反应工程考研题答案.doc

第一章 绪论首先根据系统本身特点和变化规律，归纳出能反映系统中各物理量之间相互联系的物理模型，对物理模型进行适当简化并进行定量的数学描述，所得的数学表达式即为描述反应器中各参数之间关系的数学模型，进而利用数学模型预测过程发展趋势的一种模型化方法。 也就是将复杂的研究对象合理地简化成某个模型，这个简化了的模型，应当与原过程（或称原型）是近似等效的，有了这个简化的模型，就可对该简化模型进行数学描述，所得的数学关系式即为原型的一个近似等效的数学模型，然后通过求解或进行数值运算研究其特性。1化学反应的工程问题 2化学反应、工程问题 3三传一反 4分批式操作、连续式操作、半分批式 5传质、传热、动量传递 6数学模型 7累积量=输入量-输出量 8 D 9 A第二章 均相反应动力学1） 约束条件优化过程是有约束的过程优化2） 优化的经济指标任何一个化学反应过程要实现工业化生产，首先必须在技术上是可行的。所谓技术的可行性是指：反应有合适的催化剂，反应能以一定的速率和选择性进行；对反应产物有可能进行分离取得合格的产品；有适宜的反应温度（）、压力（）等条件；废料有合适的处理技术，以免污染环境。1 （参与反应的物质均处于同一相） 2 （） 3 4等分子反应、非等分子反应5 6 7 （） 8 拟平衡常态9 （拟定常态 10反应速率 11初始速率法 12主反应、副反应 13 浓度 温度 14提高温度 15 、 16 、 17 、 18 降低 19链的引发、链的传播、链的终止 20-29 BACDB ADABA 30-39 CCDCD ABBBD 40-49 BBACC CACBC 50-59 ABCDB AADCB 60答：参与反应的各物质均处于同一个相内进行的化学反应称为均相反应。均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。61答：1）链反应具有三个阶段：链的引发、链的传播和链的终止； 2）链的引发和传播均需要通过游离原子或游离基； 3）游离原子和游离基均具有较高活性，容易受器壁或其它惰性物的作用而重新生成稳定的分子，从而使链反应终止。62解：机理（1）： （慢） （快） 所以与实验结果相同机理（2）： （快速） （慢速） （快） 达拟平衡态，为速控步骤 由得 代入 此机理与实验结果相同，选机理（2），因其无叁分子反应，而机理（1）是。63解：（1）CA与CB之比保持恒定 所以 积分得 写成转化率时（2） 式中： 积分得 64解： 即 达20%时， 式中M为常数 E=29.06（kJ/mol） 65解: 对于反应物A，应有: 积分得 对于B,应有 将上式两端乘以可得 即 将上式积分得, 第三章 理想反应器对于这种系统，有两种含义不同的转化率。*单程转化率：是指新鲜原料一次通过反应器所达到的转化率，可以理解为以反应器进口物料为基准的转化率。 *全程转化率：是指从新鲜原料进入反应系统起到离开系统止所达到的转化率，可以理解为以新鲜原料为基准计算的转化率。显然，全程转化率必定大于单程转化率，因为物料的循环提高了反应物的转化率。1理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器 2理想混合反应器、平推流3平均生产速率最大、生产经费最低 4反应器的有效容积、进料流体的容积流速 5反应时间t、空时6 7 8 ） 9 、）10 最大 11零 12平均停留时间、反应时间、空时 13平推流） 14循环操作 15平推流、全混流 16零、最大 17全混流串平推流 18全混流19平推流 20 全混流串平推流 21 ） 22） 23-32 BDBAA DBCBD 33-40 CDDBA CAB 41答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。42答：反应物料一次性投入反应器内，在反应过程中，不再向器内投料，也不出料，待达到反应要求的转化率后，一次性出料，每批操作所需生产时间为反应时间与非生产性时间之和，非生产性时间包括加料、排料和物料加热、冷却等用于非反应的一切辅助时间。 43答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。44答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度； 2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。45答：对于平行反应，所以，当时应尽可能提高反应温度，方可提高R的选择性，提高R的收率。46解：反应终了时R的浓度为 47解：1） A + B C 对于全混流反应器 2）在分批式反应器内的反应时间为 48解：（1）进料速度v0 （2）反应器有效容积V (3) 49解：1)计算反应温度T 根据 2） 50解：初始浓度为，离开第一釜为，依次为、。 对第二釜 对于等体积釜串联 同理 =2.3（min） 51解：利用 N(个) 1 2 3V（） 97.8 47.0 37.6 若采用分批式 52解：对于一级不可逆反应应有 代入 得 整理得 ， 总容积 53解： 代入 总容积 54解：反应气体的进料体积流速为： 反应流体在管内的体积流速为： 此处：（纯气体）；， 而 55解：1） 2） 56解： 令 1）全混流反应器所需的容积 2）平推流反应器所需的容积 57解:(a) ()=(=0.477mol/ =0.155mol/l =3.08 (b)= = () = =0.5mol/l =0.333mol/l =0.167mol/l=2.0 58解：等容积釜串联应有 对第二个全混流反应器作物料衡算 = 对于P: + =0.444mol/l + =1-(0.444+0.391)=0.165mol/l =2.37 59解： A + B C + D （1）= 对求导 （2） （3）对于PFR 60解：1）使用连续搅拌釜 当时，有 V恒定，停留时间与空时相等 61解： 62解：由k=0.0212min-1可知该反应为一级反应 t时反应物分压为PA C2H4O（g） CH4（g） + CO（g） PA0 0 0 PA PA0-PA PA0-PA总压 即 当t=50min时 63解：设在时间t时乙烯酮和甲烷的浓度分别为x和y，初始为，则 相加得 将其积分 1） 1） 当转化率为99%时 2） 64解： A B C t=0 nA0 0 0 t=t nA0-x x x 由k可知该反应为二级反应 理想气体 将其积分 当，带入得t=138min 对于，应有 当，带入得t=66.1min 分65解: t=9900s 66解： 理想气体 67解： 对上式进行积分得 当时，产物P的浓度最大 68解：全混釜 对物料P作物料衡算 则有 当时，产物P有极大值 69解：1） 2） 带入得 70解：1）由可知该反应为二级反应 且二者的反应按1：1的比例进行反应 2） 带入得 71解： 第四章 非理想流动 1 .0 2. 0 3 . 0 4. 1 5 6 ） 7脉冲法、阶跃法、周期示踪法、随机输入示踪法 8 9 .0 10.1 11.0 12.0 13. 0 14） 15 .1 16 ） 17 01 18 ） 19 .0 20 （） 21 ） 22 E（t）曲线 23 F(t)曲线 24返混 25停留时间分布 26平推流、轴向分散模型 27 ） 28愈小29输入方式、管内的流动状态、检测位置 30闭闭式边界、开闭式边界、闭开式边界、开开式边界 31 ） 32 、0 33 ， 34调匀度S、流体的混合态 35 1 36非凝集态） 37 微观流体 38宏观流体 39 完全凝集态 40 部分凝集态 41气体、液体42 （液体、气体 43 1 44平推流 45高 46 47低 48 49-58 ABACC CCDDC 59 C60答：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体，在反应器出口流体的质点中，在器内停留了t到t+dt之间的流体的质点所占的分率为E（t）dt（分）。 。61答：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体，在出口流体中停留时间小于t的物料所占的分率为F（t）。62答：用两个最重要的特征值来描述平均停留时间和方差。1） 1） 定义式为：，平均停留时间是E（t）曲线的分布中心，是E（t）曲线对于坐标原点的一次矩，又称E（t）的数学期望。2） 2） 是表示停留时间分布的分散程度的量，在数学上它是指对于平均停留时间的二次矩。63答：通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线。所谓物理示踪是指采用一种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统，通过观测该示踪物质在系统出口的浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布。根据示踪剂输入方式的不同大致分为四种：脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入法。64答：脉冲示踪法是在定常态操作的连续流动系统的入口处在t=0的瞬间输入一定量M克的示踪剂A，并同时在出口处记录出口物料中示踪剂的浓度随时间的变化。对应的曲线为E(t)曲线，。65答：阶跃示踪法是对于定常态的连续流动系统，在某瞬间t=0将流入系统的流体切换为含有示踪剂A且浓度为的流体，同时保持系统内流动模式不变，并在切换的同时，在出口处测出出口流体中示踪剂A的浓度随时间的变化。对应的曲线为F（t），。66答：1）通过冷态模型实验测定实验装置的停留时间分布； 2） 根据所得的有关E（t）或F（t）的结果通过合理的简化提出可能的流动模型，并根据停留时间分布的实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数； 3） 结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结果； 4） 通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性。67答：1）在管内径向截面上流体具有均一的流速； 2）在流动方向上流体存在扩散过程，该过程类似于分子扩散，符合Fick定律； 3）轴向混合系数EZ在管内为定值； 4）径向不存在扩散； 5）管内不存在死区或短路流。 68答：为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果，可借助这种返混与扩散过程的相似性，在平推流的基础上叠加上轴向返混扩散相来加以修正，并人为的假定该轴向返混过程可以用费克（Fick）定律加以定量描述。所以，该模型称为“轴向分散模型”（或轴向扩散模型）69答：把实际的工业反应器模拟成由n个容积相等串联的全混流区所组成，来等效的描述返混和停留时间分布对反应过程内的影响。设反应器容积为V，物料流入速率为v0，则，。70答；若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为微观流体；若流体是以若干分子所组成的流体微团作为单独的运动单元来进行微团之间的混合，且在混合时微团之间并不发生物质的交换，微团内部具有均匀的组成和相同的停留时间，这种流体称为宏观流体。如在气液鼓泡搅拌装置中，气体以气泡方式通过装置，此时气体是宏观流体，而液体为微观流体。71解：首先对实验数据进行一致性检验，此时应满足： 实验数据的一致性检验是满足的。 其中 由数据计算得如下表： t（min）05101520253035E（t）=CA/C000.030.050.050.040.020.010t2E（t）00.75511.251612.590 72解：首先对实验数据进行一致性检验： 一致性检验表明，脉冲示踪法所得的实验数据是合理的。计算所得数据如下表所示： ti（分）024681012141600.0650.1250.1250.1000.0500.0250.010000.130.50.750.800.500.300.140000.262.04.56.45.03.601.9600 73 解： 活塞流： 75解：1） 取N=4 2） 第五章 非均相反应动力学1活性好、选择性高、寿命长 2范德华力、化学键力 3 （多、单 4吸附等温方程 5 Freundlich 6 Temkin 7 BET 8 ） 9 内扩散、外扩散 10 ） 11催化剂装量、进料流量 12粒度（直径）、转化率 13 ） 14外扩散、完全混合、等温 15温度梯度、浓度梯度 16分子间碰撞 17容积扩散 18 0.1um 19分子与孔壁的碰撞 20努森扩散 21（实际反应速率、浓度和温度与其外表面上的相等时的反应速率 22 （） 23表面反应速率、内扩散速率 24愈大、均一 25物理、化学 26均匀中毒、孔口中毒 27整体均匀转化模型、粒径不变的缩核模型、粒径缩小的缩粒模型 28不变 29缩粒 30缩核 31反应快慢） 32扩散阻力） 33-42 BDABA DBCCD 43-52 ABCDA DBCAD53-55 BCD 56答：1）均匀表面（或理想表面）：即催化剂表面各处的吸附能力是均一的，吸附热与表面已被吸附的程度如何无关； 2） 2） 单分子层吸附； 3）被吸附的分子间互不影响，也不影响别的分子； 4）吸附的机理均相同，吸附形成的络合物均相同。57答：测定比表面积的方法是建立在BET方程基础之上，利用低温下测定气体在固体上的吸附量和平衡分压值，将对作图，应为一直线，斜率为，截距为，因此可求出及，则可利用比表面积公式进行求得。58答：1反应物从气流主体向催化剂的外表面和内孔扩散2）反应物在催化剂表面上吸附3吸附的反应物转化成反应的生成物 4）反应生成物从催化剂表面上脱附下来5）脱附下来的生成物向催化剂外表面、气流主体中扩散。 59答：多孔物质催化剂的粒内扩散较为复杂。当微孔孔径较大时，分子扩散阻力是由于分子间的碰撞所致，这种扩散为分子扩散。当微孔孔径小于分子的自由程0.1um时，分子与孔壁的碰撞机会超过了分子间的相互碰撞，而成为扩散阻力的主要因素，这种扩散为努森扩散。60答：非催化气固反应缩核模型是反应从粒子外表面逐渐向内核部分推进，但粒子体积不变，如硫化矿的焙烧，氧化铁的还原等。61答：非催化气固反应缩粒模型是固体粒子的粒径随反应的进行向不断缩小，如煤炭的燃烧造气，从焦碳与硫磺蒸汽制造二硫化碳。62答：1）反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上假定达到气液相平衡； 2）反应物气相组分A从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应； 3）液相内的反应产物向浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散； 4）气相产物向气相主体扩散。 第六章 固定床反应器1固定床反应器 2平推流 3较少量、较小 4拟均相、非均相 5温度、浓度 6 （拟均相模型 7非均相模型 8一维、二维