化学反应工程习题集

化学反应工程习题集一、 填空题停留时间分布函数的定义 ；停留时间分布密度函数的定义 。气体分子在固体催化剂微孔中扩散的主要形式有 ，当 ，DAe

D ，当 时，DAB

D 。kA平推流反应器的特点为 。xCSTR的体积与PFRA的体积之比为 ，进行二级不可逆反应，两者体积之为 。可逆放热反应在不同转化率下的最佳温度不同一般而言转化率越高最温度越 。连续流动反应器中的返混是指 ，对平行反应系统n主时，返混是使 ，n 〈n 时，返混是副 主 副使 。连续过程反应速度

dNAmol/(sg) 、

dNAmol/(scm3) 、dW dVRdNAmol/(scm2内表面之间的关系为 。ds当分子扩散的平均自由程大于催化剂微孔直径时，分子在微孔中的扩散为 ，其扩散系数与压力的关系为 ，与温度关系为 。反应物A的水溶液在等温CSTR中进行二级反应，出口转化率为0.4，现改等体积PFR中进行，则出口转化率为 。等温下进行一级不可逆反应为达到xA的转化率采用单个CSTR的体积与的体积之比为 ，进行二级不可逆反应，两者体积之比为 。从反应器停留时间分布测定中求得无因次方差， 2=0.98，反应器可视为 。又若求得无因次方差，2=0.02，则该反应器可视为 。对一级不可逆反应采用多级全混流反应器串联时要保证总的反应体积最小必需的条件是 。等温等容间歇反应器中进行下面的两个平行反应均为一级不可逆反应，其中A为目的产物，主反应的活化能大于副反应的活能，则 A2 1 2 1A温度升高，反应的选择率 ，目的产物的收率相应 。30二、可逆反应2A B+C于等温PFR中进行，原料流量V=10m3/h，反应物A0A0初始浓度c =5kmol/m3,B和C初始浓度均为零已知反应的动力学方程可表示为：A0r=kc2—kcc k=7.5m3/(kmol·h)，k=0.5m3/(kmol·h)B 1 A 2 A B 1 2若B的最终浓度是其平衡浓度的98%，问:需要多大的反应器体积？若在中进行同样的反应，则反应器体积又为多少？三、有一不可逆一级串联反应A

k1 P

=0.15min-1,k=0.05min-1，进1 20.5m3/min，c0，c=c=0。证明：A0 P0 S0⑴采用单个V=1m3CSTR，出口c=0.21c；R p A0⑵采用两个V=1m3CSTRc=0.226c；R p A0⑶采用单个V=1m3的PFR，出口c=0.246c。 （20分）R p A0t/min0.10.21.02.0t/min0.10.21.02.05.010.020.030.0c/(g/m3)1.961.931.6421.3440.7360.9650.0340.004⑴用示踪剂在出口物流中的浓度估算平均停留时间；⑵当该反应器用于进行一级不可逆反应时求反应物料出口转化率。五、反应A B为n级不可逆反应，已知在300K时要使A的转化率达到20%12.6分钟，而340K达到同样的转化率仅需3.2分钟，试求该反应的活化能。六、合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯，多是由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式如下：C2H2 +HCl C2H3Cl由于乙炔价格高于氯化氢，通常使用的原料混合气中氯化氢是过量的，设其过量10%，若反应器出口气体中氯乙烯含量为摩尔化率。七、考虑下述的液相连串反应：ABk1=0.25h-1BCk2=0.13h-1两个反应均为一级。在反应原料中只含有A，CA0=40mol/m3，CB0=CC0=0。反应混合物的比重为一常数。试求：若采用平推流反应器进行上述反应，那么要使A的转化率为50%的浓度CB为多少？若改用全混流反应器，为使A50%，停留时间应为多少？在反应器出口B的浓度为多少？八、乙醛的气相分解反应：CH3CHO→CH4+CO1.013×105Pa，反应温度为791K19750%。现改用管式流动反应器来进行这一反应，反应温度仍为791K，反应物为纯乙醛，其进料速率为压力为1.013×105Pa，那么要使乙醛的转化率达到80该反应条件下乙醛的分解反应是不可逆的，且反应器进出口之间的压降可以忽略不计。九、在某催化剂的表面发生如下的可逆反应：A==R+S试推导在下述各情况下的反应动力学方程：AR十、在实际生产中合成氨反应是在高温高压下采用熔融铁催化剂进行的。该反应为25.33MPa3：117%；把压力改为32.42MP，其他条件同1。已知该催化剂的正反应活化能为58.618kJ/mol，逆反应的活化能为167.48kJ/mol，平衡常数Kp与温度T（K）及总压P（MPa）的关系如下：logK (2172.2619.6478P)/T(4.24050.02149P)pp式中Kp

NH3p1.5p0.53H N2 2600105Pa、H2OH2COCO2C和C2H6，试确定此物系的独立反应数及可能的反应方程式。十二、乙烷裂解制取乙烯的反应为C2H6→C2H4+H2800℃时的速率常数5075别需要多少时间。十三、环氧乙烷在450℃的气相分解反应如下：C2H4O（g）→CH4(g)+CO(g)已知在此温度下反应的速率常数为0.0212min-1，反应在恒温恒容反应器中完成，初始时原料为纯的环氧乙烷，初始压力为2.026×105Pa。试求在反应时间为50min时反应器的总压力。十四、考虑如下连串反应：Ak1Bk2CA的初始浓度为1kmol/m3，当t=1.5min时，CA=0.2231kmol/m3，CB=0.6769kmol/m3，(1)计算反应速率常数k1和k2;(2)计算当t=1.5min时C(3)计算B的最大浓度CB，max及对应时间。十五、在间歇反应器中氢氧化钠和醋酸乙酯发生如下皂化反应：NaOH+CH3COOC2H5→CH3COONa+C2H5OH氢氧化钠和醋酸乙酯的初始浓度均为应。当反应时间为15分钟时，醋酸乙酯的转化率为18%A 酯的初始浓度均为0.2mol/l，要使醋酸乙酯的转化率达到30%，反应时间为多少？（-rA50%A 6多少？少？十七、乙酸酐的水解反应为：2（CH3CO）2

O+H

O→2CHCOOHA 23该反应在全混流反应器中进行，温度为15℃，反应的速度方程为r=kC，式中C乙酸酐的浓度mol/c3k=0.0806mi-。已知进料速度V=378c3/mi，乙酸酐的初始浓度为CA0=2.1×10-4mol/cm31800cm3A 23在反应器出口处乙酸酐的转化率；变。十八、在一体积为120升的全混流反应器中进行下述液相可逆反应：A+B==C+Dk=3.0l/(mol•min)。两种液料各含纯A和纯B，以等体积1 2流量加入到反应器中，一种含A2.8mol/l，另一种含B1.6mol/l，如果反应混合物的密度保持不变，B的转化率为75%，试求每种物料的流量。十九、丁烯在某催化剂上制丁二烯的总反应为CH CH+H，假设反应按如48 46 2下步骤进行：CH+Z===CH—Z48 48CH—Z===CH—Z+H48 46 2CH—Z===CH+Z46 46分别写出A（）为控制步骤的均匀吸附动力学方程；写出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。二十、液相自催化反应AP，反应速率rA=kcAcP，k=10-2m3/(kmol•s)，进料体V0=0.002m3/s，cA0=2kmol/m3，cP0=0xA=0.98况下的反应器体积：单个全混流反应器；两个等体积的全混流反应器。二十.可逆放热反应在不同转化率下的最佳温度不同一般而言转化率越高最佳温度越 。（1）cAf=0.04kmol/m3，cPf=1.96kmol/m3cA0

cAf

2

2.5103sAfr 1020.041.96 （7分）AfR V V 5mR (2)

c cA0 r

cA1cAfrA1即 2cA1

Af cA1

0.04102cA1

(2cA1

) 1020.041.96得c /m3A10.3010.04

(7分)

1020.041.96

3.33102sV VR

0.666m3二十二、简答题①何为停留时间分布函数与停留时间分布密度函数？②平推流反应器的特点有哪些？③何为质点的年龄和寿命？④全混流反应器的特点有哪些？⑤何为空间速度与接触时间？什么是质点年龄、寿命及返混？⑥已知全混流反应器的停留时间分布密度函数为E（θ）=exp(-θ),计算F（θ）和2。⑦CSTR定操作点，并判别全混釜的热稳定性条件。如釜中进行某串联反应，要求控制的转化率为不稳定操作点对应的转化率，应如何进行操作？二十三、选择题⑴今有如下平行反应：ABk1L主ABk2M相应的反应速率方程r=kCC，r=kC0.5C1.8L 1 A B M 2 A B下述加料方式 最有利于提高主产物L的选择性：（A）B沿PFR分股入料； （B）A沿PFR分股入料；（C）AB同时加入CSTR （D）A、B同时加入PFR。APPFRC=1mol/L，A0V=120V=240k=1Lhmolk=2L（moυ=1L/mi，R1 R2 T1 T2 01在前，反应器221其后，则下列说法正确的是③。①a方式较优 ②b方式较优 ③结果等效 ④无法判别结果⑶对于均相串联反应，可通过 ①③能够提高反应的选择率。①反应和分离结合，以提高反应的选择率。②提高关键组分的初始浓度，以提高反应的选择率。③降低单程转化率，从而能够提高反应的选择率。④增大反应时间，以增加反应的转化率，从而提高反应的选择率。⑷一级不可逆反应的达姆克勒准数Da与下列哪个因素无关？ ④①反应速率常数 ②气膜传质系数③催化剂颗粒的比表面积 ④反应物主体相浓度2 二十四、银催化剂上乙烯催化氧化合成环氧乙烷的反应系统包括以下物质：CH2 2 4 2 2 O2、CHO、CO、HO、N2 4 2 2 150用等体积的全混流反应器操作，原料液流量及初始浓度不变，要求达到相同的出口转化率，须将反应温度提高到18℃进行（反应机理不变，求此反应的活化能。二十六、在某催化剂的表面发生如下的气相可逆反应：A+R==S已知表面吸附态有A和S，R在表面不吸附，试推导在下述各情况下的反应动力学方程：AS二十七、考虑下述的液相连串反应：A B k1=0.25h-1B C k2=0.13h-1两个反应均为一级。在反应原料中只含有A，CA0=40mol/m3，CB0=CC0=0。反应混合物的比重为一常数。试求：A的浓度CB为多少？A应器出口B的浓度为多少？二十八、生化工程中酶反应A R为自催化反应，反应速率式rA=kcAcR,某温度下k=1.86m3/(kmol•min)，采用的原料中含A0.98，含R0.02kmol/m3,要求A的最终浓度降到0.02kmol/m3，当原料的进料量为15m3/h时，求：的浓度为多少？?120已知k1=7.0L/(mol•min)，k2=3.0L/(mol•min)。两种液料各含纯A和纯B，以等体积流量加入到反应器中，一种含A2.8mol/L，另一种含B1.6mol/L，如果反应混合物的密度保持不变，B的转化率为75%，试求每种物料的流量。三十、在一体积为120升的全混流反应器中进行下述液相可逆反应：A+B==C+D已知A和纯A2.8mol/l，另一种含B1.6mol/l混合物的密度保持不变，B的转化率为75%，试求每种物料的流量。三十一、下列平行反应：P rPA R rRS rS

2cA1c2A

molminmolminmolmin已知c=2mol/L，生成P的反应为主反应，P为主产物，求：A0在单全混流反应器中所能得到的最大C；Pf在单平推流反应器中所能得到的最大C；PfA100P4 2 2 2 600105PaHOHCOCOC和4 2 2 2 A→Bn300KA20%12.6分钟，而340K达到同样的转化率仅需3.2分钟，试求该反应的活化能。4三十三、由甲烷和水蒸汽在600℃和105Pa条件下制备合成气时，有如下物种出现：CH、42 2 2 H2OHCOCO和CH2 2 2 三十四、合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯，多是由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式如下：C2H2 +HCl C2H3Cl由于乙炔价格高于氯化氢，通常使用的原料混合气中氯化氢是过量的，设其过量10%，若反应器出口气体中氯乙烯含量为摩尔化率。三十五、考虑如下连串反应：Ak1Bk2Ct=1.5minCB=0.6769kmol/m3，(1)计算反应速率常数k1和k2;(2)计算当t=1.5min时C(3)计算B的最大浓度CB，max及对应时间。三十六、丁烯在某催化剂上制丁二烯的总反应为C4H8 C4H6+H2，假设反应如下步骤进行：CH+Z===CH—Z48 48CH—Z===CH—Z+H48 46 2CH—Z===CH+Z46 46分别写出A（）写出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。A三十七、在一全混流反应器中进行不可逆液相反应A→R，其反应速度为rA=kC2，AA的转化率为50%。如果反应器的体积增大到原来的6少？？三十八、有一不可逆一级反应A→，在8℃时反应速率常数k=3.45-（）今10m3的全混釜反应器中进行，若最终转化率x为0.95，求该反应器处理的A（2）若改用两个容积相同的串联釜进行操作，最终转化率x及物料处理A量不变，则总的反应器容积为多少？（3）若改用N个容积相同的串联釜，当N的数目足够大时，试说明所需的反应器总容积趋近于平推流管式反应器在同样工艺条件下所需的反应器容积。973K下等温进行丁烯脱氢制丁二烯反应Cr kpC

（H A CH A CA+A

（，反应速率方程为2

A（kmol/(3·h。原料气为丁烯和水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分率为 10%，操作压力为105Pa，973K时，k为1.079×10-4kmol/(h·m3·Pa)。若要求丁烯转化率为0.35，求反应的空时及空速？四十、有一醋酐水溶液，在25℃条件下进行水解反应，在该温度下的速率方程为：A (r)，mol/(mincm3)。醋酐初浓度为C 1.5A

mol/cm3，进料流量为500cm3/min，现有两个2.5L和一个5L的全混流反应器，试回答下列问题：5L的全混流反应器操作，转化率是多少？2.5L全混流反应器串连操作，转化率是多少？2.5L2.5L少？四十一、某二级不可逆气-固相催化反应，(CbCes)/Cb0.5（Cb为气体主体相2Ces为催化剂颗粒外表面浓度，过程的内扩散影响可忽略，试求）有效因子η（）应用传质理论分析如何降低外扩散过程的影响。21四十二、某催化反应在500℃的催化剂粒子中进行，已知反应速率为：A (r)7.5103p2(mol/sg催化剂，式中Ap的单位为atA AρP

为0.8g/cA的分压pA

为0.1atm，粒子内A组分的扩散系数De为0.025cm2/s，试求西勒模数φ及内部效率因子η。2四十三、用阶跃法测定某一闭式流动反应器的停留时间分布，得到离开反应器的示踪物浓度与时间关系如下：t/s01525354555657595100C(t)/g·cm-300.51.02.03.04.05.56.57.07.7试求该反应器的停留时间分布及平均停留时间；若在该反应器内的物料为微观液体，且进行级不可逆反应，反应速率常数k0.05s1，预计反应器出口处的转化率；又是多少？四十四、有一自催化液相反应A→P，其速率方程为RA

kCCA

kmol/(m3min)，反应温度下，k1m3/(kmol

C 2kmol/m31000mol的原料，A0其中A占9％（mol，其余为P。要求最终转化率为9A0如果采用循环反应器，请你确定最佳循环比及反应体积。当循环比Ψ＝∝当循环比四十五、环氧乙烷与水反应生成乙二醇，副产二甘醇：CHOH2 4

Ok2k

CHOHCHOH2 2CHOCH2 4

OGCH2

OHk22

CHOH)O2 2 2这两个反应对各自的反应物均为1级，速率常数比k2/k12，原料中水与环氧乙烷的摩尔比为20，且不含产物。选择何种形式的反应器好？欲使乙二醇的收率最大，转化率为多少？（3）采用循环反应器以提高总转化率。你认为这种建议是否可行？如果循环比Ψ＝25，并使空时与的空时相等，则此时总转化率及乙二醇的收率是提高还是降低？四十六、现有反应体积为1 m3的活塞流反应器两个，氦用来分解浓度为3.2 kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮。该反应为1级不可逆反应，并在86℃等温下进行。此时反应速率常数等于0.08。过氧化氢异丙苯溶液处理量为2.4 m计算下列各种情况下过氧化氢异丙苯的转化率。两个反应器串联操作；

/min，试两个反应器并联操作，且保持两个反应器的原料处理量相同，即均等于 1.2m3/min；两个反应器并联操作但两者原料处理量之比为即一个为0.8 m

/min，另一个为1.6 m

/min；2的活塞流反应器代替；若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到4 kmol/m3，其余条件保持不变，那么上列各种情况的计算结果是否改变？相应的苯酚产量是否改变？四十七、在一活塞流反应器中进行下列反应：kA 1 P k2 Qk1k10.301,k20.101A3m3/h，其中不含PQ，试计算P需的反应体积。四十八、在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：CH3COOC2H5NaOHCH3COONaC2H5OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l，反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%。试问：1m3时，需要多长的反应时间？四十九、在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：其反应速率方程为：式中组分A若反应器的反应体积为23四十九、在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：其反应速率方程为：式中组分AB的为单位，温度的单位为K，该反应的热效应等于－4000。RB的为单位，温度的单位为K，该反应的热效应等于－4000。R