反应A==BrA

0.01C2mol/(Ls)当CA A0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：

A2dt At10011C CA A0当CA0=1mol/L时，t=9900s当CA0=5mol/L时，t=9950s当CA0=10mol/L时，t=9990slnk1/Tklnk1/TeRT解：kk EeRT0lnkln

E10 R Tlnk与1/T作图为一直线400K时的速率式为：dpA

0.37p

MPa/）试问反应速率常dt A数的单位是什么？（2）若速率式写成r

dnA

kC2

kmol/(m3·h)，试问此反应的速A Vdt A率常数为多少？）(·MPa-1n（2）

103C

103 P

dP dn 106 A 103RT A

103RTC1V A RT A1dn

dt Vdt A A A0.37103RTC2Vdt Ak0.37103RT0.371038.3144001.2m3/(kmol·h)等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A==B+C5min50%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：

tC

xA dxA

1ln 1 1x)A0 kC0 A0

(1xA

) k 1x k At0.75

t0.5

0.75)ln(10.5)

10mindxxdx二级反应：tC A A

1 xAA0 kC20 A0

x )2A

kC 1xA0 At0.75

t 0.75 10.515min0.510.75 0.5dC液相自催化反应A==B的速率方程为r A

AkCCdt A

mol/(L·h)，在等温间歇，经过1k。解：C

B=C

A0+C

B0-C

A=1-CA

r A

dCAkCdt

(1C)Ad(r) dC反应速率最大时：

A k2Cdt

) A0dt

A=0.5mol/L(1C)C CA对反应速率式积分得到ktlnCA

A

A0 k=2.944L/(mol·h))A0对于气相反应其反应速率方程试推导在恒容条件下以总压P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r CA A0

AkCdt

(1x)AdxAk(1x)dt Aδ=(3-1)/1=2 y =0.5

(1+y

δx)=

(1+x)A A0xA=n/n0-1=P/P0-1

0 A0 A A 0 AdPk(2P

P)dt 0A0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Vv0C方程，并以AxA表示成易积分的形式。假定原料为纯A，气体符合理想气体。A0解：δ=(3-1)/1=2 y =1AA0AA A0AA0AA0等温恒压：v=v0(1+yA0

δx)=

(1+2x)FC F

(1xA

)C 1xAFA v vF0

2xAA

A012xAAV AdxAF

Adx

xA 1 12x

A dxArA0 0

kC kC0 A 0 A0

1xA1xA12x1k1x

AdxA0 AAkAk1Pk2S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 0 导出产物P的总收率、选择性表达式；导出产物P解：全混流反应器中对A组分作物料衡算F

V(r

) v(C

C)VkC

C CA0A0 A

A 0 A0 A

1 A

1k1对P组分作物料衡算：F F Vr vC V(kC

kC) C kCA

kC1 A0P P0

P 0 P

1 A 2 P

P 1k kk)C C

C C C

CA0

21kC11 A0

1 2kk2C12 A0S A0 A P

A0 1k k)(1

) kk)P的总收率：Φ

1 1 2 1 2nPnP0 CP 1P n nA0 A

C CA0

1k2PS

nPnP0CP 1P n n C kS S0 S 21kk12PdCP0得到最优空时：1kk12d某一级气相反应A==2=0.5mi-1minA；(2)10atmA；(3)1atmA9atm性气体。解：一级反应：

dxAk(1x) x

1ekt1e0.50.393dtδ=(2-1)/1=1 n=n(1+δy

Ax)=n

A(1+y x)

(1+y x)A 0

A0A 0

A0A

0 A0A(1)1atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=1.393atm(2)10atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=13.93atm(3)1atmA和9atm惰性气体：yA0=0.1P=P0(1+yA0xA)=10.393atm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τ为多少？（2）在全混流反应器中进行时，空时τ若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时τdC 1 x 1 0.99

AkC2

kC At 1

9.9dt

A0

x 10 10.99A

1 xkC 1A

1 0.99

10minxA0 A

9.9 10.99在全混流反应器中 xA

0.99

1000minkC xA0 A

)2 9.90.99)2两个等体积串联全混流反应器中：第一个釜 xA1

第二个釜

x xA2 kC xA0

)2 kCA0

x )2A2由试差法计算得到：τ=51.5min自催化反应A+R→2R其速率方程为：-rA=kCACRCA0CR0

。为使反应器体积Af最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；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。）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。CA+CR=CA0+CR0 CR=CA0+CR0-CA=CM-CAr kC(CA A

C)A反应速率最大时，d(-rA)/dt=0 CA=0.5CM

≥0.5C

CA0

CR0，仅用一个全混釜即可Afv

M Af 2CA0C ) vxV 0 A0 Af 0 Af m kCCA R

k(1xAf

xA0

C )R0Af Af

＜0.5C

CA0CR0Af A0全混釜体积：V

v0(CA0

CA)

(2C C )

2v0

C )m kCCA R

kC2M

A0

k(CA0

C )2 A0 RR0V平推流体积：P

CAfdCv A V 0AfdCv

Cln R0

C xA0 Afv0V=Vm+VP

0.5CM

kCCA

P k(CA0

C ) CR0

x )AfFFA0/(-rA)VmVP0xAf对于反应速率方程为rA

kCn的液相反应，为达到一定的生产能力，试讨论当n＞0、An=0n＜0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，Fr并在A0~xA图上表示反应器的体积。rA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n＞0混流型式，故选择平推流反应器。当n＜0混流型式，故选择全混流反应器。)n＞)n＞0A/AFxA)n=0A/AFxAn〈0)A/AFxAA==P83140J/mol，在平推流反应器中进行反应，反应温度为

Vx=0.6，p m A（1）若反应操作温度相同，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？F x F 1）VmV

A0kCA0AxA

A V1x A1

A0 kCA0

1xAmV 1xP

/ln 1x （2）V

k/V=1，同样得到：

/ln 1 2.94xm p kxP

1xA

1xAk km 0

E

kekp 0k

ERTp

E(11eTPTme

2.94

m=440K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kC

1 1

A0xAoutxAin

1

Aout

1

AinA0 x )2AoutAA0将平推流反应全混流反应器时的条件代入，计算得到全混流反应+平推流反应器：先计算全混流出口x=0.884AA0A A 全混流出口x 就是平推流进口x，计算平推流出口xA A 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k

ln

11x

Ain

x

xAin

Aout1x

AoutA将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：kτ=3.175全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口x=0.760AA A 全混流出口x 就是平推流进口x，计算平推流出口xA A 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τ=10min时Ax=0.99，问在相同温度下为达到相同转化率，采用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τ又为多少？A在恒温恒容下进行下式所示的自催化反应：A+R→2R，其速率方程为r kCC ，A A R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A0 R0意图进行表示。平行反应：AP rPAP rP=1S rS=2CAT rT=CA2

；采用平推流反应器最大产物A0浓度C

Pmax=

A0/(1+

A0)。等温一级不可逆串联反应A

kRk

S，进料为纯A

，连续操作空时A01为τ（平推流反应器2全混流反应器。1APAPSr=P 1 AkCr=S 2 AkC进料为纯A浓度为CA，连续操作空时为τ，试分别推导出反应器出口各组分的浓度2）全混流反应器。F(t)E(t)11/1411/14v0PFR VpVmCSTRPAGEPAGE14/14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。R(主反应) R(主反应) r=R 1 AkC0.6C1.2BA+BS(副反应) r=S 2 AkC2.0S(副反应) r=S 2 AkC2.0C0.2B>反应活化能E E，应如何选择操作温度？>ABABABBABBAAB②③④①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。①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。E(t)F(t)F(θ)和E(θ)数。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)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)；(e)E(1.2)若反应器为一非理想反应器，试求： E()(a)F(∞)；/