淮阴工学院化工反应工程问答题(1)

第一章1. 数学模型方法在化学反应工程中的应用参考答案：数学模型方法的应用主要包括以下三个方面： （1）理论分析。在化学反应工程发展的过程中，概括性地提出了若干典型的反应器中的传递过程，运用数学模型方法对这些传递过程逐个进行研究，考察它们对不同类型反应的影响，判别某种传递过程在什么条件下是有利的，在什么条件下是有害的。 （2）实验规划。利用数学模型方法，通过计算机模拟，对过程进行敏感性分析，可以在过程开发的实验规划中发挥重要作用，使实验计划更有针对性，实验结果更为有效。 （3）反应器的放大设计。利用物料衡算和能量衡算原理，综合由小型反应器动力学研究获得的反应动力学模型和由冷模试验获得的反应器传递模型，建立反应器数学模型，并在计算机上进行数值求解预测大型反应器的性能，进行工业反应器设计。 2. 反应器设计的基本内容有哪些？反应器设计的基本方程有哪些？参考答案：反应器设计的基本内容：（1）选择合适的反应器型式；（2）确定最佳的操作条件；（3）针对所选定的反应器型式，根据所确定的操作条件，计算完成规定的生产任务所需要的反应体积。 反应器设计的基本方程：（1）描述浓度变化的物料恒算式；（2）描述温度变化的能量恒算式；（3）描述压力变化的动量恒算式。 第二章1. 简述温度对反应速率的影响参考答案：对于许多反应，尤其对基元反应，温度和浓度被认为是独立地影响反应速率的，反应动力学方程可写成温度影响项和浓度影响项的乘积，用反应速率常数表示温度对反应速率的影响。 （1）速率常数k随温度升高而升高（包括正反应和逆反应）； （2）对于不可逆反应和可逆吸热反应，温度升高，反应速率升高； （3）对于可逆放热反应，存在最佳温度，使速率最大。 2. 简述温度、压力、组成等反应条件对平衡转化率的影响参考答案：里查德利原理指出，当反应条件改变时，化学平衡总是向着企图抵消这种改变的方向移动。 （1）温度的影响：对于吸热反应，平衡转化率随温度升高而增加，反应速率也将随温度升高而增加，因此温度升高，从动力学和热力学角度考察都是有利的。对于放热反应，平衡转化率随温度升高而减小，此时温度升高，虽然从动力学业角度讲可能是有利的，从热力学角度讲则是不利的，因此对于一定的反应物系组成，都有一反应速率最大的最佳反应温度。 （2）压力的影响：对于物质的量减少的反应，提高压力有利于提高平衡转化率，对于物质的量增加的反应，降低压力有利于提高转化率。 （3）组成的影响：通过改变反应物系组成使平衡向有利方向移动有两种算途径：一是改变原料配比；另一是分离或脱除反应产物或使发生逆反应的两种产物脱离接触。 第三章1. 简述等温恒容活塞流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系？参考答案：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。2. 返混的利弊及抑制返混的方法参考答案：一般说来，返混会使反应器生产能力下降，反应级数越高，或反应要求的最终转化率越高，返混的影响越严重。但也有例外的情况，如自催化反应，适度的返混对提高生产能力是有利的。 产生返混的原因不外两个方面，一是反应器中存在的不同尺度的反向运动，二是不均匀的流速分布，两者的共同点是都会造成停留时间不同的物料之间的混合。 限制返混的方法主要是横向分隔和纵向分隔。在工业上需采用连续搅拌釜式反应器而又要限制返混时，常采用多级全混釜串联操作，即横向分隔；流化床反应器中气固相都存在严重的返混，高径比较大的常在内部设置横向挡板或采用多层流化床，高径比较小的则可设置垂直管以限制返混。在气液反应的鼓泡塔内加填料也可抑制返混。 第五章1. 举例说明微观流体和宏观流体的区别？参考答案：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。2. 简述停留时间分布密度函数E(t)及停留时间分布函数F(t)的含义？参考答案： (1)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。 (2)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）。 3. 以多段绝热反应器为例说明最优温度序列的实现方法（段间采用间接换热）参考答案：多段绝热反应器最优温度序列的实现实际上是在反应器段数确定后，对一定的进料和最终转化率，选定各段反应器的进出口温度和转化率使催化剂用量最小。方法如下： （1）假定第一段的出口转化率； （2）根据第一段的进出口转化率确定使催化剂用量最小的最佳进料温度，并按照物料衡算求出出口转化速率； （3）根据段间的转化速率不变原则求出第二段的进口温度，再用上述方法确定出口转化率； （4）依次类推，直到第N段为止。 （5）如果求得的第N段出口转化率（即最终转化率）与要求不符，需重新假定第一段出口转化率，然后重复以上各步计算，直到最终转化率符合要求时结束。 第六章1. 举例说明物系聚集状态对化学反应的影响参考答案：单一反应的情况：对于一级反应，微观混合程度对转化率没有影响，但是对于二级反应，微观混合程度的差异将会导致转化率的差异；对于微观完全离析的反应体系，不论一级反应还是非一级反应，出口平均转化率均可根据反应器的停留时间分布和反应动力学业方程计算确定。 对在全混流反应器中进行的复杂反应，体系的微观混合状态还将影响反应的选择性。对于平行反应，主反应级数较高且体系聚集状态为微观全混时，主产物产率较高，聚集状态为微观离析时选择性较低。 进行串联反应时，若副反应级数高，在转化率相同的条件下，微观全混的选择性优于微观离析，若主副反应均为一级反应，体系聚集状态对选择性没有影响。 2. 实际反应器流动状况偏离理想流动状况的原因有哪些？参考答案：（1）滞留区的存在； （2）存在沟流与短路； （3）实际反应器中存在流体的循环运动； （4）流体流速分布的不均匀。 （5）分子扩散及涡流扩散的影响。 3. 简述气固相催化反应过程的宏观过程。参考答案：(1)反应物由气相主体扩散到颗料外表面； （2）反应物由外表面向孔内扩散，到达活性中心； （3）进行表面反应过程； （4）反应产物由内表面扩散到颗粒外表面； （5）反应产物由颗粒外表面扩散到气相主体。你的答案：4. 简述建立非理想流动的流动模型的步骤？参考答案：（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。 第七章1. 固定床反应器压力损失的主要来源?参考答案：（1）由于颗粒的粘滞曳力，即流体与颗粒表面间的摩擦； （2）由于流体流动过程中孔道截面积突然扩大和收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体的再分布而产生。 当流体处于层流时，前者起主导作用；在高流速及薄流层中流动时，后者起主要作用。 你的答案：2. 气固相催化反应中内部、外部传递影响的判定及排除方法参考答案：（1）外部传递影响的判定：对于连续操作反应器，在保证空速不变的情况下，改变输入的原料流量，将每次测得的出口转化率与流体质量速度作图，可判断外部传递的影响。对于间歇操作反应器，改变搅拌器的转速进行实验，将转速与最终转化率作图可判断外部传递的影响。 内部传递影响的判定：在消除了外部传递影响的前提下，改变催化剂的粒度进行实验，可以检验内部传递的影响程度。 （2）外部传递的排除：设法增大相间传质系数和传热系数，增加操作线速都可以减小外部传递的影响。 内部传递的排除：由于内部传递效率因子与梯尔模数有关，可以通过减小反应速率常数和催化剂粒度、增大有效扩散系数来排除。 3. 固定床反应器按催化剂床是否与外界进行热量交换可分为哪两大类？单段绝热反应器适用哪些场合？参考答案：可以分为两大类：没有热量交换的称为绝热反应器，有热量交换的叫做换热式反应器。单段绝热反应器适用的场合：(1)反应热效应较小的反应；(2)温度对目的产物收率影响不大的反应；(3)虽然反应热效应大，但单程转化率较低的反应或者有大量惰性物料存在，