反应工程复习 Microsoft Word 文档

一、填空题

1. 化学反应过程不仅包含化学现象，同时也包含物理现象，即传递现象。传递现象包

括_________________,__________________和_________________传递，再加上____________。

2. 反应??A??BB??RR的反应速率，rA?_______________,r=_______________

k1k23. 反应A???P???Q,E1?E2，低温下操作可提高________(P或Q)的收率，

但是温度低导致_____________下降，从而反应器的生产强度减小。 4. _________________和_________________都属于理想流动模型。

5. 由于外扩散的影响，颗粒外表面上反应物浓度总是______气相主体浓度，因此若反

应级数为正，则?x____1。

6. 增加内扩散有效因子的方法有______________催化剂颗粒尺寸，_____________催化

剂的孔容和孔半径。

答

动量,热量，质量，化学反应 1dnA1dni?, VdtviVdt P ，反应速率 活塞流，全混流 小于，?或?1 减小 ，增大

一、填空题

1. 转化率、收率和选择性三者的关系_______________________。

2. 平行反应

A?P(主）?AA?Q

rP?k1c?A?rQ?k2cA 反应物A的转化速率

?A?______________。

3. 对于连串反应，在相同的转化率下，间歇釜的收率总是______（填大于或小于）连

续釜，而且差异程度与主副反应级数的相对大小有关。 4. 当t??时，停留时间分布函数F?t??____，分布函数与密度函数的关系为

________________________。

25. 活塞流模型??______???_______

6. 梯尔模数?表示_________________与_____________________的相对大小，?值越大，内扩散影响_____________。

7. 气体分子在固体催化剂微孔中扩散时，当__________________时,孔内扩散属正常扩

散，当_______________时,孔内扩散属努森扩散。 答Y?SX

?k1CA??Ak2CA

??大于 1, F?t???E?t?dt或者E?t??0tdF?t? dt1，0。

表面反应速率，内扩散速率 ，越大。

?2ra?10?2或ra?50?,

?2ra?10或ra?0.05?

1．连续操作的反应器多属定态操作，此时反应器内的任何部位的物系参数如浓度及温度等均不随__________而变，但却随__________而变。 2．平行反应

A?P(主）?AA?Q

rP?k1c?A?rQ?k2cA 瞬时选择性S=___________________

3.气固相催化反应动力学方程的推导采用了________________________________假设。 4．绝热操作条件下进行吸热反应，反应温度随xA的增加而_________,所以选择_________的进料温度是有利的。

25．全混流模型??______???_______

6．对于一级不可逆反应，内扩散影响严重时，可用式_____________________来估算内扩散有效因子。

答1． 时间， 位置 2．

k1CA???k1CA??Ak2CA

3.定态近似和速率控制步骤 4． 降低，较高 5．1，1 6． ??1 ?二、单选题

1．有一复合反应，瞬时选择性表达如下S?1 若E1>E2 ,则温度越高，A2E1?E2???1?A1exp(RT)cAS ( )

a 越大 b 越小 c呈现非单调性变化 d 不变

2．用串联釜式反应器进行?级反应，当?为何值时，各釜体积相等时为最佳。 ( ) a ??1 b 0???1 c ??1 d ??0

3．反应物A的水溶液在等温平推流中进行0级反应，出口转化率为0.4，若体积增加到3倍，则出口转化率为（ ）

a 0.6 b 0.8 c 1.0 d 1.2

4. 可逆放热反应，存在最佳反应温度曲线，其中随xA增加，最佳反应温度Topt ( )

a 增加 b 降低 c 非单调性变化 d 不变

5. 反应物A的水溶液在全混流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为0.25，若改在

等体积的活塞流反应器中进行，出口转化率 （ ） a 大于0.25 b 等于0.25 c 小于0.25 d 无法判断 6. N2?3H2?2NH3 膨胀系数?N2? （ ）

a -2/3 b -1 c –2 d 0

4. 关于全混流模型，哪项是正确的 （ ） a

??2?1 b ??2?0 c ??2?1/N

7.在间歇釜式反应器中，绝热条件下进行可逆吸热反应，随反应的进行釜内的温度T ( ) a 增加 b 降低 c 非单调性变化 d 不变

8.下列哪项不是化学吸附的特点 （ ）

a 具有显著的选择性 b 吸附在低温下进行 c 单分子层吸附 d 吸附热较大 3.反应物A的水溶液在全混流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为0.25，若改 9.在等体积的活塞流反应器中进行，出口转化率 （ ）

a 大于0.25 b 等于0.25 c 小于0.25 d 无法判断

10.关于停留时间分布函数的描述，下列哪项是正确的 （ ）

ta

?F(t)dt?1 b E(?)?E(t) c F(?)?tF(t) d

0dF(t)dt?E(t)

三、计算题

1．现有反应体积为1m3的活塞流反应器两个，拟用来分解浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮。该反应为一级不可逆反应，并在86℃等温下进行反应，此时反应速率常数等于0.08s-1。过氧化氢异丙苯溶液处理量为2.4m3/min。计算两个反应器串联操作时过氧化氢异丙苯的转化率。

解：当两个活塞流反应器串联操作时，总反应体积为：

xA1Vr?Vr1?Vr2?FA0?0AfdxAdxA?FA0??FA0??RA???RA?xA1xxAf?0dxA

??RA?又由题意知：rA?kCA?kCA0?1?xA? 代入得：Vr?FA01 lnkCA01?xA又???Vr,FA0?Q0CA0 Q0得：

1?xA?e?k?xA?1?e?k??1?e?0.08?22.4/60

?98.17%即：氧化氢异丙苯的转化率为98.17% 2 在间歇釜式反应器中进行液相反应：

rR?1.6cAA?B?R 22A?DrD?8.2cA式中rR ，rD分别表示产物R及D的生成速率，其单位均为kmol/(m3.h),反应用的原料

为A与B的混合物，其中A的浓度为2kmol/m3，试计算A的转化率达95%时所需要的反应时间。

解 ：由于A参与了两个反应，反应物A的消耗速率应为其在两个反应中的反应速率之和，即：

22 RA=rR+rD=1.6cA+2×8.2cA=1.6cA+16.4cA=1.6cA（1+10.25CA）

所以 RA=?dt=1.6cA（1+10.25CA） 积分求解，得：k?积分：

xA0.999.9??

CA0t(1?xA)10CA0(1?0.99)CA0dCA1??(1?xA)??10.25CA0? 1.6t??ln(1?xA)?ln??1?1??10.25CA0??代入xA?0.9,CA0?2Kmol/m3,得：t?0.396h，即所需反应时间为0.396h。

3 某二级液相反应A?B?C,已知cA0?cB0,在间歇反应器中达到x?0.99,需反应时间为10min。问：在全混流反应器中进行时空时应为多少？

解：由题意知：

rA?kCACB?kCA0(1?xA)CB0(1?xB) ?CA0?CB0,vA?vB ?rA?kCA02(1?xA)2 由间歇反应器的设计方程知：

k?xA0.999.9??

CA0t(1?xA)10CA0(1?0.99)CA0全混流反应器中：Vr?得

Q0CA0xAVr2,??,??A?kCA0(1?xA)2

??A(xA)Q0CA0k??xA 2(1?xA)因为在两种操作下反应速率常数k不变，所以得出：

k?xA0.99， ?2CA0CA0?(1?xA)求解得：??1000min ，即在全混流反应器中进行时空时为1000min。

24 等温间歇釜式反应器中进行二级反应A?B，反应速率 rA?0.01cAmol/(l?s)，

cA0?1mol/l，求反应至cA?0.01mol/l所需的反应时间。

5.乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳CH3CHO?CH4?CO, 0.1kg/s的乙醛蒸气在520℃，0.1Mpa于管式反应器内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，k=4.3m3/(kmol.s-1)。计算35%的乙醛分解所需要的反应体积。

3.

解：由题意知该反应过程是一个变容过程，根据管式反应器在变容条件下的设计方程进行求解计算。

?为二级反应，?rA?kCA,

CA0(1?xA)kCA0(1?xA)2又?CA?，?rA? 21?yA0?AxA(1?yA0?AxA)又由题意知

22?A?1,yA0?1,Q0?P0.1RT,CA0?0 44P0RTxAf代入设计方程得：Vr?Q0CA0?0dxA0.1?RT????????A(xA)?44k?P0??20.35?0?1?xA???1?x??dxA,

A??2代入已知数据，积分求解得Vr?1.75m3

6．在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应

0.5 T?H?P?Q r?1.5cTcH,mol/(l?s)

式中CT,CH为T和H的浓度mol/l，原料气处理量为2kmol/h,其中T与H的摩尔比为1。计算T的转化率为95%时反应器体积。

解：由题意知，该反应为恒容过程，原料比为1，即：

cT0?cH0,?cT?cH?cT0?1?xT?

又?cT0PT00.5?1.013?105?33???5.68?10Kmol/m 3RT8.314?10?1073Ftotal?1Kmol/h?0.278?10?3Kmol/s 2FT0?Q0cT0?故所需反应体积为：

xTVr?Q0cT0?0dxT1.5cTcH?3xT0.5?Q0cT0?0dxT1.5cT?31.51.5

0.95?0.278?10?1.5?5.68?10??1?x?0TdxT1.5?3.006m3 4.F(?)及E(?)分别为闭

式流动反应器的停留时间分布函数与停留时间分布密度函数，?为对比时间。 （1）若反应器为活塞流反应器，试求：

（a）F(1)；（b）F(0.8)；(c) E(1)；(d) E(0.8)；(e) E(1.2) （2）若反应器为全混流反应器，又各为何值？

7．原料以0.5m/min的流量连续通入反应体积为20m的釜式反应器中进行液相反应

33rA?k1cAA?R 22R?DrD?k2cRcA和cR为组分A及R的浓度。rA为组分A的转化速率， rD为D的生成速率。原料

3中A的浓度等于0.1kmol/m。反应温度下，k1等于0.1min?1，k2等于

1.25l/(mol?min)，试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。 解：???Vr2??40min Q00.5对组分A列物料衡算：Vr?Q0?CA0?CA?CA0xAxA?????40

k1CAk1CA0?1?xA?0.1?1?xA?求得：xA?0.80;CA?CA0?1?xA??0.02Kmol/m3 对组分R 列物料衡算：??2CRk1CA?2k2CR2?40

3

即：100CR?CR?0.08?0 解得：CR=0.02372Kmol/m

?YR?CR0.02372??0.2372 CA00,11A?C???P?D 8．平行反应

B?C???Q?D2

rA?k1cAcCrB?k2cBcC 在间歇釜式反应器中等温进行，反应

速率常数为

k1?1.6?10?3l/(mol?min)k2?1.92?10l/(mol?min)?3若初始浓度为cA0=2.2mol/l ,cB0=2mol/l ,

cc0=1.3mol/l 计算P的收率为34%（以C为基准计算）时，C的转化率和Q的收率。

?dcAkcCkC解：由已知条件得：dt?1Ac?1A

?dcBk2CBCCk2CBdt化简得:

k1k2?cA??cB?dcAdcBk1?? 积分得：? ???????cAcBk2?cA0??cB0?又?cA?cA0?cP?2.2?1.3?0.34?1.758mol/l 设c的总转化率xc,则cB?2?1.3?xc?0.34??2.442?1.3xC

将以上两值带入求解得：

1.758?2.442?1.3xC????2.22??k1.6?10?3/1.92?10?3,?xC?0.703

故Q的收率为0.703-0.34=0.363

12??P???S rA?k1cA rP?k1cA?k2cP 已知：k1=1 , k2=0.5 , 9．串联反应A?kcA0=1mol/l ,求在全混流釜式反应器中空时等于1时，反应器出口产物中P和S的浓度比各

为多少？

解：对A 作物料衡算得： Vr?Q0?cA0?cA?cVr1,???cA?A0??0.5mol/l

k1cAQ01?k1?1?1Q0cP

k1cA?k2cP对P 作物料衡算得：Vr?代入cA?cA0k1cA0?1 得出：cP???0.333mol/l

?1?k1???1?k2???1?1??1?0.5?1?k1?cP0.333??2 cS0.167?cS?1?cA?cP?0.167mol/l, ?10．在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应

C6H5CH(CH3)2 C6H6+C3H6

以A、B、R分别表示异丙苯、苯及丙烯，反应步骤如下

A+σ Aσ

Aσ Bσ+R

Bσ B+σ

若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。

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