2025年化学工程师职业资格考试《化学反应工程》备考题库及答案

2025年化学工程师职业资格考试《化学反应工程》备考题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某气相分解反应A→3B，在恒容间歇反应器中进行，初始压力为p₀，反应至某时刻总压为p，则此时A的转化率xₐ为（）A.(pp₀)/(2p₀)B.(pp₀)/(p₀)C.(pp₀)/(3p₀)D.(2p₀p)/(p₀)2.已知某反应的速率方程为rₐ=kCₐ²Cᵦ，当Cᵦ浓度保持过量（变化可忽略）时，反应表现为（）A.零级反应B.一级反应C.二级反应D.三级反应3.对于不可逆放热反应，在全混流反应器中进行时，为达到最高转化率，最佳操作温度应（）A.随转化率升高而升高B.随转化率升高而降低C.保持恒定D.先升高后降低4.停留时间分布的无因次方差σθ²=0.2，该反应器流动特性更接近（）A.平推流（σθ²≈0）B.全混流（σθ²=1）C.多釜串联模型（N=5）D.轴向扩散模型（Pe=10）5.某一级液相反应在平推流反应器中进行，转化率为90%，若改用全混流反应器且k、Cₐ₀、v不变，所需反应器体积为平推流的（）倍A.1B.10C.100D.1/106.催化剂失活的主要类型不包括（）A.烧结B.中毒C.结焦D.活化7.对于自催化反应A+P→2P（r=kCₐCₚ），最优反应器组合为（）A.平推流反应器串联全混流反应器B.全混流反应器串联平推流反应器C.单台平推流反应器D.单台全混流反应器8.某反应的阿伦尼乌斯方程为k=10⁵exp(80000/RT)（R=8.314J/(mol·K)），则反应的活化能Eₐ为（）kJ/molA.80B.80000C.8.314D.10⁵9.对于多级全混流反应器串联，当串联级数N→∞时，总转化率趋近于（）A.全混流反应器的转化率B.平推流反应器的转化率C.零D.100%10.下列关于间歇反应器的描述，错误的是（）A.适用于小批量、多品种生产B.物料在反应器内的停留时间相同C.反应器内浓度、温度均一D.需考虑辅助操作时间对生产能力的影响二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.影响化学反应速率的主要因素包括（）A.反应物浓度B.反应温度C.催化剂D.反应器材质2.平推流反应器（PFR）的特点有（）A.轴向无返混B.径向浓度均一C.出口物料停留时间相同D.适合快速反应3.非理想流动的主要模型包括（）A.轴向扩散模型B.多釜串联模型C.全混流模型D.平推流模型4.催化剂的基本特性包括（）A.改变反应路径B.提高平衡转化率C.降低活化能D.具有选择性5.对于n级不可逆反应（n>0），相同转化率下，所需反应器体积从小到大的顺序可能为（）A.平推流<全混流B.全混流<平推流C.多釜串联（N=3）<全混流D.多釜串联（N=3）>平推流三、填空题（每空2分，共20分）1.阿伦尼乌斯公式的表达式为k=__________，其中参数Eₐ表示__________。2.全混流反应器（CSTR）的物料衡算基本方程为__________（用FA₀、xA、rₐ表示）。3.停留时间分布的两个最基本统计特征是__________和__________。4.对于一级反应，平推流反应器的反应时间t与空时τ的关系为__________（恒容条件）。5.催化剂失活的三种主要类型是__________、__________和__________。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述平推流反应器（PFR）与全混流反应器（CSTR）的本质区别，并说明对于n>0的不可逆反应，为何PFR所需体积通常小于CSTR。2.解释“空速”与“空时”的定义及两者关系，说明空速增大对反应器生产能力的影响（恒容反应）。3.什么是“停留时间分布（RTD）”？如何通过脉冲示踪法测定RTD曲线？4.催化剂的“活性”“选择性”“稳定性”分别指什么？工业上如何评价催化剂的综合性能？5.对于可逆放热反应，为何存在“最佳反应温度曲线”？实际操作中如何接近该曲线？五、应用题（共35分）（一）计算题（15分）某一级液相分解反应A→B，速率常数k=0.2min⁻¹，原料中A的初始浓度Cₐ₀=2mol/L，体积流量v=10L/min。（1）若采用间歇反应器，辅助操作时间t₀=10min，要求A的转化率xA=90%，求反应器的有效体积V（假设反应过程中体积不变）。（2）若改用全混流反应器（CSTR），保持xA=90%，求所需反应器体积V₀，并比较与间歇反应器的体积差异（忽略间歇反应器的辅助时间影响时）。（二）分析题（10分）某公司拟用平推流反应器（PFR）生产产品P，反应为A→P（一级不可逆），现发现实际转化率低于理论计算值。请从反应器流动特性、动力学参数、操作条件三个方面分析可能的原因。（三）综合题（10分）某气相反应A→2B，在恒压平推流反应器中进行（可视为理想气体），初始温度T₀=500K，压力p₀=0.1MPa，体积流量v₀=10m³/h，速率常数k=0.5h⁻¹（以分压表示的速率方程：rₐ=kpₐ）。（1）推导以转化率xA表示的反应器体积V的表达式（提示：恒压下体积随转化率变化）。（2）计算当xA=80%时所需的反应器体积V。答案及解析一、单项选择题1.A解析：恒容气相反应A→3B，总物质的量n=n₀(1+2xA)，总压p=p₀(1+2xA)，解得xA=(pp₀)/(2p₀)。2.C解析：Cᵦ过量时，Cᵦ≈常数，速率方程简化为rₐ=k’Cₐ²（k’=kCᵦ），表现为二级反应。3.B解析：放热反应的最佳温度随转化率升高而降低，以平衡反应速率与平衡转化率的关系。4.C解析：多釜串联模型中σθ²=1/N，N=1/0.2=5，故接近5釜串联。5.B解析：平推流体积Vₚ=vCₐ₀∫(0→0.9)dxA/(kCₐ₀(1xA))=v/k·ln(10)；全混流体积Vₘ=vCₐ₀xA/(kCₐ₀(1xA))=v·0.9/(0.1k)=9v/k；Vₘ/Vₚ=9/(ln10)≈10（ln10≈2.303）。6.D解析：催化剂失活包括烧结（高温下晶粒长大）、中毒（活性位被覆盖）、结焦（积碳覆盖），活化是提高活性的过程。7.B解析：自催化反应初期速率低（Cₚ小），需用全混流提高Cₚ浓度；后期速率高，用平推流提高转化率。8.A解析：阿伦尼乌斯公式k=Aexp(Eₐ/RT)，对比得Eₐ=80000J/mol=80kJ/mol。9.B解析：N→∞时，多釜串联反应器趋近于平推流，转化率趋近于平推流结果。10.C解析：间歇反应器内浓度随时间变化，非均一（仅同一时刻各点均一）。二、多项选择题1.ABC解析：反应器材质一般不直接影响反应速率（除非参与催化）。2.ABCD解析：平推流轴向无返混，径向均一，出口停留时间相同，适合快速反应（减少返混损失）。3.AB解析：非理想流动模型包括轴向扩散模型（连续模型）和多釜串联模型（离散模型），全混流和平推流是理想模型。4.ACD解析：催化剂不改变平衡转化率（仅改变达到平衡的速率）。5.AC解析：n>0时，平推流体积<多釜串联<全混流；N越大，多釜串联越接近平推流，体积越小。三、填空题1.Aexp(Eₐ/RT)；活化能2.V=FA₀xA/(rₐ)3.平均停留时间t（或τ）；方差σ²（或σθ²）4.t=τ5.中毒；烧结（或热失活）；结焦（或积碳）四、简答题1.本质区别：PFR轴向无返混，物料停留时间相同；CSTR轴向完全返混，物料停留时间分布宽。对于n>0的反应，反应速率随Cₐ降低而减小。PFR中反应物浓度沿程递减，平均反应速率高于CSTR（CSTR内浓度等于出口浓度，为最低值），故达到相同转化率时PFR体积更小。2.空速（SV）：单位时间内通过反应器的物料体积与反应器体积之比（SV=v/V），单位h⁻¹；空时（τ）：反应器体积与物料体积流量之比（τ=V/v），单位h。两者关系：SV=1/τ（恒容）。空速增大（τ减小），反应器处理能力提高，但转化率可能降低（停留时间不足）。3.停留时间分布（RTD）：反应器中物料停留时间的概率分布，描述物料在反应器内的流动状态。脉冲示踪法：在入口瞬间注入示踪剂（如阶跃输入改为脉冲），记录出口示踪剂浓度随时间变化的曲线C(t)，RTD函数E(t)=C(t)/∫C(t)dt（归一化后）。4.活性：催化剂加速反应的能力（常用单位时间单位质量催化剂的反应量表示）；选择性：催化剂促进目标反应、抑制副反应的能力（选择性=目标产物生成量/反应物转化总量）；稳定性：催化剂在长期使用中保持活性和选择性的能力（抗失活能力）。工业评价需综合考察活性选择性稳定性的平衡，同时考虑成本、再生性能等。5.可逆放热反应的速率由动力学（随温度升高而加快）和热力学（随温度升高平衡转化率降低）共同决定。存在一个最佳温度T_opt，使反应速率最大。随着转化率升高，平衡温度降低，最佳温度曲线需随转化率升高而降低。实际操作中可通过分段控温（如多段绝热反应器间设置冷却）或使用换热式反应器接近该曲线。五、应用题（一）计算题（1）间歇反应器反应时间t=(1/k)ln(1/(1xA))=(1/0.2)ln(10)=5×2.303≈11.515min总操作时间t总=t+t₀=11.515+10=21.515min处理量=v×t总=10L/min×21.515min=215.15L（体积流量为10L/min，即每分钟处理10L原料，故反应器体积需满足一次处理量）但正确计算应为：间歇反应器体积V=v×t总（因每批处理时间t总内，需处理v×t总体积的原料），但实际应为V=v×t（反应时间内的体积）+辅助时间不影响体积（体积由反应时间内的物料量决定）。正确公式：V=v×t=10L/min×11.515min≈115.15L（辅助时间影响生产频率，不直接影响反应器体积，体积由反应时间内的物料量决定）。（2）全混流反应器体积V₀=vCₐ₀xA/(kCₐ₀(1xA))=vxA/(k(1xA))=10×0.9/(0.2×0.1)=450L间歇反应器忽略辅助时间时体积V=v×t=10×11.515≈115.15L，故全混流体积约为间歇的4倍（450/115≈3.9）。（二）分析题可能原因：1.流动特性：实际反应器存在返混（如轴向扩散或死角），导致停留时间分布变宽，部分物料未达到足够反应时间；或存在沟流，部分物料短路。2.动力学参数：实验测定的k值偏小（如温度控制不准确、催化剂活性降低），或反应级数判断错误（实际级数低于假设值）。3.操作条件：进料温度低于设计值（k下降）；进料浓度Cₐ₀低于设计值（反应速率降低）；压力波动导致实际体积流量变化（空时减小）。（三）综合题（1）恒压下，气相反应A→2B，膨胀因子εₐ=(21)/1=1。体积流量v=v₀(1+εₐxA)=v₀(1+xA)。分压pₐ=p₀(1xA)/(1+εₐxA)=p₀(1xA)/(1+xA)（理想气体，pₐ=P总×yₐ，yₐ=(1xA)/(1+xA)）。速率方程rₐ=kpₐ=kp₀(1xA)/(1+xA)。平推流反应器物料衡算：dV=FA₀dxA/(rₐ)，FA₀=p₀v₀/(RT₀)（摩尔流量）。代入得V=FA₀∫(0→xA)(1+xA)dxA/[kp₀(1xA)]=(v₀/(RT₀))∫(0→xA)(1+xA)