反应工程试题库

1、化学反应工程试题一、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. TOC o 1-5 h z 物料衡算和能量衡算的一般表达式为。着眼组分A转化率xA的定义式为。总反应级数不可能大于3。反应速率-rA=kCACB的单位为kmol/(m3 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 = kC J的单位为mol/L s,速率常数k的因次为(mol)i/2 L-i/2s 。反应速率常数k与温度T的关系为ink = 10000 +10.2，其活化能为83.14kJ/mol。T某反应

2、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 倍。某反应在450时的反应速率是400r时的10倍，则该反应的活化能为(设浓度不变) 186.3kJ/mol 。非等分子反应2SO2+O=2SO3的膨胀因子5so等于 -0.5。非等分子反应N2+3H2=2NH3的膨胀因子8日等于2/3。H 2反应 N +3H =2NH 中(r ) = 1/3 ( - r ) = 1/2 r223NH 2NH 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，转化率为气，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为CA0(1-XA)n，转化率

3、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，当反 应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为1 1 ，转化率为11 + (n -1)x1 + (n -1)x TOC o 1-5 h z AA反应活化能E越土，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-np(气-气。)。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)/ (气气)。均相自催化反应其反应谏率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反应谏率。根据反应机理推导反应动力学常采用的

4、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8。空时的定义为。针对着眼组分A的全混流反应器的设计方程为二二。I。- 1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壬全混流反应器。反应级数0时，多个全混流反应器串联的反应效果&于全混流反应器。反应级数0时，多个全混流反应器串联的反应效果差于全混流反应器。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。反应级数0时，平推流反应器的反应效果差于全混流反应器。对反应速率与浓度成正效应的反应分别采

5、用全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器体税的大小关系为 全混流多级串联全混流平推流：通常自催化反应较合理的反应器组合方式为 全混流 + 平推流相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度 高于 最优温度。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。主反应级数小于副反应级数的平行反应，优先选全混流反应器。要提高串联反应中间产物P收率，优先选择 平推流反应器。主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜采用里温操作。主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜采用_高温操作。S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。0定常态连续流动系统，F(0)=

6、0 : F(8)=_匚。41.定常态连续流动系统，F(t)与E(t)的关系F(t) = jE(t)dt。042.平均停留时间亍是E(t)曲线的分布中心：与E(t)的关系为t =j tE(t)dt。43.方差。2表示停留时间分布的分散程度： t其数学表达式为。2 =j (t -1 )2 E(t)dt。t0采用无因次化停留时间后，E(e )与E(t)的关系为E(9 ) = tE(t)。采用无因次化停留时间后，F(e )与F(t)的关系为F(e )=F(t)无因次方差b；与方差b；的关系为b& =b；/12。平推流反应器的b； = 0 :而全混流反应器的bg =两种理想流动方式为平推流和全混流 TO

7、C o 1-5 h z 非理想流动。&的数值范围是01。循环操作平推流反应器循环比越 大 返混越大。循环操作平推流反应器当循环比8 = 0时为平推流；当8 二二时为全混流。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。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。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。采用脉冲示踪法测得的浓度CA(t)与E(t)的关系式为E(t)= CA(t)/C0。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。N个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差。& = 1/N。多级全

8、混釜串联模型当釜数N=为全混流，当N= 8为平推流。tt全混流的 E(t) = t ； F(t) = 1 - e二。t平推流的 E(t)=0 当 t。t、=8当 t = t _； F(t)= 0 当 t t、=1 当 t t。轴向分散模型中，Pe准数越工返混越大。轴向分散模型中Peclet准数的物理意义是 代表了流动过程轴向返混程度的大小。对于管式反应器，流速越_越接近平推流；管子越_越接近平推流。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。对于好推流反应器，宏观流体与微观流体具有相同的反应结果。工业催化剂所必备的二个主要条件：选择性高、活性好和寿命长。化学吸附的吸附选择性要高

9、于物理吸附的吸附选择性。化学吸附的吸附热要大于物理吸附的吸附热。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。操作温度越高物理吸附 越弱 ，化学吸附 ；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。气固相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。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。在气固相催化反应中测定本征动力学可以诵过提高气体流速消除外扩散、诵过 减小催化剂颗粒粒度 消除内扩散。固体颗粒中气体扩散方式主要有分子扩散和 努森扩散 。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。气固相催化

10、串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择，性下降。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。Thiele模数的物理意义。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。催化剂粒径越大，其Thiele模数越大，有效系数越小 ：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 。白热式反应是指 利用反应自身放出的热量预热反应讲料。固定床反应器的主要难点。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。固定床控制温度的主要目的是。固体颗粒常用的密度有堆密度、颗粒密

11、度和真密度，三者的关系是真密度颗粒密度 堆密度。你们对于体积为Vp外表面积为ap的颗粒其体积当量直径为顼祯万、面积当量直径为 插万、比表面当量直径为6ap /Vp。固定床最优分段的两个必要条件是 前一段出口反应谏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。二、计算分析题在恒容条件下，反应A+2B=R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB =20 kmol/m3 时，计算反应转化率、xB及各组分的浓度。解：在恒容条件下：XB=( CB0- CB )/ Cb0=0.8由 CA0- CA =( CB0- CB )/2 得到：CA =60 kmol/m3x = (

12、C - C )/ C =0.4A A0 AA0在恒压条件下，反应A+2B=R，原料气组成为CA0=CB100kmol/m3，计算当CB = 20 kmol/m3 时，反应转化率、xB及各组分的浓度。解：6 B=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5n=n (1+ y 6 x) = n (1-0.5 x) TOC o 1-5 h z 0B0 B B0B在恒压条件下：V=V0 n/n0= V0(1-0.5xB)C =n /V= n (1- x )/V (1-0.5x )= C (1- x )/ (1-0.5x )B BB0B 0BB0BBxB=8/9nA0- nA =( nB0- nB )/2x

13、 = ( n - n )/ n =( n - n )/(2 n )= ( n - n )/(2 n )=0.5 x=4/9A A0 AA0 B0 BA0B0 BB0B串联-平行反应A+B=R，A+R=S，原料中各组分的浓度为CA2.0mol/L，Cb=4.0 mol/L， Cr0=Cs0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，C1.5mol/L，计算此 时组分B和S的浓度。解：在恒容条件下： C = C -C ； C = C ； C = (C -C )-C ； C -C = c + cA1 B0 BA2 S R B0 B S A0 A A1 A2得到：Cs=( Ca

14、0-Ca- Cr)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1 mol/LCb = Cbo CrCs=4.01.50.1=2.4 mol/L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0.9所需 的时间与转化率由0.9至0.99所需时间之比。解：在间歇反应器中：t = C手虫AA0- rXa, A0级反应:t = Ck-A = kC (x - x .)XA1t00.9t0.90.99=100.99 0.91级反应:厂 %dxA0 kC (1 - X )Xa1A0A11 1 - X =InkAT1 一 XA2t00.9 t0.90.99ln 1-011-0.9 = 1 l

15、n 1-0.91-0.99dr X、 A2t = C 手一dXAA0 kC2 （1 - X ）2XA1 A0A5.在等温恒容条件下进行下列气相反应：1 dn 1 n 、A = k -A，试推导：V dt V2级反应:1kCA0t-r00.9 =1-0.9t 0.90.991-0= 0.1-r1-0.991-0.92R其反应速率方程为（1）以A组分转化率xA表示的反应速率方程;（2）以总压P表示的速率方程。假定原料组分为50%A和50%惰性气体，气体为理想气体。解：(1) % 虹=k 气 0(1-XV dtV蚂=k (1 - X ) dtAJ(2) 5 A=(2-1)/1=1 0.5 n=n (

16、1+ y 5 x) = n (1+0.50A0 A A0XA=2n/n0-2=2P/P0-2dP云=k(1.5P - P)6.在间歇反应器中进行等温二级反应A=B，反应速率：- JO.OIC： EL - s）当Ca0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至CA=0.01mol/L所需的时间。dC解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：-二* = 0.01C2 dtAt =厂 C0当 CA0=1mol/L 时，t=9900s当 CA0=5mol/L 时，t=9950s当 CA0=10mol/L 时，t=9990s7.8.解：k = k e - Rt试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。

17、In k = In k - R TInk与1/T作图为一直线某气相恒容反应在400K时的速率式为：-马 =0.37p2 MPa/h，(1)试问反应速率常 dtAdn数的单位是什么？ (2)右速率式与成一 r = - A = kC2 kmol/(m3 h)，试问此反应的速A Vdt A率常数为多少？解：(1)反应速率常数的单位：(hMPa)-1(2) nAx 103 = C x 103 =-Lp x 106E = 10-3RTdnAP = 10-3RTCVART AdtVdt AA-dnA = 0.37 x 10-3 RTC2VdtAk = 0.37 x 10-3RT = 0.37 x 10-3

18、 x 8.314 x 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：t = CdX=虬二=-ln(1-x )A0 kC (1 - x ) k 1 - x kln(1 - 0.75) in .10.75 = t0.5 ln(1 - 0.5)=二级反应：t = C=上仁A0 kC2 (1 - x )2 kC 1 - x 0 a0AA0At0.750.751 0.5=t = 15 min0.5 1 - 0.750.5d

19、C10.液相自催化反应A=B的速率方程为-rA = -汗；=kCACBmol/(Lh)，在等温间歇金中测定反应速率，CA0.95mol/L，CB0.05mol/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：C =C +C -C =1-C r = a = kC (1 C )B A0 B0 A AA dtA Ad (-r ) _- dC 一反应速率最大时：寸=k (1-2Ca)* = 0，得到Ca=.5被/L对反应速率式积分得到kt = ln(1 - C )C4nCA(1 己cj，代入数据得到k=2.944 L/(mol h)11.对于气相反应：A3P其反应速率方程为-r

20、 =kC，试推导在恒容条件下以总压P表A示的反应速率方程。假定原料为50%A和50%惰性组分，dx = kC (1-xA)A 一气体符合理想气体。解:在恒容条件下-L CA0dtA0蚂=k (1 - x )dtAJ5 a=(3-1)/1=2 0.5n=n0(1+ y AXa)=XA=n/n0-1=P/P0-1dP=k(2P - P)dt 012.对于气相反应：A3P其反应速率方程为-r=kC，在一平推流反应器中进行等温恒压反 A A应。已知反应器体积为V,原料体积流量为v0,初始浓度为CA0。试推导：其反应器设计方程，并以A组分转化率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：5

21、 a=(3-1)/1=2 Ya0=1等温恒压：v=v0(1+ Ya。5 a XA)=V(1+2Xa)A-A0 1 + 2 xAV = FA00dxdxA J -rA- kCA0A(1 + 2 x、-a dx 1 - xA7A0 A0dxAx = Jk013.在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应:C = F = Fa0(1 一 xa)= C A vv0(1 + 2xA)目的产物为P，反应器体积为V，体积流量为v。，进料为纯A组分，浓度为命各组分的浓度表达式;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F - F

22、 = V(-r ) v (C - C ) = VkCA0AA 0 A0A1 AC =CAA 1 + kx对P组分作物料衡算:F - F = Vr v C = V (kC - k C )P 0 P 0 P1 A 2 P八 ktCktCC = 1= 1A0p 1 + k t (1 + k t )(1 + k t )212=CA0 - CA - CP=c -q-任a。A01 + k t (1 + k t )(1 + k t )112kk t2C2A0(1 + kJ )(1 + k t )P的总收率:=m =Cp=xP n 一 n C 一 C 1 + k tP的总选择性：SPnp - np 0 = c

23、p = n - n C k tXkk、1 2P的浓度达到最大需满足：d = 0得到最优空时：t dT某一级气相反应A=2P，反应速率常数k=0.5min-i，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)1atm A和9atm 惰性气体。解：一级反应：*a = k(1 x ) x = 1 e-kt = 1 e-0.5 = 0.393 dtA5 =(2-1)/1=1 n=n (1+5 y x )= n (1+ y x ) P=P (1+ y x )A0A A0 A 0A0 A0A0 A1atm 纯 A： yA0=1

24、P=P0 (1+ yA0 xA)=1.393atm10atm 纯 A： yA0=1 P=P0 (1+ yA0 xA)=13.93atm1atm A 和 9atm 惰性气体：yA0=0.1 P=P0 (1+ yA0 xA)=10.393atm解：- = kC2dt A=1 x 冬=9.910 1 - 0.99(1)在平推流反应器中：TkCA01-10.99x9.9 1 - 0.99=10 min(2)在全混流反应器中：TxAkCA (1 xA )20.999.9 x (1 0.99)2=1000 min某二级液相反应A+B=C，已知在间歇全混釜反应器中达到x0.99需反应时间为10min， 问：

25、(1)在平推流反应器中进行时，空时T为多少？(2)在全混流反应器中进行时，空时 T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T又为多少？两个等体积串联全混流反应器中:第一个釜 0.5t =： 第二个釜 0.5t = 一xa2一：一kC (1 x )2kC (1 x )2A0A1A0A 2由试差法计算得到：t =51.5min自催化反应A+R2R其速率方程为：-r =kC C A A R在等温条件下进行反应，已知CA0和CR0，要求最终转化率为xAf。为使反应器体积最 小。试问：最合适的理想反应器组合方式；此最小反应器总体积表达式；在FA0/(-rA)图上表示各反应器的体积。解

26、：(1)最合适的理想反应器组合方式：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。C+C= C +C C= C +C -C = C-CA R A0 R0 R A0 R0 A M A-rA = kCA (Cm - CA)反应速率最大时，d(-rdt=0Ca=0.5Cm若C N0.5C，即x R0Af 2CA0全混釜体积：V = V0(CA0 _ CA)= V(2C - C ) =20(C - C )mkCCRC A0 Mk (C0 + CR 0)2A0R 0平推流体积：CfdCRV =V0Pk (CA0 + CR 0)V=V +Vm P对于反应速率方程为-kCn的液相反应

27、，为达到一定的生产能力，试讨论当n0、 n=0和n0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nE2，应如何选择操作温度?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。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。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)F(e)和E(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。若反应器为平推流反应器，试求：(a)F(1)； (b)E(1)；

28、(c)F(0.8)； (d)E(0.8)； (e)E(1.2)若反应器为全混流反应器，试求：(a)F(1)； (b)E(1)； (c)F(0.8)； (d)E(0.8)； (e)E(1.2)若反应器为一非理想反应器，试求：(a)F(8)； (b)E(8)； (c)F(0)； (d)E(0)； (e)j E(0 )d (0)；(f) j0E(0 )d(0)00丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总反应为C4H8(A)= C4H6(B)+ H2(C)假设反应按如下步骤进行：A+a o AaAa o Ba +CBa o B+a假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程:A吸附控制；B脱附控制；表面反应控制。乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应C2H2 (A) + HCl (B)= C2H3Cl (C)其动力学方程式可有如下几种形式：r = k(p p 一 p /K)/(1 + K p + K p + K p )2AB CA A B B C Cr = kK p p /(1 + K p + K p )A A BA AB Br = kK p p /(1 + K p + K p )BABB BC C试分别列出反应机理和控制步骤气固相催化反应：A+B=C，其反应机理如下：A+a = AaB+a = BaAa +B = CaCa = C+