化学反应工程试题

1、化学反响工程综合习题及答案一、填空题：1. 所谓“三传一反是化学反响工程学的根底，其中“三传是指质量传递、热量传递和动量传递,“一反是指反响动力学 。2. 各种操作因素对于复杂反响的影响虽然各不相同，但通常温度升高有利于活化能高 的反应的选择性，反响物浓度升高有利于反响级数大的反响的选择性。3. 测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。4. 在均相反响动力学中，利用实验数据求取化学反响速度方程式的两种最主要的方法为积分法和微分法 。5. 多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N，轴向扩散模型的唯一模型参数为 Pe 或Ez I uL。6.

2、工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳定性。卜讥二t_ 27. 平推流反响器的E函数表达式为Et= j0tt，其无因次方差日=0 ，2而全混流反响器的无因次方差。38. 某反响速率常数的单位为m I mol - hr ，该反响为2级反响。9. 对于反响A 2B >2R，各物质反响速率之间的关系为-a : -b: 8 = 1: 2: 2。10. 平推流反响器和全混流反响器中平推流更适合于目的产物是中间产物的串联反响。11. 某反响的计量方程为 A > R S ,那么其反响速率表达式不能确定。12. 物质A按一级不可逆反响在一间歇反响器中分解，在67C时转化50%需要3

3、0 min,而在580 C时到达同样的转化率仅需20秒，该反响的活化能为 3.46X 10_J I mol 。13. 反响级数不可能可能I不可能大于3。14. 对于单一反响，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反响器时主要考虑反响器的大小：而对于复合反响，选择反响器时主要考虑的那么是目的产物的收率：15. 完全混合反响器全混流反响器内物料的温度和浓度，并且等于大于/小于I等于反响器出口物料的温度和浓度。那么当转化率达 70%时，中间产物16. 以下图是某连串反响在各转化率下的产物浓度分布曲线,R的化学反响工程定义总收率为64%，按炼厂或化工厂惯用的收率和选择性的定义,在该转化率条件下的收率是

4、45%，选择性是64%XA二、多项选择题：1 关于理想的间歇式反响器、平推流反响器和全混流反响器，以下描述正确的选项是A, C, DA. 三者同为理想反响器，但理想的内涵是不同的；B. 理想的间歇式反响器和全混流反响器的理想的内涵是一样的，都是反响器内温度和组成处处相同；C. 理想的间歇式反响器和全混流反响器的理想的内涵是不一样的，虽然都是反响器内温度和组成处处相同，但前者随着时间的变化温度和组成可能都发生变化，而后者那么不随时间变化；D. 平推流和全混流反响器都是连续流动式反响器，前者的返混为零，后者为无穷大2 关于积分法和微分法，认识正确的选项是A, BA. 积分法和微分法是两种求取动力学

5、参数的数据处理方法，前者对数据的精度要求比后者低；B. 积分法不能处理动力学较为复杂的反响物和产物不止一种、正反响和逆反响的反响级数不同可逆反响；C. 积分法得到的动力学参数比微分法可靠3. 对于一级恒容和一级变容不可逆反响，下面表达正确的选项是CA. 在同一平推流反响器内、在同样条件下进行反响，反响的转化率是一样的；B. 在同一全混流反响器内、在同样条件下进行反响，反响的转化率是一样的；C. 在同一间歇式反响器内、在同样条件下进行反响，反响的转化率是一样的；D. 在同一平推流反响器或间歇式反响器内、在同样条件下进行反响，反响的转化率是一样的4. 对于瞬时收率和总收率，以下正确的判断是A, C

6、A. 对于全混流反响器，反响的瞬时收率与总收率相等；B. 对于平推流反响器，反响的瞬时收率与总收率相等；C. 对于平推流反响器，反响的瞬时收率与总收率之间是积分关系；D. 对于全混流反响器，反响的瞬时收率与总收率之间是积分关系；5. 气相变容反响 A2B= 2C，原料中混入了一定量的惰性气体(惰性气体与 A和B的转 化率为零时的初始总摩尔数比为1:1 , A与B的比例为计量比)，那么膨胀率；A为CA. -0.5 ； B. -1/3 ； C. -1/6 ； D. -5/66. 纯气体A (浓度2 mol /L ,摩尔流率100 mol /min)在平推流反响器里分解生成一系列产物，其动力学为：

7、A > 2.5products,=(10min')CA，在一个9.8 L的反响器里进行反响所能到达的转化率为AA. 70% ； B. 80% ； C. 90% ； D. 100%7. 关于E函数和F函数，下面正确的选项是B, C. DtcdA. F(t)= E(t) ； B. F(t) = .0E(t)dt ； C. E(t)二dF(t)/dt ； D. F(：) =。E(t)dt = 18. 轴向分散系数与扩散系数，下面论述正确的选项是B, C, DA. 两者实质上是相同的，都符合Fick定律；B. 两者实质上是不同的，轴向分散系数的定义实际上是借用了Fick定律的形式；C.

8、轴向分散系数是与流动有关系的；D. 扩散系数是物质本身的一种属性9. 宏观流体和微观流体是流体凝集态的两种极端形式，流体的凝集态不同，对反响结果一般有明显的影响，但对于A, B 是例外。A. 一级不可逆反响;B. 在平推流反响器内进行反响；C. 在全混流反响器内进行反响；D. 零级反响10. 对于一个气固相催化反响，减小外扩散和内扩散影响的措施正确的选项是_AA. 提高反响器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径；B降低反响器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径；C.降低反响器内气体的流速，增大催化剂颗粒的直径；D增加催化剂颗粒的直径，提高反响器内气体的流速11. 关于基元反响的认识，正确的选项是A

9、, BA. 分子数是针对基元反响的概念；B. 基元反响的计量系数与对应物种的反响级数之间存在一一对应关系；12.C.基元反响A R和2A r 2R意义是样的;D.有的基元反响的总反响级数可能是小数对于一个均相变容反响，针对反响物A的反响速率，下面表述正确的选项是B,DA.dCA ； B.-dtCA 01 ；aXad( XadxA1 亠：A x A；C. _rA =CA0-,dtdtD.13.的话，我们应该在D条件下操作。14.A.高温、反响物C.低温、反响物A高浓度;A高浓度;B.高温、D.低温、对于化学反响的认识，下面正确的选项是反响物A低浓度;反响物A低浓度B, D1 dNAV dtk1,

10、E1 n1对于平行反响，活化能E1< E2,反响级数n1< n 2,如果目的产物是RA_N2t SA.B.化学反响的转化率、目的产物的收率仅与化学反响本身和使用的催化剂有关系;化学反响的转化率、目的产物的收率不仅与化学反响本身和使用的催化剂有关，而且还与反响器内流体的流动方式有关;C. 反响器仅仅是化学反响进行的场所，与反响目的产物的选择性无关；D. 反响器的类型可能直接影响到一个化学反响的产物分布15. 对于一个串联反响，目的产物是中间产物，适宜的反响器是_B_A. 全混流反响器；B. 平推流反响器；C. 循环反响器；D. 平推流与全混流串联在一起的反响器16. 关于非理想流动与

11、停留时间分布，论述正确的选项是A, CA. 一种流动必然对应着一种停留时间分布；B. 一种停留时间分布必然对应着一种流动；C. 一种停留时间分布可能对应着多种流动；D. 流动与停留时间分布存在对应关系1 -17. E(t)ex/t 是_B_tA. 平推流的E函数；B.全混流的E函数；C.平推流串联全混流的 E函数；D. 全混流串联平推流的 E函数18. 对于轴向分散模型，选择不同的边界条件，计算公式和结果都有所不同，这说明_DA. 边界条件是人为设定的，是为了便于有关公式的推导；B. 边界条件可以自由选取；C. 边界条件决定于操作条件和反响装置的本身；D. 边界条件不同，直接影响到反响器内的流

12、动和反响。19. 对于一个气固相催化反响过程，以下属于动力学因素的是C, DA. 气膜扩散；B. 孔内扩散；C. 反响物的吸附和产物的脱附；D. 外表反响20. Langmuir吸附模型的四个假定：均匀外表、单层吸附、吸附机理相同和无相互作用这几点应该说是非常苛刻的，实际情况很难满足上述要求。然而，对于多数的化学反响，应用这几点假定进行有关的推导，结果一般是可以接受的，其主要原因在于A. 实际反响过程中催化剂外表吸附物种的覆盖度很低；B. 实际的催化剂外表一般很平整；C. 实际的催化剂外表上活性位间的距离较远；D. 实际的催化剂外表上活性位的数量有限21. 关于指前因子和活化能描述正确的选项是

13、BA. 指前因子理论上与温度无关，活化能的取值永远都是正的，活化能大、温度低，反响速 率对温度的变化更敏感；B. 指前因子理论上与温度有关，但与指数项相比其随温度的变化可以忽略，活化能的取值 永远都是正的，活化能大、温度低，反响速率对温度的变化更敏感；C. 指前因子理论上与温度有关，活化能的取值不可能永远都是正的，活化能小、温度高， 反响速率对温度的变化更敏感；22. 对于一级不可逆反响 Akl > R k2?S，产物R的最大浓度通常CA. 只与速率常数的大小有关；B. 只与反响温度有关；C. 与A的初始浓度和速率常数的大小有关；D. 只与A的初始浓度有关23. 测定停留时间分布常用的方

14、法有脉冲示踪法和阶跃示踪法，关于这两种方法，以下描 述正确的选项是 A , B , DA. 这两种方法都是物理示踪法；B. 根据脉冲示踪法得到的实验数据，可以直接得到 E函数；C. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到 E函数；D. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到F函数三、计算题:1. 某一级液相反响 A > R在一只全混流反响器中进行，转化率为95%，如果再串联一只同样的全混流反响器，使转化率仍维持在95%，试问处理量应增加多少？【解】：当反响在一个全混流反响器内进行时，根据全混流反响器的设计方程，有当两个等体积全混流反响器串联时，转化率不变，那么有根据式(1)，得k

15、%=19;根据式(2)，得kl=6.94。进料体积流率之比等于空时的反比，即V。2 Vr / .2.1V01VR / 1.Vo 二 5.48 v01也就是说，串联后进料体积流率应为原来的5.48倍，即需增加4.48倍。2. 某速率常数为0.15 min-1的一级不可逆反响在一非理想反响器内进行反响，示踪结果说明，t2和匚二分别为15 min和0.21。求用多级混合流模型预测的转化率。解：根据多级混合流模型无因次方差与N之间的关系，有2N = 1/. = 4.76根据一级不可逆反响多级混合流模型转化率的表达式，有111 -Xa :(1与N0.1580.15 15 4.76 (1 ) 4.76xA

16、 =0.8421 1 13. 反响物A反响首先生成 R (k1 = 6 hr-1)，R进一步反响生成 S (k2 = 3 hr-1)和T (k3 = 1 hr )。如果浓度为1.0 mol / L的纯A在一个全混流反响器内进行反响，求R浓度到达最大值的空时及R的最大浓度。解：根据一级不可逆串联反响在全混流反响器中进行反响时中间物种最大浓度及到达最大浓度 空时的公式，有:1732 二 U3Cao(k2k3)/k11/212CR,max - 0.3mol / L opt02 hr书也+k3)说明：上述两公式也可通过对反响物A和产物R两次应用全混流反响器设计方程，求得产物R的浓度表达式，然后令39旦

17、=0，求出Lpt和Cr, maxd t的值。4 某一级恒容反响A >P在一平推流和一全混流反响器所组成的串联反响器组中进行，两反响器的有效容积均为Vr，进料为纯A，初始体积流率为 Vo,试证明最后的总转化率与这两个反响器的串联顺序无关。(假设两反响器的温度相等且保持恒定，反响器被反响物全部充满)解：反响速率方程：-rA二kCA(a)全混流在前，平推流在后»CAfCai由全混流的设计方程，得:V r Cao CaiCao CaiT =VokC ai故: CA1 乩A1 kVR 1Vo由平推流的设计方程得：VrVoXAdXA_CA° .XA1 _r_IAAfA1dCAkC

18、A1 ln CAfk CA1那么：CAf =CA1eVR/Vo 二CA0eVR/V1kVR 1V。其中.址V。(b)平推流在前，全混流在后dCACA1对平推流:VRVoC A0AdxA-ACA1 C A0Ink Cao得：CAl=CAoe'对全混流:二CA1 CAfV0JaCai - CAfkCAf得:CAfCA1k .1CA0-kek.1即：两各反响器的排列顺序不影响反响结果5 纯组分A发生下述平行反响,(目的产物)p=2Ca mol/(L.min)rR=1mol/(L. min)2rs二Camol/(L.min )A的起始浓度为2 mol /L ,反响在恒温的条件下进行，试确定在如

19、下反响器中目的产物 到达的最大浓度。a. 平推流反响器b. 全混流反响器s所能解:dCSCa22g (1Ca)(a)对于平推流反响器:Cs=fA ®sdCA = CA ( CAdCACA0CAO、亠 C-_CA(1)2dCACao'1 C/1 +CA011=(1 Go)(1 G)2ln1 +Ca1 +Cao1 "+C A当：SCa曲线下的面积最大，即A完全转化(Ca = 0)时Cs最大，即:C S, max =(1+2) 1 2ln3=0.469 mol / L(b)对于全混流反响器:Cs ：:".SCA0 _ Ca故:_Ca)(-c)21 +Ca223d

20、CS (1 CA)(2CA0CA _3CA ) -2CA0CA2CadC7令竺CS -(CA0 -CA) S - (CA03(1 Ca)SdCA2=0，得：Ca 3Ca_2Ca0=0解得：Ca = 1 mol / LC1故: jx込-汕叫丿"25/ L6 .某气相一级不可逆反响：A > 2R S在等温，等压条件下在一间歇反响器中进行，原料中含A 75 %(mol), 8分钟后体积增加了一倍，求A的转化率以及此温度下的速率常数。解：(1)该反响为变容反响，(i)I nertA >2R S (i)Inert摩尔比；0.250.75即：1/31故：i=1/3 ,即：11一Ine

21、rt A- 2R S Inert33膨胀率:1 1VVnn21 丄-1 丄VXa 丄VXazQntotal,XA 二tal,XA 兰33a cz a1.5VXa =0ntotal,XA=Q1 + 38分钟后：V= 2Vo = Vo 1+ 认 xA解得：Xa =66.7 %(2)由间歇式反响器的设计方程，对一级反响，有：kt 二-ln(4 - xA)=0.137min 那么：k = ln4XAln0.6677 用一个1升的全混流反响器来确定某反响A > R的动力学方程，A的液相溶液分别以不同的流率和不同的初始浓度参加反响器，并测定A的出口浓度，得到如下表所示的数据。V0CaoCaL / m

22、inmmol / Lmmol / L0.449.1418.340.564.4023.601103.2041.142153.2068.102180.8075.72假设反响速率只与 A有关，求反响速率方程式。解：根据全混流反响器的设计方程:得:CAO -CA由数据可得下述数据:T， minr _ CA0 _Caln CaIn (- r )rA -T2.512.322.912.51220.403.163.02162.043.724.130.5170.24.225.140.5210.164.335.35假设：么二 k Ca",得：In (-r 人)=In k + n InC a以 In (-

23、匕)对 In Ca做图，得一直线，截距=In k = -3.3，得：k = 0.037 L / (mmol min),一 2斜率=n=2,故速率方程为：rA = 0.037CAmmoI / (L min)6.05.5 - 5.0 -4.5 -?A40： n 3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 +2.53.03.54.04.55.0In(C a)8 在某实际反响器内用脉冲输入法测得其出口物料中示踪剂浓度的变化数据如下:t, min012345678910C(t), g /L00356643210试列出相应表格计算各反响时间下所对应的的E(t)值和F(t)值以及平均停留时间-，并画出E

24、 (t)和F曲线。解：由于是等时间间隔过=1min ，利用矩形积分法可得到如下公式:E(ti)C3)CO；F(ti)f C(ti)ti卫t、C(ti)ti ._o C(ti)ti =0tiE(ti)tTcOE(ti)ti =0tiC(ti)ti国CO、C(ti)ty根据上述公式列表计算如下:t,mi n012345678910C(t),g/L00356643210t送 C(ti)ti =0003814202427293030-iE(t)， min000.10.170.20.20.130.10.070.030F(t)000.10.270.470.670.80.90.971.01.0t, min4

25、.83E t、Ft曲线图如下:t, min048121620242832C(t)，g /L03581074209 向某实际反响器入口用脉冲法参加示踪物，在出口测得的示踪物浓度变化如下:假设在该反响器内进行 ArP的一级异构化反响，反响流体为宏观流体，入口处A的转化率为零，反响速度常数为0.045mi n-1，试用凝集流模型预测在该反响器出口处所能到达的转化率。(提示：凝集流模型公式XA =XA(t)element E(t)dt)XA 二 0 XA(t)kt XA(t) eleme nt = 1 e 对于脉冲示踪法：E(ti)二C(ti)一&迟 C(ti)ti =9解：根据凝集流模型的计

26、算公式:其中，对于一级反响:所以，可利用矩形加和法进行近似积分:element - E(t)dtC (t i)XA 八 XA(ti) element - E(ti)：ti(1C00二 C(ti)ti0.-；ti0kti(1_e )C(ti)0QO、C(ti)0ti, min048121620242832C(ti)，g/L0358107420tiZ C(ti)0038162633373939(1-e")C(ti)00.4941.5123.3385.1324.1542.6421.4320列表计算如下:XA =(00.4941.512 3.338 5.1324.1542.6421.4320

27、)18.704三 0.4810.在Pt催化剂上进行异丙苯分解反响:C6H5CH(CH 3)2：= C6H6 + C3H6假设以A、B及R分别表示异丙苯、苯及丙烯，T弋表催化剂上的一个活性中心，其反响步骤如下：A + ；:.：二 A A ；：= Be + RB ；丁：二 B + c假设外表反响为速度控制步骤，试由L-H机理和Hougen-Watson模型推导异丙苯分解的等温速度方程式。解：由题意，步骤2应为速度控制步骤，设其中的正向、逆向反响速度常数分别为kr、kr ,有：r =krhA_krdBpR又由步骤1已达平衡，有：护rKAPAV由步骤3已达平衡，有：为二KBPBW而 VA VB 旳=111KaPaKbPbkAPA1KaPaKbPbkBPB1KaPaKbPb代入原速度表达式，有:krKAPA -k； KbPbPr1 KaPa KbPbkr KbkrKA(PA-空PbPr)krKA1KaPaKbPbk(PAPbPrK1KaPaKbPb其中k = krKA, K为总化学反响平衡常数11.在直径为6 mm的球形催化剂颗粒上进行某一级不可逆反响ArP,：催