化学反应工程模拟题三及答案

化学反应工程模拟题三及答案一、选择题（每题2分，共20分）

1.对于反应级数n＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用（）A.平推流反应器B.全混流反应器C.循环反应器D.平推流与全混流串联反应器

答案：A

解析：对于反应级数n＞0的不可逆等温反应，平推流反应器的反应效果最好，能使反应物浓度始终保持较高水平，从而降低反应器容积。全混流反应器中反应物浓度处处相等且为出口浓度，不利于反应进行，会增大反应器容积。循环反应器和串联反应器的效果介于平推流和全混流之间。

2.在间歇反应器中进行等温二级反应A→B，当cA0=0.1mol/L时，反应到cA=0.01mol/L需要80min，则反应到cA=0.05mol/L需要时间为（）minA.10B.20C.30D.40

答案：B

解析：二级反应的动力学方程为\(r_A=kc_A^2\)，对于间歇反应器\(t=\frac{1}{k}(\frac{1}{c_A}\frac{1}{c_{A0}})\)。已知\(c_{A0}=0.1mol/L\)，\(c_A=0.01mol/L\)时\(t=80min\)，可求出\(k\)。再将\(c_{A0}=0.1mol/L\)，\(c_A=0.05mol/L\)代入上述公式求出\(t\)。

首先求\(k\)：\[\begin{align*}80&=\frac{1}{k}(\frac{1}{0.01}\frac{1}{0.1})\\80&=\frac{1}{k}(10010)\\80&=\frac{90}{k}\\k&=\frac{90}{80}=1.125L/(mol\cdotmin)\end{align*}\]

然后求\(c_A=0.05mol/L\)时的\(t\)：\[\begin{align*}t&=\frac{1}{1.125}(\frac{1}{0.05}\frac{1}{0.1})\\&=\frac{1}{1.125}(2010)\\&=\frac{10}{1.125}=20min\end{align*}\]

3.全混流反应器的返混程度为（）A.0B.1C.0.5D.无穷大

答案：D

解析：全混流反应器中物料充分混合，新进入的物料与反应器内原有物料瞬间达到完全混合，返混程度无穷大。平推流反应器返混程度为0。

4.在反应体积为1m³的釜式反应器中，等温进行一级反应A→2R，反应速率常数k=0.5min⁻¹，原料为纯A，流量为1m³/min，cA0=1mol/L，则反应器出口转化率xA为（）A.0.393B.0.5C.0.632D.0.865

答案：C

解析：对于全混流反应器，一级反应的转化率计算公式为\(x_A=\frac{k\tau}{1+k\tau}\)，其中\(\tau=V/v_0\)，\(V=1m³\)，\(v_0=1m³/min\)，\(k=0.5min⁻¹\)。

先求\(\tau\)：\(\tau=V/v_0=1/1=1min\)

再求转化率\(x_A\)：\[\begin{align*}x_A&=\frac{0.5\times1}{1+0.5\times1}\\&=\frac{0.5}{1+0.5}\\&=\frac{0.5}{1.5}=0.632\end{align*}\]

5.对于平行反应\(A\stackrel{k_1}{\longrightarrow}P\)（主反应），\(A\stackrel{k_2}{\longrightarrow}S\)（副反应），若主反应级数大于副反应级数，为提高主产物P的收率，应采用（）A.高温B.低温C.延长反应时间D.增加反应物浓度

答案：B

解析：主反应级数大于副反应级数，低温有利于级数高的反应进行，可提高主产物P的收率。高温有利于级数低的反应，会使副反应增多。延长反应时间和增加反应物浓度对选择性的影响不明显。

6.在气固相催化反应中，反应速率一般由（）控制A.外扩散B.内扩散C.化学反应D.外扩散或内扩散

答案：C

解析：气固相催化反应中，当外扩散和内扩散的影响消除后，反应速率一般由化学反应控制。

7.对于固定床反应器，当反应气体流速增加时，床层压力降（）A.减小B.不变C.增大D.先增大后减小

答案：C

解析：固定床反应器中，反应气体流速增加，床层压力降增大。

8.在气液反应中，H₂S与NaOH反应属于（）A.瞬间反应B.快速反应C.中速反应D.慢速反应

答案：A

解析：H₂S与NaOH反应速度极快，属于瞬间反应。

9.在连续稳定操作的釜式反应器中进行一级不可逆反应，其反应速率与反应器体积（）A.成正比B.成反比C.无关D.不确定

答案：C

解析：在连续稳定操作的釜式反应器中，反应速率只与反应温度、反应物浓度等因素有关，与反应器体积无关。

10.对于反应\(2A+B\longrightarrowC\)，其反应速率表达式为（）A.\(r_A=kc_A^2c_B\)B.\(r_A=kc_Ac_B^2\)C.\(r_A=\frac{1}{2}kc_A^2c_B\)D.\(r_A=2kc_Ac_B\)

答案：A

解析：根据质量作用定律，反应速率与反应物浓度的幂乘积成正比，反应式中A的系数为2，B的系数为1，所以\(r_A=kc_A^2c_B\)。

二、填空题（每题2分，共20分）

1.化学反应工程是一门研究______的科学。

答案：化学反应的工程问题

解析：化学反应工程重点关注化学反应过程中的工程因素，如反应器设计、操作条件优化等。

2.反应速率的定义式为______。

答案：\(r_A=\frac{1}{V}\frac{dN_A}{dt}\)（对于恒容反应\(r_A=\frac{dc_A}{dt}\)）

解析：\(r_A\)表示反应物A的消耗速率，\(V\)为反应体积，\(N_A\)为反应物A的物质的量，\(c_A\)为反应物A的浓度。

3.间歇反应器中进行一级反应，反应时间与转化率的关系为______。

答案：\(t=\frac{1}{k}\ln\frac{1}{1x_A}\)

解析：由一级反应动力学方程积分可得。

4.全混流反应器的物料衡算式为______。

答案：\(v_0c_{A0}v_0c_Ar_AV=0\)

解析：进入反应器的物料量减去流出反应器的物料量再减去反应消耗的物料量等于0。

5.对于串联反应\(A\stackrel{k_1}{\longrightarrow}P\stackrel{k_2}{\longrightarrow}S\)，目的产物P的最大收率\(Y_{P,max}\)=______。

答案：\(\frac{k_1}{k_2+k_1}\)

解析：通过对串联反应动力学方程推导得出。

6.气固相催化反应的步骤包括______、______、______、______、______。

答案：反应物分子从气相主体扩散到催化剂外表面；反应物分子从催化剂外表面扩散到催化剂内表面；反应物分子在催化剂内表面上吸附；吸附的反应物分子在催化剂表面上进行化学反应；反应产物在催化剂内表面上脱附；反应产物从催化剂内表面扩散到催化剂外表面；反应产物从催化剂外表面扩散到气相主体

解析：这是气固相催化反应的完整步骤。

7.固定床反应器中，床层空隙率越大，流体通过床层的压力降越______。

答案：小

解析：空隙率大，流体流动阻力小，压力降小。

8.在气液反应中，若反应为瞬间反应，为增大反应速率，可采取的措施是______。

答案：增大液相中反应物浓度或增大气液接触面积

解析：瞬间反应速率主要受反应物浓度和接触面积影响。

9.对于非等分子反应\(aA+bB\longrightarrowpP+sS\)，膨胀因子\(\delta_A\)=______。

答案：\(\frac{p+sab}{a}\)

解析：膨胀因子的定义公式。

10.在化学反应工程中，常用的无因次数群有______、______、______等。

答案：雷诺数（Re）、谢伍德数（Sh）、达姆科勒数（Da）（答案不唯一，还有其他常用无因次数群）

解析：这些无因次数群在化学反应工程中用于描述不同的物理现象和过程。

三、简答题（每题10分，共30分）

1.简述平推流反应器和全混流反应器的特点，并比较它们在反应效果上的差异。

答案：平推流反应器特点：物料在反应器中以相同的流速向前移动，像活塞一样平推过去，不存在返混现象。反应器内不同位置的物料浓度随轴向距离变化，沿流动方向反应物浓度逐渐降低，反应速率也逐渐降低。全混流反应器特点：进入反应器的物料与反应器内原有物料瞬间达到完全混合，各处浓度和温度均匀一致，返混程度无穷大。反应器内物料浓度等于出口物料浓度，反应速率始终保持恒定。反应效果差异：对于反应级数n＞0的不可逆等温反应，平推流反应器能使反应物浓度始终保持较高水平，反应推动力大，反应效果好，所需反应器容积小。全混流反应器中反应物浓度为出口浓度，相对较低，反应推动力小，反应效果不如平推流反应器，所需反应器容积大。对于串联反应，平推流反应器有利于提高目的产物的选择性，全混流反应器可能会使副反应增多，降低目的产物收率。

2.什么是气固相催化反应的内扩散有效因子？它受哪些因素影响？

答案：内扩散有效因子定义：气固相催化反应中，由于内扩散的影响，使得催化剂内表面的反应速率低于外表面反应速率，内扩散有效因子\(\eta\)就是实际反应速率与按催化剂外表面浓度计算的反应速率之比，即\(\eta=\frac{r_{内}}{r_{表}}\)。影响因素：催化剂颗粒大小：颗粒越小，内扩散距离越短，内扩散影响越小，有效因子越大。催化剂孔隙率：孔隙率越大，内扩散越容易进行，有效因子越大。扩散系数：扩散系数越大，内扩散越快，有效因子越大。反应速率常数：反应速率常数越大，内扩散的相对影响越小，有效因子越大。反应物浓度：反应物浓度越高，内扩散对反应速率的影响相对越大，有效因子越小。

3.简述非均相反应过程的步骤，并说明如何强化非均相反应过程。

答案：非均相反应过程步骤：反应物向界面扩散：反应物从各自的相主体向两相界面扩散。在界面上发生反应：反应物在界面处进行化学反应。产物从界面向相主体扩散：反应产物从界面向各自的相主体扩散。强化非均相反应过程的方法：增大相界面面积：例如采用搅拌、鼓泡、喷雾等方式使两相充分接触，增加相界面面积，提高传质速率，从而加快反应速率。提高传质系数：通过改善流体流动状态、选择合适的反应器结构等方法提高传质系数，促进反应物和产物的扩散。优化反应条件：如控制温度、压力、反应物浓度等，使反应在最佳条件下进行，提高反应本身的速率。使用催化剂：对于催化反应，选择高效的催化剂可降低反应活化能，加快反应速率。

四、计算题（每题15分，共30分）

1.在间歇反应器中进行二级反应\(2A\longrightarrowB\)，反应速率常数\(k=0.1L/(mol\cdotmin)\)，反应物A的初始浓度\(c_{A0}=2mol/L\)。求反应至\(c_A=0.2mol/L\)所需的时间。

答案：对于二级反应\(r_A=kc_A^2\)，在间歇反应器中\(t=\frac{1}{k}(\frac{1}{c_A}\frac{1}{c_{A0}})\)。已知\(k=0.1L/(mol\cdotmin)\)，\(c_{A0}=2mol/L\)，\(c_A=0.2mol/L\)。代入公式可得：\[\begin{align*}t&=\frac{1}{0.1}(\frac{1}{0.2}\frac{1}{2})\\&=10\times(50.5)\\&=10\times4.5\\&=45min\end{align*}\]

2.在一全混流反应器中进行反应\(A+B\longrightarrowC\)，反应速率方程为\(r_A=kc_Ac_B\)，\(k=1L/(mol\cdotmin)\)。原料流量\(v_0=1m³/min\)，其中\(c_{A0}=2mol/L\)，\(c_{B0}=1mol/L\)，反应器体积\(V=2m³\)。求反应器出口处A的转化率\(x_A\)。

答案：全混流反应器中，物料衡算式为\(v_0c_{A0}v_0c_Ar_AV=0\)。已知\(r_A=kc_Ac_B\)，\(k=1L/(mol\cdotmin)\)，\(v_0=1m³/min\)，\(c_{A0}=2mol/L\)，\(c_{B0}=1mol/L\)，\(V=2m³\)。设出口转化率为\(x_A\)，则\(c_A=c_{A0}(1x_A)\)，\(c_B=c_{B0}c_{A0}x_A\)。代入物料衡算式可得：\[\begin{align*}1\times21\times2(1x_A)1\times2(1x_A)(12x_A)\times2&=0\\22+