化学反应工程试题及答案

1、1.2.3.4.5.6.7.8.9. 倍。10.11.12.13.14. 时，15.时，16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.、填空题质量传递、热量传递、动量传递和化学反应称为三传一反 . 物料衡算和能量衡算的一般表达式为输入-输出 =累积。着眼组分 A 转化率 xA 的定义式为 xA=(nA0-nA)/nA0。 总反应级数不可能大于 3。反应速率 -rA=kCACB的单位为 kmol/m 3 h，速率常数 k 的因次为 m3/kmol h。 反应速率 -rA=kCA 的单位为 kmol/kg h，速率常数 k 的因次为 m3/kg h。反应速率 rA kC1A/

2、2的单位为 mol/L s，速率常数 k 的因次为 (mol) 1/2L-1/2s。反应速率常数 k与温度 T 的关系为 lgk 10000 10.2 ，其活化能为 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) mol 。 非等分子反应 2SO2+O2=2SO3的膨胀因子 SO2 等于。非等分子反应 N2+3H2=2NH 3的膨胀因子 H2 等于2/3。反应 N2+3H2=2NH 3中( rN2 ) =1/3

3、( rH2 )=1/2 rNH 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CA0 ，转化率为 xA，当反应器体积增大到 n 倍反应物 A 的出口浓度为 CA0(1-xA)n，转化率为 1-(1-xA)n。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CA0 ，转化率为 xA，当反应器体积增大到 n 倍反应物 A 的出口浓度为 1 xA，转化率为 nxA 。1 (n 1)xA1 (n 1)xA反应活化能 E 越大，反应速率对温度越敏感。 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 S，选择性 SP的定义为 (nP-nP0)/(nS

4、-nS0)。 某反应目的产物和着眼组分分别为 P 和 A 其收率 P的定义为 (nP-nP0)/(nA0-nA)。 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体积与进口体积流量之比。针对着眼组分 A 的全混流反应器的设计方程为VxAFA0rA27. 不考虑辅助时间，对反应级数大于 0 的反应，分批式完全混合反应器优于全混流反

5、应器。28. 反应级数 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。29. 反应级数 0 时，平推流反应器的反应效果优于全混流反应器。31. 反应级数 多级串联全混流平推流；33. 通常自催化反应较合理的反应器组合方式为全混流+平推流。34. 相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度高于最优温度。35. 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。36. 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。37. 要提高串联反应中间产物 P 收率，优先选择平推流反应器。38. 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。39. 主反应级活化能大于副反应

6、活化能的平行反应，宜采用高温操作。40. 停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式 E(t) dt 1.0 。041. 定常态连续流动系统， F(0)=0；F( )=1。t42. 定常态连续流动系统， F(t)与 E(t)的关系 F (t)E(t )dt 。043. 平均停留时间 t 是 E(t)曲线的分布中心；与 E(t)的关系为 t tE(t)dt 。02 2 244. 方差 t2表示停留时间分布的分散程度；其数学表达式为t2 (t t)2E(t)dt 。045. 采用无因次化停留时间后， E()与 E(t)的关系为 E( ) tE(t ) 。46. 采用无因次化停留时间后， F()与

7、 F(t)的关系为 F( )=F(t)。47. 无因次方差 与方差 t 的关系为 t / t 。2248. 平推流反应器的 2 =0 ；而全混流反应器的2 =1。49. 两种理想流动方式为平推流和全混流。250. 非理想流动 2 的数值范围是 01。51. 循环操作平推流反应器循环比越大返混越大。52. 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。53. 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。54. 脉冲示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到E(t) 曲线。55. 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。56. 采用脉冲示踪

8、法测得的浓度 CA(t)与 E(t)的关系式为 E(t)= CA(t)/C0。57. 采用阶跃示踪法测得的浓度 CA(t)与 F(t)的关系式为 F(t)= CA(t)/CA0。258. N 个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差2 =1/N。59. 多级全混釜串联模型当釜数 N=1 为全混流，当 N= 为平推流。tt60. 全混流的 E(t)= t1 e t ；F(t)= 1 e t 。61. 平推流的 E(t)=0 当t t 、=当 t t ；F(t)=0 当t t、=1当t t 。62. 轴向分散模型中， Pe 准数越小返混越大。63. 轴向分散模型中 Peclet 准数的物理意义

9、是代表了流动过程轴向返混程度的大小。64. 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。65. 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。66. 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。67. 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。68. 化学吸附的吸附选择性要高于物理吸附的吸附选择性。69. 化学吸附的吸附热要大于物理吸附的吸附热。70. 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。71. 操作温度越高物理吸附越弱，化学吸附越强；72. 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。73. 气固相

10、催化反应本征动力学指消除内外扩散对反应速率的影响测得的动力学。74. 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内外扩散的影响。75. 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、 通过减小催化剂颗粒粒度消除内扩 散。76. 固体颗粒中气体扩散方式主要有分子扩散和努森扩散。77. 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。78. 气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择性下降。79. 气固相催化平行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的选择性下降。80. Thiele 模数的物理意义反映了表面反应速率与内扩散速率之比。81.

11、 催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反应速率/催化剂内部浓度和温度与外表面上的相等时的反应速率。82. 催化剂粒径越大，其 Thiele 模数越大，有效系数越小；83. 气固相非催化反应缩核模型中气相反应物 A 的反应历程主要有三步，分别是气膜扩散、灰层扩散和表面反 应。84. 自热式反应是指利用反应自身放出的热量预热反应进料。85. 固定床反应器的主要难点是反应器的传热和控温问题。86. 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。87. 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。88. 固体颗粒常用的密度有堆密度、颗粒密度和真密度，三者的关系是真密度颗粒

12、密度堆密度。89. 对于体积为 VP 外表面积为 aP的颗粒其体积当量直径为 3 6VP / 、面积当量直径为 aP / 、比表面当量直径为 6aP /VP 。90. 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。、计算分析题1. 在恒容条件下，反应 A+2B=R ，原料气组成为 CA0=CB0=100kmol/m3，计算当 CB=20kmol/m3 时，计算反应转 化率 xA、xB 及各组分的浓度。解：在恒容条件下： xB=(CB0-CB)/CB0=由 CA0-CA=(CB0-CB)/2 得到： CA=20kmol/m3=60kmol/

13、m3xA =( CA0 -CA)/ CA0=2. 在恒压条件下，反应 A+2B=R ，原料气组成为 CA0=CB0=100kmol/m3，计算当 CB=20kmol/m3 时，反应转化率 xA、xB 及各组分的浓度。解： B=(1-1-2)/2=-1; yB0=n=n0(1+yB0BxB)=n0在恒压条件下： V=V0n/n0=V0CB=nB/V= nB0(1-xB)/V0=CB0(1-xB)/xB=8/9nA0-nA=(nB0-nB)/2xA=(nA0-nA )/nA0=(nB0-nB)/(2nA0)=(nB0-nB)/(2nB0)=4/93. 串联-平行反应 A+B=R ，A+R=S ，原

14、料中各组分的浓度为 CA0=L，CB0=L，CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒 容操作一定时间后，得到 CA=L，CR=L，计算此时组分 B 和 S 的浓度。解：在恒容条件下： CA1=CB0-CB； CA2=CS；CR=(CB0-CB)-CS；CA0-CA= CA1+CA24. 得到： CS=(CA0-CA-CR)/2=在间歇反应器中进行等温 2 级、1 级、0 级均相反应，分别求出转化率由 0 至所需 的时间与转化率由至所需时间之比。解：在间歇反应器中：xA2dxA t CA0rAxA1 rAtxA2CA0dxA kkCA0 (xA20 级反应：xA1)t00.9xA1t0.90.990

15、.9 0100.99 0.91 级反应： txA2CA0xA1dxAkCA0(1 xA )k1 ln 11 xxA1 ，tt00.9llnn 11 00.990.5k 1 xA2t 0.9 0.99ln 1 0.992 级反应：xA2CA0xA1dxA22kCA20(1 xA )21kCA01 xA21xA25. 在等温恒容条件下进行下列气相反应：， t0 0.90.9 0.99111 0.9 1 0111 0.99 1 0.90.1A 2R 其反应速率方程为V1 ddntA k nVA ，试推导：解：(1)nA0 dxAV dtnA0(1 xA )V2) A=(2-1)/1=1 yA0 =

16、n0(1+ yA0 AxA)=n0(1+xA=2n/n0-2=2P/P0-2 6. 在间歇反应器中进行等温二级反应 A=B ，反应速率： rA 0.01C A2 mol /(L s)当 CA0 分别为 1、5、10mol/L时，分别计算反应至 CA=L 所需的时间。解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为： dC A 0.01CA2 dt A 当 CA0=1mol/L 时， t=9900s当 CA0=5mol/L 时， t=9950s当 CA0=10mol/L 时， t=9990s7. 试画出反应速率常数 k与温度 T 的关系示意图。若速率式写成 rAE解： k k0e RTlnk 与 1/T

17、作图为8. 某气相恒容反应在1)试问反应速率常数的单位是什么(2)dnAVdtkCA2 kmol/(m 3 h)，试问此反应的速率常数为多少解：(1)反应速率常数的单位： (hMPa)-1(2) nA 103CA1031PA106dPA10 3 RT dnAPA10 3RTCAVARTAdt VdtA Ak 0.37 10 3RT 0.37 10 3 8.314 400 1.2 m3/(kmol h)9. 等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A=B+C ，在 5min 内有 50% 的 A 分解，要达到分解率为 75% ，问需多少反应时间若反应为 2 级，则需多少反应时间解：一级反应

18、：xA1k1ln(1 xA)二级反应：xAt C AdxA1 ? xAt CA0 2 2 ?0 kC A0 (1 xA )kCA0 1 xAtCA00dxA kCA0 (1 x A)1ln 1k 1 xA10. 液相自催化反应 A=B 的速率方程为rAdCAdtkCACB mol/(L h)，在等温间歇釜中测定反应速率，CA0=L ， CB0=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： CB=CA0+CB0-CA=1- CA rAdCAdtkCA(1 C A)反应速率最大时：d( rA) k(1 2CA)dCA 0，得到 CA=L dt A dt，代入数据得到

19、 k=(mol h)对反应速率式积分得到 kt ln (1 CA )CA0CA(1 CA0)11. 对于气相反应： A 3P 其反应速率方程为 -rA=kCA，试推导在恒容条件下以总压 P 表示的反应速率方程。假 定原料为 50%A 和 50%惰性组分，气体符合理想气体。dx解：在恒容条件下rA CA0 dxA kCA0(1 xA )dtA=(3-1)/1=2 yA0=n0(1+yA0AxA)=n0(1+xA)xA=n/n0-1=P/P0-112. 对于气相反应： A 3P 其反应速率方程为 -rA=kCA，在一平推流反应器中进行等温恒压反应。已知反应器体 积为 V，原料体积流量为 v0，初始

20、浓度为 CA0。试推导：其反应器设计方程，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： A=(3-1)/1=2 yA0=1等温恒压： v=v0(1+yA0AxA)=v0(1+2xA)13. 在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：k1k2A P S目的产物为 P，反应器体积为 V，体积流量为 v0，进料为纯 A 组分，浓度为 CA0 。(1) 各组分的浓度表达式；(2) 导出产物 P 的总收率、选择性表达式；(3) 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 对 P 组分作物料衡算：P 的总收率

21、： PnP nP0nA0 nACPC A0 CA11 k2P 的总选择性： SPnP nP0nS nS0CP 1CS k2P 的浓度达到最大需满足： dCP 0得到最优空时： d14. 某一级气相反应 A=2P ，反应速率常数 k=，按下列条件进行间歇恒容反应， 1min 后反应器内的总压为多少 反应条件： (1)1atm 纯 A ； (2)10atm 纯 A ；(3)1atmA 和 9atm 惰性气体。解：一级反应：dxA k(1 xA) xA 1 e kt 1 e 0.5 0.393A=(2-1)/1=1 n=n0(1+AyA0xA)=n0(1+yA0xA)P=P0(1+yA0xA)(1)

22、 1atm 纯 A ： yA0=1P=P0(1+yA0xA)= (2) 10atm 纯 A ：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=(3) 1atmA 和 9atm 惰性气体： yA0=P0(1+yA0xA)=15. 某二级液相反应 A+B=C ，已知在间歇全混釜反应器中达到xA=需反应时间为 10min ，问：( 1)在平推流反应器中进行时，空时为多少（ 2）在全混流反应器中进行时，空时为多少（3）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少解：dCAdtkCA2kCA1）在平推流反应器中：1?xA10.9910minkCA01 xA9.91 0.991? xA1 0.99 9.9t

23、 1 xA 10 1 0.992）在全混流反应器中：xA0.99kCA0(1 xA )2 9.9 (1 0.99)21000 min3）两个等体积串联全混流反应器中：第一个釜 0.5kCA0(1xA1)2第二个釜0.5xA2kCA0(1xA1xA2)由试差法计算得到： =16. 自催化反应 A+R 2R 其速率方程为： -rA=kCACRxAf。为使反应器体积最小。：最合适（ 1） 在等温条件下进行反应，已知CA0 和 CR0 ，要求最终转化率为的理想反应器组合方式；（ 2） 此最小反应器总体积表达式；（ 3） 在 FA0/（-rA） xA 图上表示各反应器的体积。 解：（1）最合适的理想反应

24、器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器 （2）反应速率最大点是两个反应器的分界点。CA+CR=CA0+CR0CR=CA0+CR0-CA=CM -CA反应速率最大时， d(-rA)/dt=0CA=若 CAf ，即 xAfCA0 CR0 ，2CA0仅用一个全混釜即可若 CAf ，即 xAfCA0 CR02CA0全混釜体积：Vmv0(CA0 C A)2 (2CA0 CM )2v02 (C A0 CR0 )kCACRkCMk(CA0 CR0 )2A0 R0平推流体积：VPCAfAfdCAv0VPlnCR0CA0xAfv00.5CM kCACRk(CA0 CR0)C A0 (1 xAf )V=Vm+V

25、Pn0、 n=0 和 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 018.)An=0A=P ，活F化能Vp，如改为全混流反应器，其体积为为多少（ 2）若 Vm/Vp=1，则全混流反应xA器的操作温度应为多少能为 83140J/mol，在平推Vm，为达到相同的行反应，反应温度为420K ，反应器体积为）若反应操作温度相同，则 Vm/Vp 之值应解：（1）VmFA0kCA0? xA VP1 xAkCA0ln11 xA2）Vm/Vp=1，同样得到：kmkPxA1 xA/ln1xA2.94Ek0e RTm kpk0eRTp eR(

26、TPTm )2.94代入数据得到：Tm=440KxAout19. 等温二级反应，依次经过体积相等的平推流反应器和全混流反应器，出口转化率为，若将两个反应器改换次 序，问出口转化率为多少解：等温二级反应得到，平推流 kCA01 xAout11 xAin全混流： kCA0xAoutxAin(1 x Aout ) 2将平推流反应器 +全混流反应器时的条件代入，计算得到：kCA0 =全混流反应器 +平推流反应器：先计算全混流出口xA=全混流出口 xA 就是平推流进口 xA，计算平推流出口 xA=20. 等温一级反应，依次经过体积相等的平推流反应器和全混流反应器，出口转化率为，若将两个反应器改换次 序，

27、问出口转化率为多少解：等温一级反应得到，平推流 klnxAinxAout全混流：kxAoutxAin将平推流反应器 +全混流反应器时的条件代入，计算得到：k=全混流反应器 +平推流反应器：先计算全混流出口xA=全混流出口 xA 就是平推流进口 xA，计算平推流出口 xA=21. 液相二级不可逆反应 A+B=C ，CA0=CB0，在平推流反应器进行试验，当 =10min 时 xA=，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，空时为多少（2）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少22. 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rA

28、kCACR ，初始浓度分别为 CA0和CR0 ，试推导其在间歇釜中达到最大反应速率时的时间和A 组分的浓度，若采用连续操作，应采用何种理想反 应器组合方式，可使反应器总体积最小，并用示意图进行表示。23. 平行反应：PrP=1SrS=2CATrT=CA2其中 P 为目的产物，在等温操作中，证明：采用全混流反应器最大产物浓度 CPmax=CA0；采用平推流反应器最大产物浓度CPmax=/（1+CA0）。k1k224. 等温一级不可逆串联反应 A RS，进料为纯 A 浓度为 CA0 ，连续操作空时为，试分别推导出反应器出口各组分的浓度：（ 1）平推流反应器；（2）全混流反应器。25. 等温一级不可

29、逆平行反应： 进料为纯 A 浓度为 CA0，连续操作空 的浓度：（ 1）平推流反应器； （2）全PrP=k1CASrS=k2CA时为， 试分别推导出反应器出口各组分 混流反应器。26. 试分别在图上画出下列流动模型的停留时间分布函数 F（t） 和停留时间分布密度函数 E（t）曲线：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。27. 液相反应A+BR（主反应 ）rR=从有利于产品分布的观点，1）将下列操作方式按优劣S（副反应 ）rS=顺序排列，并说明理由。2）若反应活化能 E1E2，应如何选择操作温度29. 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。28

30、. 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30. 画出平推流反应器、全混流反应器、平推流和全混流反应器串联及全混流和平推流反应器串联的停留时间分 布密度函数 E（t） 和分布函数 F（t）31. F（ ）和 E（ ）分别为闭式流动反应器的无因次停留时间分布函数和停留时间分布密度函数。 （1）若反应器为平推流反应器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F；(d)E；(e)E(2)若反应器为全混流反应器，试求： (a)F(1)；(b)E(1)；(c)F；(d)E；(e)E(3)若反应器为一非理想反应器，试求：(a)F()；(b)E()；(c)F(0)；(d)E(0

31、)；(e) E( )d( ) ；(f) E( )d( ) 0032. 丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总反应为C4H 8(A)=C 4H 6(B)+H 2(C) 假设反应按如下步骤进行：A+ A A B +CB B+ 假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程：1)A 吸附控制；2)B 脱附控制；3)表面反应控制。33. 乙炔与氯化氢在 HgCl 2- 活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应 C2H 2(A)+HCl(B)=C 2H 3Cl(C)其动力学方程式可有如下几种形式：2KApA KBpB KC pC)(1)rk(pApB pC /K)/(1(2)rkKApApB /(1 KA pAKBpB)(3)rkKBpA pB /(1 KB pBKCpC)试分别列出反应机理和控制步骤34. 气固相催化反应： A+B=C ，其反应机理如下：A+ A B+ BA +B C C C+ 假定符合 Langmuir 均匀吸附模型，试分别推导动力学方程：1)A 吸附控制；2)C 脱附控制；3)表面反应控制。35. 在气固相催化剂表面进行下