(2025年)化工工艺反应器设计试题及答案

(2025年)化工工艺反应器设计试题及答案一、选择题（每题3分，共15分）1.对于一级不可逆液相反应A→B，在相同的进料流量、初始浓度和转化率下，下列反应器体积最小的是（）。A.单个全混流反应器（CSTR）B.两个等体积CSTR串联C.平推流反应器（PFR）D.单个CSTR与PFR并联（总处理量相同）2.某绝热操作的固定床反应器中进行放热反应，若原料气入口温度升高5℃，其他条件不变，则床层最高温度将（）。A.升高超过5℃B.升高5℃C.升高小于5℃D.降低3.停留时间分布（RTD）曲线中，方差σ²=0.2的反应器更接近（）。A.平推流反应器B.全混流反应器C.多级全混流串联（N=5）D.间歇反应器4.对于气固催化反应A→B，若反应速率由内扩散控制，提高反应速率的有效措施是（）。A.增大催化剂颗粒直径B.降低反应温度C.提高反应压力D.减小催化剂颗粒直径5.某连续操作的搅拌釜式反应器（CSTR）中，物料密度ρ=1000kg/m³，体积流量Q=0.1m³/h，反应器体积V=0.5m³，则物料的空时τ为（）。A.0.5hB.5hC.2hD.0.2h二、填空题（每空2分，共20分）1.平推流反应器的设计方程为________（以转化率x表示，反应速率r=-dC_A/dt=kC_A^n）。2.全混流反应器的体积计算公式为V=________（进料流量Q₀，初始浓度C_A0，出口转化率x_A）。3.对于自催化反应A→B（速率r=kC_AC_B），最优反应体积对应的转化率需满足________条件。4.催化剂失活的主要类型包括________、________和________。5.绝热反应器的热量衡算中，反应热与物料温度变化的关系式为________（ΔH为反应热，C_p为物料定压热容）。6.多级全混流反应器串联时，总转化率随串联级数增加而________（填“增大”“减小”或“不变”）。三、简答题（每题8分，共32分）1.比较平推流反应器（PFR）与全混流反应器（CSTR）在动力学特性上的差异，并说明各自适用的反应类型。2.简述停留时间分布（RTD）的测定方法及主要参数（如无因次方差σ²）的物理意义。3.固定床反应器中，催化剂床层的压力降对操作有何影响？可通过哪些措施降低压力降？4.对于强放热反应，选择反应器时需重点考虑哪些因素？举例说明常用的控温措施。四、计算题（共40分）1.一级液相反应动力学与反应器体积计算（15分）某一级不可逆液相反应A→B，动力学方程为-r_A=kC_A，k=0.5h⁻¹（50℃）。原料液中C_A0=2mol/L，流量Q=10m³/h，要求转化率x_A=80%。（1）计算平推流反应器（PFR）所需体积V_PFR；（2）计算单个全混流反应器（CSTR）所需体积V_CSTR；（3）若采用两个等体积CSTR串联，求每个反应器的体积V₁=V₂，并比较总反应体积与PFR、单个CSTR的差异。2.绝热反应器温度与转化率计算（15分）某气相放热反应A→B，ΔH=-120kJ/mol（以A计），原料气为纯A，入口温度T₀=400K，流量F_A0=100mol/h，平均定压热容C_p=30J/(mol·K)（假设物料与产物热容相同）。反应器绝热操作，忽略压降与热损失。（1）推导绝热条件下转化率x_A与温度T的关系式；（2）若反应速率方程为-r_A=kC_A，k=0.1h⁻¹（400K时），且k随温度变化符合阿伦尼乌斯方程k=k₀exp(-E/RT)（E=50kJ/mol），求当x_A=60%时反应器内的温度T及反应速率-r_A（R=8.314J/(mol·K)）。3.反应器串联与并联优化（10分）现有两台体积均为V的CSTR，拟用于处理流量为Q的物料，进行一级不可逆反应。比较以下两种操作方式的总转化率：（1）两台串联；（2）两台并联（每台处理流量Q/2）。五、综合分析题（共33分）某公司拟建设一套年产10万吨醋酸的生产装置，采用甲醇羰基化法（反应式：CH₃OH+CO→CH₃COOH），反应为液相均相放热反应（ΔH=-130kJ/mol），动力学方程为-r_A=kC_CH₃OH·C_CO（k=0.05m³/(mol·h)，50℃时）。原料甲醇浓度C_A0=5mol/L，CO分压p_CO=3MPa（假设CO在液相中溶解度符合亨利定律，H=0.1MPa·L/mol），进料流量Q=20m³/h，要求甲醇转化率x_A=95%。（1）分析该反应适合的反应器类型（PFR或CSTR），并说明理由；（2）计算所选反应器的体积；（3）若反应温度需控制在50±2℃，设计反应器的换热方案（需给出换热面积计算所需的关键参数及公式，假设总传热系数K=500W/(m²·K)，冷却介质进出口温差ΔT_m=10℃）；（4）提出反应器操作中的安全风险及控制措施（至少3项）。答案一、选择题1.C（PFR在相同条件下体积最小）2.A（放热反应绝热操作时，入口温度升高会导致反应速率加快，释放更多热量，床层温度升高超过入口温升）3.C（多级全混流串联的方差σ²=1/N，N=5时σ²=0.2）4.D（内扩散控制时，减小颗粒直径可缩短扩散路径，提高反应速率）5.B（空时τ=V/Q=0.5/0.1=5h）二、填空题1.V=Q₀∫(0→x_A)(dx_A)/(kC_A0(1-x_A)^n)2.V=Q₀C_A0x_A/(kC_A0(1-x_A))（或简化为V=Q₀x_A/[k(1-x_A)]，适用于一级反应）3.dV/dx_A=0（或反应速率对转化率的导数为0）4.烧结失活、中毒失活、结焦失活5.F_A0(-ΔH)x_A=F_A0C_p(T-T₀)（或简化为T=T₀+(-ΔHx_A)/C_p）6.增大三、简答题1.差异：PFR中物料无返混，浓度沿轴向单调递减，反应速率随位置变化；CSTR中物料完全混合，出口浓度等于反应器内浓度，反应速率为常数。适用反应：PFR适合级数≥1的反应（速率随浓度降低而下降，需维持高浓度区域）；CSTR适合自催化反应（需低浓度产物启动反应）或级数≤0的反应（低浓度下速率更高）。2.测定方法：脉冲示踪法（注入瞬时示踪剂，测出口浓度随时间变化）和阶跃示踪法（突然切换进料为示踪剂，测出口浓度变化）。参数意义：无因次方差σ²=σ_t²/τ²，σ²=0对应PFR（无返混），σ²=1对应CSTR（完全返混），0<σ²<1对应多级串联或非理想流动。3.压力降影响：压力降过大会增加动力消耗，甚至导致催化剂床层流化或破损；同时可能改变物料停留时间，影响转化率。降低措施：增大催化剂颗粒直径（减少床层孔隙率阻力）、采用球形催化剂（降低形状因子）、优化床层高度与直径比（避免过高床层）。4.考虑因素：热量移除能力（避免飞温）、温度分布均匀性（防止局部过热）、反应器材质（耐温耐腐蚀）。控温措施：例如釜式反应器可设置夹套或内盘管换热；固定床反应器可采用列管式结构（管内催化剂，管间通冷却介质）；或采用惰性载体稀释催化剂以降低反应热强度。四、计算题1.一级反应反应器体积计算（1）PFR体积：一级反应积分得：V_PFR=Q₀C_A0∫(0→0.8)[dx_A/(kC_A0(1-x_A))]=(Q₀/k)ln(1/(1-x_A))代入数据：Q₀=10m³/h=10⁴L/h，k=0.5h⁻¹，x_A=0.8V_PFR=(10⁴/0.5)×ln(1/0.2)=2×10⁴×1.609≈3.218×10⁴L=32.18m³（2）CSTR体积：V_CSTR=Q₀C_A0x_A/(kC_A0(1-x_A))=Q₀x_A/[k(1-x_A)]=10×0.8/(0.5×0.2)=80m³（3）两个等体积CSTR串联：设第一台出口转化率x₁，第二台出口x₂=0.8。对第一台：V₁=Q₀C_A0x₁/[kC_A0(1-x₁)]=Q₀x₁/[k(1-x₁)]对第二台：V₂=Q₀C_A0(x₂-x₁)/[kC_A0(1-x₂)]=Q₀(0.8-x₁)/[k(1-0.8)]=Q₀(0.8-x₁)/(0.5×0.2)=10(0.8-x₁)/0.1=100(0.8-x₁)因V₁=V₂，故10x₁/(0.5×0.2)=100(0.8-x₁)→10x₁/0.1=100(0.8-x₁)→100x₁=80-100x₁→x₁=0.4则V₁=10×0.4/(0.5×0.6)=10×0.4/0.3≈13.33m³，总V=2×13.33≈26.66m³比较：串联总V（26.66m³）<PFR（32.18m³）<单个CSTR（80m³）。2.绝热反应器温度与速率计算（1）绝热热量衡算：F_A0(-ΔH)x_A=F_A0C_p(T-T₀)→T=T₀+(-ΔHx_A)/C_p代入数据：ΔH=-120kJ/mol=-120×10³J/mol，C_p=30J/(mol·K)，T₀=400K得：T=400+(120×10³x_A)/30=400+4000x_A（2）x_A=0.6时，T=400+4000×0.6=2800K（注：实际中放热反应绝热温升可能过高，此处为理论计算）。阿伦尼乌斯方程：k=k₀exp(-E/RT)，已知400K时k=0.1h⁻¹，代入求k₀：0.1=k₀exp(-50×10³/(8.314×400))→0.1=k₀exp(-15.03)→k₀=0.1×exp(15.03)≈0.1×3.3×10⁶=3.3×10⁵h⁻¹2800K时，k=3.3×10⁵×exp(-50×10³/(8.314×2800))≈3.3×10⁵×exp(-2.15)≈3.3×10⁵×0.117≈3.86×10⁴h⁻¹C_A=C_A0(1-x_A)，C_A0=F_A0/(Q)（假设Q为体积流量，因气相反应需考虑温度压力，但题目未给，简化为C_A=C_A0(1-x_A)），此处C_A0=F_A0/(Q)，但Q=F_A0RT/(p)（理想气体），因p未知，假设C_A=C_A0(1-x_A)=(F_A0/(Q))(1-x_A)，但Q=F_A0RT/p，故C_A=p(1-x_A)/(RT)。因p未知，题目未要求具体浓度，可简化为：-r_A=kC_A=kC_A0(1-x_A)=3.86×10⁴×C_A0×0.4（若C_A0=F_A0/Q=100mol/h/Q，Q=F_A0RT/p，需更多数据，此处可能题目简化，直接保留表达式）。3.串联与并联转化率比较设反应速率-r_A=kC_A，一级反应。（1）串联：两台CSTR体积均为V，总流量Q。第一台：V=QC_A0x₁/(kC_A0(1-x₁))→x₁=kV/(Q+kV)第二台：V=QC_A0(x₂-x₁)/(kC_A0(1-x₂))→(x₂-x₁)/(1-x₂)=kV/Q→x₂=(x₁+kV/Q)/(1+kV/Q)代入x₁=kV/(Q+kV)，得x₂=(kV/(Q+kV)+kV/Q)/(1+kV/Q)=[kVQ+kV(Q+kV)]/[Q(Q+kV)(1+kV/Q)]=[2kVQ+k²V²]/[Q(Q+kV)+kV(Q+kV)]=[k(2QV+kV²)]/[(Q+kV)(Q+kV)]=kV(2Q+kV)/(Q+kV)²总转化率x₂=[kV(2Q+kV)]/(Q+kV)²（2）并联：每台流量Q/2，体积V。单台转化率x：V=(Q/2)C_A0x/(kC_A0(1-x))→x=kV/(Q/2+kV)=2kV/(Q+2kV)总转化率为x（两台并联后出口浓度相同）。比较：串联转化率高于并联（例如取kV/Q=1，串联x₂=(1×(2+1))/(1+1)²=3/4=0.75；并联x=2×1/(1+2)=2/3≈0.667）。五、综合分析题（1）反应器选型：选择CSTR。理由：反应为液相均相，需维持CO与甲醇的均匀混合（CO为气体，需充分溶解）；放热反应需及时移热，CSTR混合均匀，温度控制更稳定；动力学为双组分浓度乘积（r=kC_AC_B），CSTR中低浓度甲醇与高浓度CO接触（因CO分压恒定，溶解度稳定），可维持较高反应速率（若用PFR，甲醇浓度沿程降低，速率下降更快）。（2）体积计算：CO溶解度C_CO=p_CO/H=3MPa/(0.1MPa·L/mol)=30mol/L（假设H为亨利常数，单位正确）。反应速率-r_A=kC_CH₃OH·C_CO=0.05×C_A×30=1.5C_A（C_A为甲醇浓度，单位mol/L）。CSTR设计方程：V=Q(C_A0-C_A)/(-r_A)=QC_A0x_A/(kC_AC_CO)