《化学反应工程》试题与答案

...wd......wd......wd...?化学反响工程?试题一、填空题质量传递、热量传递、动量传递和化学反响称为三传一反.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。总反响级数不可能大于3。反响速率-rA=kCACB的单位为kmol/m3·h，速率常数k的因次为m3/kmol·h。反响速率-rA=kCA的单位为kmol/kg·h，速率常数k的因次为m3/kg·h。反响速率的单位为mol/L·s，速率常数k的因次为(mol)1/2·L-1/2·s。反响速率常数k与温度T的关系为，其活化能为83.14kJ/mol。某反响在500K时的反响速率常数k是400K时的103倍，那么600K时的反响速率常数k时是400K时的105倍。某反响在450℃时的反响速率是400℃时的10倍，那么该反响的活化能为〔设浓度不变〕186.3kJ/mol。非等分子反响2SO2+O2==2SO3的膨胀因子等于-0.5。非等分子反响N2+3H2==2NH3的膨胀因子等于–2/3。反响N2+3H2==2NH3中〔〕=1/3〔〕=1/2在平推流反响器中进展等温一级不可逆反响，反响物初浓度为CA0，转化率为xA，当反响器体积增大到n倍时，反响物A的出口浓度为CA0(1-xA)n，转化率为1-(1-xA)n。在全混流反响器中进展等温一级不可逆反响，反响物初浓度为CA0，转化率为xA，当反响器体积增大到n倍时，反响物A的出口浓度为，转化率为。反响活化能E越大，反响速率对温度越敏感。对于特定的活化能，温度越低温度对反响速率的影响越大。某平行反响主副产物分别为P和S，选择性SP的定义为(nP-nP0)/(nS-nS0)。某反响目的产物和着眼组分分别为P和A其收率ΦP的定义为(nP-nP0)/(nA0-nA)。均相自催化反响其反响速率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反响速率。根据反响机理推导反响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。平推流反响器的返混为0；全混流反响器的返混为∞。空时的定义为反响器体积与进口体积流量之比。针对着眼组分A的全混流反响器的设计方程为。不考虑辅助时间，对反响级数大于0的反响，分批式完全混合反响器优于全混流反响器。反响级数>0时，多个全混流反响器串联的反响效果优于全混流反响器。反响级数<0时，多个全混流反响器串联的反响效果差于全混流反响器。反响级数>0时，平推流反响器的反响效果优于全混流反响器。反响级数<0时，平推流反响器的反响效果差于全混流反响器。对反响速率与浓度成正效应的反响分别采用全混流、平推流、多级串联全混流反响器其反响器体积的大小关系为全混流＞多级串联全混流＞平推流；通常自催化反响较合理的反响器组合方式为全混流+平推流。一样转化率下，可逆放热反响的平衡温度高于最优温度。主反响级数大于副反响级数的平行反响，优先选择平推流反响器。主反响级数小于副反响级数的平行反响，优先选择全混流反响器。要提高串联反响中间产物P收率，优先选择平推流反响器。主反响级活化能小于副反响活化能的平行反响，宜采用低温操作。主反响级活化能大于副反响活化能的平行反响，宜采用高温操作。停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式。定常态连续流动系统，F(0)=0；F(∞)=1。定常态连续流动系统，F(t)与E(t)的关系。平均停留时间是E(t)曲线的分布中心；与E(t)的关系为。方差表示停留时间分布的分散程度；其数学表达式为。采用无因次化停留时间后，E(θ)与E(t)的关系为。采用无因次化停留时间后，F(θ)与F(t)的关系为F(θ)=F(t)。无因次方差与方差的关系为。平推流反响器的=0；而全混流反响器的=1。两种理想流动方式为平推流和全混流。非理想流动的数值范围是0~1。循环操作平推流反响器循环比越大返混越大。循环操作平推流反响器当循环比β=0时为平推流；当β=∞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。多级全混釜串联模型当釜数N=1为全混流，当N=∞为平推流。全混流的E(t)=；F(t)=。平推流的E(t)=0当、=∞当；F(t)=0当、=1当。轴向分散模型中，Pe准数越小返混越大。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。对于管式反响器，流速越大越接近平推流；管子越长越接近平推流。为使管式反响器接近平推流可采取的方法有提高流速和增大长径比。对于平推流反响器，宏观流体与微观流体具有一样的反响结果。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。化学吸附的吸附选择性要高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，化学吸附越强；在气固相催化反响中动力学控制包括外表吸附、外表反响和外表脱附。气固相催化反响本征动力学指消除内外扩散对反响速率的影响测得的动力学。气固相催化反响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。在气固相催化反响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。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。气固相催化串联反响，内扩散的存在会使中间产物的选择性下降。气固相催化平行反响，内扩散的存在会使高级数反响产物的选择性下降。Thiele模数的物理意义反映了外表反响速率与内扩散速率之比。催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反响速率/催化剂内部浓度和温度与外外表上的相等时的反响速率。催化剂粒径越大，其Thiele模数越大，有效系数越小；气固相非催化反响缩核模型中气相反响物A的反响历程主要有三步，分别是气膜扩散、灰层扩散和外表反响。自热式反响是指利用反响自身放出的热量预热反响进料。固定床反响器的主要难点是反响器的传热和控温问题。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使操作温度尽可能接近最优温度线。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＞颗粒密度＞堆密度。对于体积为VP外外表积为aP的颗粒其体积当量直径为、面积当量直径为、比外表当量直径为。固定床最优分段的两个必要条件是前一段出口反响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。二、计算分析题在恒容条件下，反响A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB=20kmol/m3时，计算反响转化率xA、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=20kmol/m3=60kmol/m3xA=(CA0-CA)/CA0=0.4在恒压条件下，反响A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB=20kmol/m3时，反响转化率xA、xB及各组分的浓度。解：δB=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5n=n0(1+yB0δBxB)=n0(1-0.5xB)在恒压条件下：V=V0n/n0=V0(1-0.5xB)CB=nB/V=nB0(1-xB)/[V0(1-0.5xB)]=CB0(1-xB)/(1-0.5xB)xB=8/9nA0-nA=(nB0-nB)/2xA=(nA0-nA)/nA0=(nB0-nB)/(2nA0)=(nB0-nB)/(2nB0)=0.5xB=4/9串联-平行反响A+B==R，A+R==S，原料中各组分的浓度为CA0=2.0mol/L，CB0=4.0mol/L，CR0=CS0=0，在间歇反响器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5mol/L，计算此时组分B和S的浓度。解：在恒容条件下：ΔCA1=CB0-CB；ΔCA2=CS；CR=(CB0-CB)-CS；CA0-CA=ΔCA1+ΔCA2得到：CS=(CA0-CA-CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1mol/LCB=CB0-CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4mol/L在间歇反响器中进展等温2级、1级、0级均相反响，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：在间歇反响器中：0级反响：，1级反响：，2级反响：，在等温恒容条件下进展以下气相反响：A→2R其反响速率方程为，试推导：以A组分转化率xA表示的反响速率方程；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〕〔2〕δA=(2-1)/1=1yA0=0.5n=n0(1+yA0δAxA)=n0(1+0.5xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2在间歇反响器中进展等温二级反响A==B，反响速率：当CA0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反响至CA=0.01mol/L所需的时间。解：在间歇反响器中可视为恒容反响可视为：当CA0=1mol/L时，t=9900s当CA0=5mol/L时，t=9950s当CA0=10mol/L时，t=9990slnk1/T试画出反响速率常数klnk1/T解：lnk与1/T作图为一直线某气相恒容反响在400K时的速率式为：MPa/h，〔1〕试问反响速率常数的单位是什么〔2〕假设速率式写成kmol/(m3·h)，试问此反响的速率常数为多少解：〔1〕反响速率常数的单位：(h·MPa)-1〔2〕m3/(kmol·h)等温下在间歇反响器中进展一级不可逆液相分解反响A==B+C，在5min内有50%的A分解，要到达分解率为75%，问需多少反响时间假设反响为2级，那么需多少反响时间解：一级反响：二级反响：液相自催化反响A==B的速率方程为mol/(L·h)，在等温间歇釜中测定反响速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L，经过1小时后可测得反响速率最大值，求该温度下的反响速率常数k。解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA反响速率最大时：，得到CA=0.5mol/L对反响速率式积分得到，代入数据得到k=2.944L/(mol·h)对于气相反响：A→3P其反响速率方程为-rA=kCA，试推导在恒容条件下以总压P表示的反响速率方程。假定原料为50%A和50%惰性组分，气体符合理想气体。解：在恒容条件下δA=(3-1)/1=2yA0=0.5n=n0(1+yA0δAxA)=n0(1+xA)xA=n/n0-1=P/P0-1对于气相反响：A→3P其反响速率方程为-rA=kCA，在一平推流反响器中进展等温恒压反响。反响器体积为V，原料体积流量为v0，初始浓度为CA0。试推导：其反响器设计方程，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：δA=(3-1)/1=2yA0=1等温恒压：v=v0(1+yA0δAxA)=v0(1+2xA)k1k1k2APS目的产物为P，反响器体积为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浓度到达最大所需的空时，即最优空时。解：全混流反响器中对A组分作物料衡算对P组分作物料衡算：P的总收率：P的总选择性：P的浓度到达最大需满足：得到最优空时：某一级气相反响A==2P，反响速率常数k=0.5min-1，按以下条件进展间歇恒容反响，1min后反响器内的总压为多少反响条件：(1)1atm纯A；(2)10atm纯A；(3)1atmA和9atm惰性气体。解：一级反响：δA=(2-1)/1=1n=n0(1+δAyA0xA)=n0(1+yA0xA)P=P0(1+yA0xA)1atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=1.393atm10atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=13.93atm1atmA和9atm惰性气体：yA0=0.1P=P0(1+yA0xA)=10.393atm某二级液相反响A+B==C，在间歇全混釜反响器中到达xA=0.99需反响时间为10min，问：〔1〕在平推流反响器中进展时，空时τ为多少〔2〕在全混流反响器中进展时，空时τ为多少〔3〕假设在两个等体积串联全混流反响器中进展时，空时τ又为多少解：〔1〕在平推流反响器中：〔2〕在全混流反响器中：〔3〕两个等体积串联全混流反响器中：第一个釜第二个釜由试差法计算得到：τ=51.5min自催化反响A+R→2R其速率方程为：-rA=kCACR在等温条件下进展反响，CA0和CR0，要求最终转化率为xAf。为使反响器体积最小。试问：最适宜的理想反响器组合方式；此最小反响器总体积表达式；在FA0/(-rA)～xA图上表示各反响器的体积。解：〔1〕最适宜的理想反响器组合方式：全混釜反响器串联平推流反响器〔2〕反响速率最大点是两个反响器的分界点。CA+CR=CA0+CR0CR=CA0+CR0-CA=CM-CA反响速率最大时，d(-rA)/dt=0CA=0.5CM①假设CAf≥0.5CM，即，仅用一个全混釜即可②假设CAf＜0.5CM，即全混釜体积：平推流体积：V=Vm+VPFA0FA0/(-rA)VPVmVPVm0xAf0xAf对于反响速率方程为的液相反响，为到达一定的生产能力，试讨论当n＞0、n=0和n＜0时，如何选择型式〔平推流或全混流〕使反响器体积最小，并简单说明理由，并在图上表示反响器的体积。解：当n=0时，反响速率与反响物浓度无关，故与反响器型式无关。当n＞0时，反响速率与反响物浓度呈正效应，而平推流反响器的浓度水平明显高于全混流型式，应选择平推流反响器。当n＜0时，反响速率与反响物浓度呈负效应，而平推流反响器的浓度水平明显高于全混流型式，应选择全混流反响器。n=0FA/(-rA)xAFA/(-rA)xAn=0FA/(-rA)xAFA/(-rA)xAFA/(-rA)n=0FA/(-rA)n=0n＞0xAxA一级等温反响A==P，活化能为83140J/mol，在平推流反响器中进展反响，反响温度为420K，反响器体积为Vp，如改为全混流反响器，其体积为Vm，为到达一样的转化率xA=0.6，〔1〕假设反响操作温度一样，那么Vm/Vp之值应为多少〔2〕假设Vm/Vp=1，那么全混流反响器的操作温度应为多少解：〔1〕〔2〕Vm/Vp=1，同样得到：代入数据得到：Tm=440K等温二级反响，依次经过体积相等的平推流反响器和全混流反响器，出口转化率为0.99，假设将两个反响器改换次序，问出口转化率为多少解：等温二级反响得到，平推流全混流：将平推流反响器+全混流反响器时的条件代入，计算得到：kCA0τ=61.53全混流反响器+平推流反响器：先计算全混流出口xA=0.884全混流出口xA就是平推流进口xA，计算平推流出口xA=0.986等温一级反响，依次经过体积相等的平推流反响器和全混流反响器，出口转化率为0.99，假设将两个反响器改换次序，问出口转化率为多少解：等温一级反响得到，平推流全混流：将平推流反响器+全混流反响器时的条件代入，计算得到：kτ=3.175全混流反响器+平推流反响器：先计算全混流出口xA=0.760全混流出口xA就是平推流进口xA，计算平推流出口xA=0.99液相二级不可逆反响A+B==C，CA0=CB0，在平推流反响器进展试验，当τ=10min时xA=0.99，问在一样温度下为到达一样转化率，采用〔1〕在全混流反响器中进展时，空时τ为多少〔2〕假设在两个等体积串联全混流反响器中进展时，空时τ又为多少在恒温恒容下进展下式所示的自催化反响：A+R→2R，其速率方程为，初始浓度分别为和，试推导其在间歇釜中到达最大反响速率时的时间和A组分的浓度，假设采用连续操作，应采用何种理想反响器组合方式，可使反响器总体积最小，并用示意图进展表示。平行反响：APrP=1SrS=2CATrT=CAAPrP=1SrS=2CATrT=CA2等温一级不可逆串联反响ARS，进料为纯A浓度为CA0，连续操作空时为τ，试分别推导出反响器出口各组分的浓度：〔1〕平推流反响器；〔2〕全混流反响器。APAPrP=k1CASrS=k2CA进料为纯A浓度为CA0，连续操作空时为τ，试分别推导出反响器出口各组分的浓度：〔1〕平推流反响器；〔2〕全混流反响器。VmPFRCSTRVpv0VmPFRCSTRVpv0举出与它有一样停留时间分布的另一种流动模型，这说明了什么问题。液相反响R(主反响R(主反响)rR=k1CA0.6CB1.2A+BS(副反响)rS=k2CA2.0CB0.2ABBAABAB①②③④从有利于产品分布的观点，〔1ABBAABAB①②③④试采用脉冲示踪法推导全混流反响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响器的停留时间分布函数和分布密度函数。画出平推流反响器、全混流反响器、平推流和全混流反响器串联及全混流和平推流反响器串联的停留时间分布密度函数E(t)和分布函数F(t)F(θ)和E(θ)分别为闭式流动反响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〕假设反响器为平推流反响器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)〔2〕假设反响器为全混流反响器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)〔3〕假设反响器为一非理想反响器，试求：(a)F(∞)；(b)E(∞)；(c)F(0)；(d)E(0)；(e)；(f)丁烯在某催化剂上反响的到丁二烯的总反响为C4H8(A)==C4H6(B)+H2(C)假设反响按如下步骤进展：A+σAσAσBσ+CBσB+σ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；外表反响控制。乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反响C2H2(A)+HCl(B)==C2H3Cl(C)其动力学方程式可有如下几种形式：〔1〕〔2〕〔3〕试分别列出反响机理和控制步骤气固相催