工大化工原理试卷

2008/2009学年第2学期化学反应工程课B卷答案2在一定温度下，有一个一级不可逆连串液相反应A→B→R，B为目的产物，两步反应的活化能E1=80kJ/mol和E2=120kJ/mol，当k1/k2=2时，求最佳的反应时间和最大的收率值。若提高目的产物收率值反应温度应如何调节？（10分）答：最大的收率值Y=CB/CA0=(k1/k2)k2/(k2-k1)=21/(1-0.5)=4此时的最佳时间为tm=ln(k2/k1)/(k2-k1)因为E1=80kJ/mol小于E2=120kJ/mol，若提高目的产物收率，应降低反应温度。3、在平推流反应器中进行纯丙烷的等压常压气相裂解反应：C3H8→C2H4+CH4,该反应在772℃等温条件下进行，丙烷消耗动力学方程为rA=kCA，mol/(L.h),k=0.4(h-1),体积进料量为800L/h(772℃,0.1Mpa),当转化率为0.5时需要多大体积的平推流反应器？（10分）解：；利用一级变容公式：式中：膨胀率为1，转化率为0.5，速率常数k=0.4(h-1)，代入公式得：空时为2.215小时，平推流反应器的体积为2.215×800=1772L=1.772m38.给出拟均相一维模型的物质衡算和热量衡算的微分方程和数值计算催化剂体积的方法与计算机框图？（10分）答：物料衡算方程：热量衡算方程：（A）（B）计算催化剂体积方法是：用初始值计算入口反应速率，在取微元高度后，认为此段的速率不变，恒速下用公式（A）和（B）计算一段出口转化率和温度，连续取微元高度，前端的出口参数即为下一段的参数，计算出口转化率和温度，以此类推，最后校核转化率和温度符合与否。第一步，用入口的温度计算入口处的反应速率。第二步，取微小步长Δl，用第一步的反应速率当Δl内的常数，用（A）和（B）方程联立计算一段出口的转化率和温度。第三步，取同样微小步长Δl，再用第一段出口的反应速率当二段Δl内的常数，用（A）和（B）方程联立计算二段出口的转化率和温度，以此类推。第四步，比较每步的出口转化率是否大于或等于要求转化率，满足时，计算结束，每步长度的和即为床高，最后的温度与最大耐温值比较应小于催化剂的最大使用温度。第五步，输出每段的反应速率、转化率和温度数值。2008/2009学年第2学期化学反应工程课A卷答案5.试图解说明已知动力学反应的等体积多级釜反应器的设计原理和方法？（20分）答：利用ri=1/τiCAi-1-1/τiCAi纵坐标为反应速率线ri横坐标为反应物浓度CA两釜间的操作线，斜率为负（-1/τi），从第一釜开始向左上方作直线相交于反应速率线于一点，再从改点向横坐标做垂线交于一点，再从改点起做操作线再交反应速率线于一点，以此类推，当斜率（流量和釜体积）确定后，到出口浓度时交点的个数就为釜数；当釜数先给定后（一般是两个或三个釜串联），试做两条斜线到出口浓度，求其斜率，就可确定给定生产能力V0时釜的体积。6.给出确定简单反应动力学方程的方法和步骤？（20分）答：可用间歇反应器来做动力学，也可用全混釜，以间歇反应器为例。第一步，加入初始浓度的反应物，升温搅拌，计时间，在一定时间下取样，用色谱分析样品；第二步，做浓度与时间的曲线；第三步，确定数学方法，积分法和微分法，可积分的整级数用积分法较好，准确，不能积分的用微分法；第四步，对于积分法要对积分后的方程线性化，代入数据验证假设是否符合直线，否则重新假设；对于微分法要求不同时间下的浓度与时间的曲线斜率，对于速率方程取对数线性化，代入反应速率与时间数据，可直接利用直线的斜率和截距确定级数和速率常数。2009/2010学年第2学期化学反应工程课A卷答案1、醋酸和乙醇的反应为二级反应，在间歇反应器中进行，5min转化率可达50%，问转化率75%需要增加多少时间。（10分）答：因为，ktCA0A=x/(1-xA)所以，5kCA0=0.5/(1-0.5)=1ktCA0=0.75/(1-0.75)=3因此，转化率75%需要时间为5/t=1/3，t=15min需增加15-5=10分2009/2010学年第2学期化学反应工程课B答案1、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？（10分）答：因为，ktCA0=xA/(1-xA)所以，5kCA0=0.5/(1-0.5)=1ktCA0=0.75/(1-0.75)=3因此，转化率75%需要时间为5/t=1/3，t=15min需增加15-5=10分2．某反应的活化能为70000J/mol，在其它条件不变时，问650℃的反应速度要比500℃时快多少？（10分）答：r2(650)/r1(500)=k2(600)/k1(500)=exp[E(T2-T1)/RT1T2]=exp[70000J/mol(650-500)K/8.314J/molK*500*650K2]=48.7倍3、在全混釜中进行液相均相反应：A+B→R(目的)rR=1.6CAkmol/(m3h(4×5=20分)2A→DrD=8.2CA2kmol/(m3h)CA0=2kmol/m3求：（1）A转化95%所需时间;(2)此时R的总选择性和收率；（3）若处理量为200L/min时反应器体积；（4）讨论浓度的变化对反应过程的影响。解：（1）反应物A总消耗速率rA=rR+2rD=1.6CA+16.4CA2,kmol/m3h积分上式有：ln[CA0(1.6+16.4CA)/CA(1.6+16.4CA0)]=1.6τ带入数值：ln[2(1.6+16.4×2×0.05)/2×0.05(1.6+16.4×2)]=1.6τ计算得：τ=0.396h（2）全混釜中的总选择性等于瞬时选择性，为：r=1.6CA/(1.6CA+16.4CA2)S=rR/A=1.6×2×0.05/(1.6×2×0.05+16.4×（2×0.05）2)=0.4938收率y=0.4938×0.95=0.469（3）反应体积为：V=τ×v0=0.396×60×200=4752L=4.752m3（4）浓度降低主产物选择性提高，产量变化视浓度而定。4.某气相一级分解反应A→3P，在等温活塞流管式反应器中进行，加入原料含A50％，惰性物50％，停留时间为10分钟，系统出口的体积流量为原来的1.5倍，求此时A的转化率及该反应速度方程。（10分）解：利用一级变容公式：式中：膨胀因子为2，初始原料浓度0.5，膨胀率为1，反应时间为10分钟，出口体积是原来的1.5倍，代入公式v=v0(1+xA)得：转化率为0.5，再代入上述公式得：速率常数为0.0886min-1，速率方程为rA=0.0886CA6某一级不可逆气固相催化反应A→R,催化剂粒度为1.2cm,在排除外扩散时，当反应物的浓度为1×10-2mol/L、有效扩散系数为1×10-3cm2/s时反应速率为1×10-3mol/L.s,求有效因数与宏观速率方程。（10分）解：催化剂特征长度L==0.2由有效因数的定义：η=宏观反应速率/无内扩散的最大反应速率=（rA）/rA=（rA）/kvCAs=1×10-3/(1×10-2kv)解得：kv=1/(10η)希勒模数=0.2（kv/0.001）0.5=2(10)0.5(kv）0.5=2(10)0.5(1/(10η）0.5=2/(η）0.5假设为较强内扩散阻力有效因数，η≈1/Фs=(η）0.5/2解得：η=0.25，kv=1/(10×0.25)=0.4宏观反应速率常数：K=ηkv=0.25×0.4=0.1s-1宏观反应速率方程：（rA）=0.1CAs2010/2011学年第2学期化学反应工程课A卷参考答案1．醋酸和乙醇的反应为二级反应，在间歇反应器中进行，5min转化率可达50%，问转化率75%需要增加多少时间。（10分）答：因为，ktCA0=xA/(1-xA)所以，5kCA0=0.5/(1-0.5)=1ktCA0=0.75/(1-0.75)=3因此，转化率75%需要时间为5/t=1/3，t=15min需增加15-5=10分2、乙烷热裂解的活化能为80000J/mol,问600℃时的分解速度比500℃快多少倍?(10分)答：r2(600)/r1(500)=k2(600)/k1(500)=exp[E(T2-T1)/RT1T2]=exp[80000J/mol(600-500)K/8.314J/molK*500*600K2]=3.2倍4、有一个平推流管式反应器于555K、0.3MPa压力下进行A→3P反应，已知进料中含30%A（摩尔分数），其余70%为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，该反应的动力学方程式为rA=0.27CAmol/(m3.s)，要求达到95%转化率，试求：(10分)（1）所需空速为多少？（2）反应器容积？解:τP==㏑=㏑=㏑=㏑=㏑=11.1S∴VR=τP·v0=τP而CA0===0.0198mol/L=19.8mol/m3VR=11.1s×=3.53m35、用脉冲注入示踪物测得某管式反应器的停留时间分布数据：(20分)t(min)05101520253035Cs(g/L)03554310求:(1).密度含数E和分布含数F;(2).平均停留时间()；(3).求无因次方差();(4).若用该反应器进行一级不可逆液相反应，A→R,速率常数为0.2min-1,求非理想流动下该反应的真实转化率。解：(1).Q’=∑Ci△ti=(3+5+5+4+2+1)*5=100E=Ci/Q’=00.030.050.050.050.020.010F=∑Ei△ti=00.150.40.60.850.951.01.0(2)=∑tiE（ti）△ti==(5*0.03+10*0.05+15*0.05+20*0.04+25*0.02+30*0.01）*5=15min(3)σt2=∑t2iE(ti)△t–()2=(52*0.03+102*0.05+152*0.05+202*0.04+252*0.02+302*0.01)*5=54.5*5-152=47.5minσθ2=σt2/()2=47.5/225=0.211(4)用多釜串联模型σθ2=1/N=0.211∴N=5k=0.2min-1xA=1-1/(1+kτi)N=1-1/(1+0.2×15/5)5∴=90.46%6、有一个气固相反应A+B→C,其反应机理为A,B,C都吸附,表面反应控速,给出机理过程,推导出反应速度方程，给出测定反应速率常数和吸附平衡常数的实验方法和步骤。(10分)答：设想反应机理为：A+σ←→AσAσ—→CσCσ←→C+σ，Kc=θc/PcθV,θA+θc+θV=1,速率方程：rA=kθA=kKA/(1+KAPA+KcPc)测定方法：（1）先将方程线性化，变量为可求参数；（2）将反应物或产物先固定一个，变化另一个做实验；（3）代入数值进行画图，两张1/rA---PA和1/rA---Pc图；（4）求其直线的斜率和截距，1/rA---PA图的斜率1/k,截距1/kKA,和1/rA---Pc图的斜率Kc/kKA,截距1/kKA,(5)求参数，由1/k求k，再由1/kKA求KA，最后由Kc/kKA求Kc。7、用高和直径都为3毫米圆柱体催化剂进行甲苯脱氢催化反应A→P，若组分A的有效扩散系数为0.004cm2/s,以催化剂孔体积为基准的反应速率常数为1s-1，求催化剂的有效因数和含有内扩散阻力的宏观反应速率常数，当存在内外扩散阻力时，试给出排除外扩散的实验方法和条件以及内扩散阻力大小的实验判别方式。（10分）解：催化剂特征长度L==0.05希勒模数=0.05（1/0.004）0.5=2.092>2为较强内扩散阻力有效因数，η≈1/Фs=1/2=0.5宏观反应速率常数K=ηk=0.5s-1当存在内外扩散阻力时，通过提高气速可排除外扩散影响，通过减小粒度可排除内扩散的响，当催化剂粒度减小到反应速率不增加时为不存在内扩散影响的最大粒度。8、在一维固定床气固相催化反应器中，装有氧化铝负载镍球形直径为4mm催化剂，在573K等温下进行二级不可逆反应：A→2R，宏观反应速率方程为(rA)=1.5CA2molA/min.g(催化剂)，当常压下进料体积流量为5m3/min，进料组成为40%A，其余为惰性气，转化率为90%时，求所需催化剂的重量。当采用一段绝热操作时请给出计算床高和温度的微分计算方法和步骤。（15分）解：当转化反应速率定义后将第二章的二级变容过程计算公式直接应用，右侧不变，左侧的空时变为重量空时，然后计算催化剂重量。当采用一段绝热反应器时，床层温度随床高有变化，放热反应时随床高升高，吸热反应时随床高下降。采用物料衡算和热量衡算的两个微分公式交替反复计算，从入口条件算起，当给微小床高时，可算出第一步的温度和反应速率及转化率，再取一定高度同样计算出口的温度和反应速率及转化率，最后，当计算的转化率与给定值相同时的