化学反应工程施工试题及答案基础部分

-.-.-.-.可修编.《化学反应工程》试题库一、填空题着眼组分A转化率x的定义式为x

-n)/n。A A总反应级数不可能大于 3 。

A0 A A0r=kCC的单位为kmol/(m3·h)，速率常数k的因次为m3/(kmol·h)。A ABr=kCkmol/kg·h，k的因次为m3/kg·h。A反应速率rA

AkC1/2的单位为mol/L·s，速率常数k的因次为(mol)1/2·L-1/2·s。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 。T某反应在500K时的反应速率常数k是400K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） .3kJ/mol 。非等分子反应2SO+O

的膨胀因子

等于 -0.5 。2 2 3 SO2非等分子反应N+3H==2NH的膨胀因子

等于2/3 。2 2 3 H2反应N+3H==2NH中（r

）= 1/3（r ）= 1/2 r2 2 3 N2

H NH2 3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C，转化率为x，当反A0 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 A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

1xA

A0 Anx，转化率为 A 。1(n1)xA反应活化能E越大，反应速率对温度越敏感。

1(n1)xA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和选择性S的定义为(n-n)/(n-n) 。P P P0 S S0某反应目的产物和着眼组分分别为P和A其收Φ的定义为 -n)/(n-n) 。P P P0 A0 A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 x2针对着眼组分A的全混流反应器的设计方程为 A 。2F rA0 A0>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。<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。>0时，平推流反应器的反应效果优于全混流反应器。<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；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01。(t(tFt)

E(t)dt。0平均停留时间t是)的关系为t

tE(t)dt。方差2t

0tt)2Et)dt。t0E()tE(t)。采用无因次化停留时间后与F(t)的关系为。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 ；而全混流反应器的两种理想流动方式为平推流和全混流。非理想流动2的数值围是 0~1 。循环操作平推流反应器循环比越大返混越大。

2= 1 。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C(t)与C(t)/C。A A 0采用阶跃示踪法测得的浓度C(t)与F(t)=C(t)/C。A A A0N2=。N=1N=∞为平推流。t全混流的E(t)=1ett

t；F(t)=1et。平推流的E(t)=0当tt、=∞当tt=0当tt、=1当tt。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。工业催化剂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控制包括表面吸附、表面反应和表面脱附。气固相催化反应本征动力学指消除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外扩散的影响。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除外扩散剂颗粒粒度消除扩散。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。气固相催化串联反应，扩散的存在会使中间产物的选择性下降。气固相催化平行反应，扩散的存在会使高级数反应产物的选择性下降。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/时的反应速率。催化剂粒径越大，其Thiele气固相非催化反应缩核模型中气相反应物A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。堆密度。对于体积为VP

外表面积为aP

的颗粒其体积当量直径为 3P3

/面积当量直径为 、a/a/比表面当量直径为6aP

/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，原料气组成为C

=10

=203时，计算反应转化率x、x及各组分的浓度。

A0 B0 BB解：在恒容条件下：x=(C-C)/C

=0.8B0 B B0由C-CA0

=(C-CB0

)/2C=60/3Ax=(C-C)/C

=0.4A A0 A A0，原料气组成为C

=10

=203时，反应转化率x、x

及各组分的浓度。

A0 B0 BA B解：δ=(1-1-2)/2=-1;y=0.5B B0(1+yδx)=n(1-0.5x)0 B0 B B 0 B=V(1-0.5x)0 0 0 BC=n/V=n(1-x)/[V(1-0.5x)]=C(1-x)/(1-0.5x)B B B0 B 0 B B0 B Bx=8/9Bn-n=(n-n)/2A0 A B0 Bx=(n-n

)/n=(n-n)/(2n

)=(n-n)/(2n)=0.5x=4/9A A0

A0 B0

A0 B0 B B0 B串联-平行反应A+B==R，A+R==S，原料中各组分的浓度为CA0

=2.0mol/L，CB0

=4.0mol/L，C=C=0C=1.5R0 S0 A R组分B和S的浓度。解：在恒容条件下：ΔC

=C-C；ΔC

=C；C=(C

-C)-C；C

-C=ΔC

+ΔCA1 B0 B

A2

R B0 B

A0 A A1 A2得到：C=(C-C-C)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1S A0 A RC=C-C-C=4.0-1.5-0.1=2.4mol/LB B0 R S在间歇反应器中进行等温2100至0.9所需的0.9至0.99解：在间歇反应器中：

tC

xA2dxA级反应： A2dx

A0 rx AA1，t

0.90ktCkA0xA1

AkC (xA0

x A1

0~0.9 10t 0.990.90.9~0.99

tC

xA2 dxA

1ln1x

，t0~0.9

ln10 10.91A0 kCx A1

(1xA

) k 1xA2

t0.9~0.99

ln10.910.99级反应：

A2 dx

1 1 1 ，t

1 1tCA0

kC

A

)2kC

1x

1x

0~0.9t

10.91

0.11x A1 A0

A0 A2

0.9~0.99

10.9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

nAk A，试推导：A V dt V以A组分转化率xA

表示的反应速率方程；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。n解）

dx n x)Ak A0 AV dt VdxAk(1x)dt A（2）δ=(2-1)/1=1 y=0.5 (1+yδx)=n(1+0.5x)A A0 0 A0 A A 0 Ax=2n/n-2=2P/P-2A 0dPkdt

0P)在间歇反应器中进行等温二级反应A==B，反应速率：r 2mol/(Ls)当CA A A0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至C=0.01mol/L所需的时间。AdC解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为： dtA

0.01C2A t10011C CA A0当C=1mol/L时，t=9900sA0当C=5mol/L时，t=9950sA0当C=10mol/L时，t=9990sA0试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。lnk1/Te解：kk lnk1/Te0lnkln

E10 R Tlnk与1/T作图为一直线某气相恒容反应在400KdpA0.37p

1）试问反应速率常dt A数的单位是什么若速率式写成r dnAkC2

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

103C

103 P

dP dn 106 A 103RT A

103RTC1V A RT 1dn

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5min有50%的A分解，752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 A 10t 100.75

0.5

0.5)xA dx 1 x二级反应：tC A A A0 kC20 A

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)，在等温间歇釜A0

=0.95mol/L，CB0

=0.05mol/L，经过1小时后可测得反应速率最大值，求该温度下的反应速率常数k。解：C=C+C

-C=1-Cr

dC A

(1C)A0 B0 A A A dt A AA反应速率最大时：d(rAdt

)k(1C

dC)A)A )C

0，得到C=0.5mol/LA对反应速率式积分得到ktlnCA

A0，代入数据得到k=2.944L/(mol·h)C )A A0对于气相反应其反应速率方程-r=kC，试推导在恒容条件下以总压P表A A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。解：在恒容条件下rA

dxC AkCA0 dt

(1x)AdxAk(1x)dt Aδ=(3-1)/1=2 y=0.5 (1+

δx)=n(1+x)A A0x=n/n-1=P/P-1

0 A0 A A 0 AA 0dPk(2Pdt

0P)r=kC，在一平推流反应器中进行等温恒压反A A应。已知反应器体积为V，原料体积流量为v，初始浓度为C。试推导：其反应器设计方0 A0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：δ=(3-1)/1=2 y=1A A0(1+yδx)=v(1+2x)A0 A0 A A 0 AAF

F

(1xA

)C 1xA v v0

(12x)AA

A012xAAV AdxAF

A

A 1 12

A dxAr kCA0 0 A 0

kC0 A0

1xA1 1

xA12x1xA

dxA0 A 在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：AAk1Pk2S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 A0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CF FA0

V(r)v(CA 0

C)VkC CA 1 A

A01k1对P组分作物料衡算：F F Vr vC V(kC

kC)C k

kC1 A0P P0

P 0 P

1 A 2 P

P 1k kk)C C

C C C

C A0

21 k1 1 A0

1 2kk2C 12 A0S A0 A P

A0 1k k)(1

) k)(1k)1 1 2 1 2n n C 1P的总收率 P P0 P P n nA0 A

C CA0

1k2P的总选择性：S

n n C 1P P0 PP n n C kS S0 S 2dCP的浓度达到最大需满足： P d

得到最优空时：1kk12某一级气相反应=0.5mi-1min纯)10atm纯A和1kk12体。dx解：一级反应： Ak x)xdt A

1ekt1e0.50.393δ=(2-1)/1=1 (1+δ

x)=n(1+y

x)

(1+yx)A 0 AA0A 0

A0A

0 A0A(1)1atm纯A：yA0

=1P=P0

(1+yA0

x)=1.393atmA(2)10atm纯A：y=1(1+yx)=13.93atmA0 0 A0A(3)1atmA和9atm惰性气体：yA0

=0.1P=P0

(1+yA0

x)=10.393atmA某二级液相反应x=0.99需反应时间为10min，A1）在平推流反应器中进行时，空时τ为多少？）τ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？dC 1 x 1 0.99解：

dtAkC2kC

t1A

9.9A A0

x 10 10.99A

1 xkC 1A

1 0.99

10minA0 x

x 9.9 1A0.99

1000min在全混流反应器中：

kCA0

AxA

)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 x )2A0

kC x )2A0 A2由试差法计算得到：τ=51.5minA+R→2R=kCCA AR在等温条件下进行反应，已知C和C，要求最终转化率为x。为使反应器体积最A0 R0 Af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；（3） 在F/(-r

图上表示各反应器的体积。A0 A A）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+C

C=C+C

-C=C-CA R A0r kCA

R0R(CM

A0 R0 A M AC)A反应速率最大时C=0.5CA A M①若C

，即x

C C A0 R0，仅用一个全混釜即可Afv(CV 0

M AfC )Af

2CA0vx0 Afm kCCA R

k(1xAf

xA0

C )R0②若

＜0.5C

，即x

C CA0 R0Af

Afv0

2CA0C) 2v

2v ( )全混釜体积

A0 A

(2C C ) 0 C Cm kCCA R

kC2M

A0

k(CA0

C )2 A0 R0R0

C

dCA V v0

lnCR0

C xA0 Afv0+VFA0FA0/(-rA)VmVP

0.5CM

kCC A R

k(CA0

C ) CR0

x )Af00xAf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、An=0和n＜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，并在FA0~xr A

图上表示反应器的体积。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n＜0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。)n＞)n＞0A/AFxA)n=0A/AFxAn〈0)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x=0.6，p若反应操作温度相同，则V/Vm p

m之值应为多少？（2）若Vm

A/V=1，则全混流反应器的操p作温度应为多少？F

x F 1）VmV

A0kCA0AxA

A V1x A1

A0 kCA0

1xAmV 1xP

/ln 1xA（2）V/V=1，同样得到：km

xA /ln

2.94m p kP

1x 1xA Ak

eE

keE

eE(11)

2.94代入数据得到：T

=440KRTmm 0

RTp0

RTPTm m若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？1 1解：等温二级反应得到，平推流kC A0

1

Aout

1

Ain

x

xAinA0

)2AoutA0

τ=61.53全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口x=0.884A全混流出口x就是平推流进口x，计算平推流出口x=0.986A A 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

11x

Ain

x

xAin

Aout1x

Aoutx=0.760A全混流出口x就是平推流进口x，计算平推流出口x=0.99A A A液相二级不可逆反应CC=10min时x=0.9，A0 B0 A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τ为多少？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？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：PAPArP=1S T rT=CA2应器最大产物浓度C =CPmax A0

；采用平推流反应器最大产物浓度C =C/(1+C)。Pmax A0 A0k等温一级不可逆串联反应A 1Rk2S进料为纯A浓度为CkA0τ，试分别推导出反应器出口各组分的浓度（1）2）全混流反应器。AP AP r=P 1 AkCS r=S 2 AkC进料为纯A浓度为C，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（）A02）全混流反应器。v0PFR VpVmCSTRv0PFR VpVmCSTR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。液相反应R(R(主反应) r=R 1 AkC0.6C1.2BA+B2AS(副反应) rS=kA+B2A

2.0C

0.2B从有利于产品分布的观点（1）将下列操作方式按优→劣顺序排列，并说明理由。2）若B反应活化能E>E，应如何选择操作温度？ABAB④ABBABBAAB① ② ③①②③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。器串联的停留时间分布密度函数F(t))和数。若反应器为平推流反应器，试求：若反应器为全混流反应器，试求：若反应器为一非理想反应器，试求：(a∞；(b∞；(c(0；(d(0；(e)E)d)；(f)0丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总反应为CH(A)==CH(B)+H(C)

E)d)04