四川大学化工复试资料 反应工程练习题

PAGEPAGE4工程硕士研究生《化学反应工程》练习题一、在一个体积为1m3的等温间歇釜中，86℃下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解以生产苯酚和丙酮：A→该反应为一级，反应温度下的反应速率常数等于8×10-3S-1，最终转化率达98.9%，设辅助操作时间为30min，其苯酚的产量和10kmol/h生产能力下的反应釜体积为多少？解：苯酚产量：3.2×98.9%=3.1648kmol反应时间t=CA0∫0xAfdxA/kCA2=(1/kCA0)[xAf/(1-xAf)]=[1/(8×10-3×3.2)][0.989/(1-0.989)]=0.976h总时间:t=0.976+0.5=1.476h此时生产能力为:3.1648/1.476=2.145kmol/h若生产能力为10kmol/h,则所需反应釜体积为:1×10/2.145=4.66m二、在活塞流反应器中，等温进行下列反应：A+B→P+H,k1(目的产物)P+B→R+H,k2已知在反应温度下，k2/k1=0.68,B大量过剩，对均为一级反应。试计算P的最大收率及相应A的转化率.解：由k2/k1=0.68得:k1/k2=1.471Ymax=(k1/k2)k2/(k2-k1)=(1.471)1/(1-1.471)=0.4407=44.07%相应A的转化率为:(xA)opt=(CA0-CAf)/CA0=(CA0-CA0e-k1τ)/CA0=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}=1-exp{-[ln(k2/k1)]/(k2/k1-1)}=1-exp[-(ln0.68)/(0.68-1)]=0.70=70%三、在全混流反应器中进行液相均相反应：A+B→RrR=1.6CA,kmol/m3h2A→D rD=8.2CA2 kmol/m3hCA0=2kmol/m3求：(1)A的转化率为95%所需时间；(2)此时R的收率；(3)当初力量量为200L/min时反应釜的体积；(4)若要提高R选择性，如何改变进料浓度.解：(1)空时τ=CA0XAf/（-rAf）=CA0XAf/（rR+rD）=CA0XAf/(1.6CA+2*8.2CA2)=2*0.95/[1.6*2*（1-0.95）+2*8.2*22（1-0.95）2]=5.86h(2)因为，R对A的选择性： SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1-XAf)]=0.493所以，R的收率为：YR=XAfSR/A=0.95*0.493=0.4684(3)处理量为200L/min时反应器体积：VR=v0*τ=200*10-3*60*5.86=70m(4)由SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1-XAf)]可知，要提高SR/A，进料浓度应降低。四、用脉冲法注入示踪剂探求反应器中停留时间分布情况，测得如下数据：t(min):05101520253035C示(g/L):03554210在该反应器中进行一级不可逆反应，其反应气速率常数k=0.307min-1,求：（1）真实反应器转化率；（2）宏观流体和微观流体对转化率有何影响？五、在一粒为1.5ｃｍ的催化剂固定床反应器中进行Ａ→３Ｒ反应，在排除外扩散影响时催化剂的有效扩散系数为０．００５ｃｍ２／ｓ，催化剂的密度为１２００ｇ／Ｌ，反应为一级不可逆，其本证反应速率常数为２Ｓ－１，进料流量为２０ｍ３／ｍｉｎ，最终转化率为０．９５，床层的堆积密度为１０００ｋｇ／ｍ３，床层的空隙率为０．４。求反应器的体积和催化剂的重量。解：(1)求西勒模数和有效因数Фs=dp/6*(kv/De)1/2=1.5/6*(2/0.005)1/2=5η=1/Фs=1/5=0.2,宏观速率常数为k（宏）=ηk（本）=0.2*2=0.4S-1(2)求反应器体积因为VR/FA0=VR/CAv0=∫0.950dXA/(-rA)代入一级反应速率式-rA=k（宏）CA0（1-XA）整理并计算得：VR=v0/k（宏）*ln(1/(1-XA))=20/0.4*ln(1/(1-0.95))=2.49(3)催化剂重量W=ρBVR=1000*2.496=2496kg六、在绝热固定床催化反应器中进行二氧化硫氧化反应，入口温度为度４２０℃，入口气体二氧化硫的浓度为７％（ｍｏｌ％）。出口气体的温度为（１）测得Ａ点温度为６２０℃（２）测得Ｂ点转化率位８０％，你认为是否正确？为什么？（３）测得Ｃ点转化率位５０％，经再三检验结果正确无误，估算Ｃ点温度？答：（1）测得A点温度为620℃不正确。因为是绝热固定床催化反应器，入口420℃，出口590℃，绝热温升为170（2）测得B点的转化率为80%不正确。因为反应器入口二氧化硫浓度为7%，出口二氧化硫浓度为2.1%，算得的转化率为68.62%。（3）由T-T0=ΛxA，T=590℃，T0=420℃，xA=68.62%算得Λ=247.74℃。再由xA=50%，T0=七、在气固催化的一级反应中，当存在外扩散和内扩散阻力时，给出宏观反应速率常数？和外扩散反应阻力与反应总阻力的比值表达式？(rA)g=(CAg-CA*)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]1/(kgSe)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]=(ksSiξ)/(kgSe+ksSiξ)八、证明平行反应：Ａ→Ｒ（目的），Ｅ１Ａ→Ｓ，Ｅ２Ａ→Ｔ，Ｅ３当Ｅ２＜Ｅ１＜Ｅ３时，目的产物R最佳选择性时的温度满足：Topt-1=R/(E3-E2)×Ln{[(E3-E1)/(E1-E2)]×（k30/k20）}式中：R为气体常数，k30、k20为E3、E2的指前因子。九、某气相一级分解反应A→2P，在等温活塞流管式反应器中进行，加入原料含A60％，惰性物40％，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。解：A2P惰性物1.501031εA=[(3+1)-(1.5+1)]/1.5=1由V=V0(1+εAxAf）得:xAf=(1/εA)(V/V0-1)=(1/1)(1.5-1)=0.5十、用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应A(g)→R(g)整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方程？（c）外扩散控制时反应物A有浓度分布0Rp球形催化剂滞留边界层气相主体0球形催化剂滞留边界层气相主体（b）内扩散控制时反应物A有浓度分布球形（c）外扩散控制时反应物A有浓度分布0Rp球形催化剂滞留边界层气相主体0球形催化剂滞留边界层气相主体（b）内扩散控制时反应物A有浓度分布球形催化剂滞留边界层气相主体CAg≈CAS≈CACCAg≈CAS≈CACCAg≈CASCCAg≈CASCAgCACCAC≈CA*CAS≈CAC≈CA*CA*CA*Rp0RpRp0Rp（a）（a）化学动力学控制时反应物A有浓度分布如上图所示，气固相催化反应主要由五步组成：（1）反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面；（2）反应物从催化剂的外表面向催化剂的孔道内部扩散；A+δAδ（3）在催化剂内部孔道所组成的内表面上进行催化反应；AδRδ（4）产物从内表面扩散到外表面；RδR+δ（5）产物从外表面扩散到气流主体。其中，（1）、（5）为外扩散过程；（2）、（4）为内扩散过程；（3）为化学动力学过程。整个反应过程可能存在三步阻力及速控步骤，分别是：（1）化学动力学控制（浓度分布如图（a））。此时，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）=ksSi（CAs-CA*）；（2）内扩散控制（浓度分布如图（b））。此时，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）ξ；（3）外扩散控制（浓度分布如图（c））。此时，（rA）g=kgSe（CAg-CAs）=kgSe（CAg-CA*）；十一、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，15分钟反应物转化了85%，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？解：由ln[1/(1-xA)]=kt，得：k=（1/t）ln[1/（1-xAf）]=（1/15）ln[1/（1-0.85）]=0.12