化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題.doc

第一章 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、思考題1、間歇系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)中，反應(yīng)速率的定義式有何異同？2、反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量系數(shù)有何關(guān)系？3、反應(yīng)速率可以用濃度ci、分壓pi或摩爾分率yi來表述，相應(yīng)的速率常數(shù)kc、kp、ky之間有何關(guān)系？4、溫度增加，反應(yīng)速率常數(shù)肯定增加，對(duì)否？5、空速的定義是什么？它的大小反映了反應(yīng)器的什么能力？ 6、轉(zhuǎn)化率的定義是什么？在復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)中,它是否能起到在簡(jiǎn)單反應(yīng)系統(tǒng)中所起到的作用？7、化學(xué)反應(yīng)中哪種吸附起主要作用？8、惰性物質(zhì)不參加反應(yīng)，所以對(duì)吸附、脫附無任何影響，對(duì)否？ 9、吸附或脫附為控制步驟時(shí)，關(guān)鍵組分A的分壓有何特點(diǎn)，非關(guān)鍵組分的分壓有何特點(diǎn)？10、表面反應(yīng)為控制步驟時(shí)，反應(yīng)物、生成物的分壓有何特點(diǎn)？11、表達(dá)反應(yīng)系統(tǒng)體積變化的參數(shù)是什么？12、方程式中反應(yīng)前后摩爾數(shù)的變化是否表示反應(yīng)體積的變化？第二章 氣固相催化反應(yīng)本證及宏觀動(dòng)力學(xué)一、思考題1、對(duì)于球形催化劑，西勒模數(shù)（Thiele）越大，則催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子如何變化？2、如果在某催化劑上測(cè)得的反應(yīng)速率為r，而內(nèi)擴(kuò)散有效因子為0.8，則此反應(yīng)速率是否為本征反應(yīng)速率？3、對(duì)于氣固相反應(yīng)，什么情況下，可以不考慮分子擴(kuò)散的影響？4、對(duì)于球型催化劑粒子，西勒模數(shù)的定義式是什么？ 5、本征化學(xué)反應(yīng)速度在內(nèi)外擴(kuò)散阻力完全消除的情況下與宏觀化學(xué)反應(yīng)速度有何關(guān)系？6、孔結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)擴(kuò)散有無影響？7、在氣體的擴(kuò)散過程中，如果催化劑的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子的平均自由程時(shí)，可以不考慮哪種擴(kuò)散？8、對(duì)于氣固相反應(yīng)，如果本征動(dòng)力學(xué)方程式為r，催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子為，則宏觀動(dòng)力學(xué)方程式應(yīng)如何表示？二、計(jì)算題1、某可逆反應(yīng)：，其均勻表面吸附機(jī)理的動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。解 2、某可逆反應(yīng)：的均勻表面吸附機(jī)理動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。解 ， (控制步驟) ， ， 3、某可逆反應(yīng)：，其均勻表面吸附的機(jī)理動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。解 4、某可逆反應(yīng)：的均勻表面吸附機(jī)理動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。解 5、丁烯在某催化劑上制取丁二烯的總反應(yīng)方程式為，假設(shè)丁烯脫氫化學(xué)反應(yīng)按如下步驟進(jìn)行：(a) (b) (c) 寫出(b)為控制步驟的均勻吸附動(dòng)力學(xué)方程，若反應(yīng)物和產(chǎn)物的吸附都很若，問此時(shí)反應(yīng)對(duì)丁烯是幾級(jí)反應(yīng)。解 當(dāng)反應(yīng)物與產(chǎn)物吸附都很若時(shí)，即當(dāng)時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程可寫為：所以此時(shí)對(duì)丁烯是一級(jí)反應(yīng)。6、用直徑為6毫米的球形催化劑進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)AR+P,氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)yA0.50，操作壓力0.10133MPa，反應(yīng)溫度500，已知單位體積床層的反應(yīng)速度常數(shù)為0.333s-1，床層空隙率為0.5,組分A在顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.00296cm2/s,外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)為40mh，計(jì)算： (1) 催化劑內(nèi)擴(kuò)散效率因子，其影響是否嚴(yán)重。 (2) 催化劑外表面濃度CAS，并說明外擴(kuò)散影響是否嚴(yán)重(3) 計(jì)算傳質(zhì)速度。解 (1) 7、體積為100立方米的管式反應(yīng)器內(nèi)部充填半徑為2.50毫米的球形顆粒催化劑，氣體穩(wěn)定時(shí)，每秒有0.24kmol的反應(yīng)物按等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)分解，反應(yīng)物在顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為1.210-6m2s，氣流中反應(yīng)物A的分壓為0.10133MPa，T700。(1) 試估計(jì)催化劑顆粒內(nèi)部的內(nèi)擴(kuò)散效率因子。(2) 若催化劑的活性提高一倍，微孔的有效擴(kuò)散系數(shù)下降為 710-7m2s，問內(nèi)擴(kuò)散效率因子為多少。(3) 若催化劑活性提高一倍，有效擴(kuò)散系數(shù)仍為710-7m2s，如果要求內(nèi)擴(kuò)散效率因子不變，問催化劑顆粒大小為多少？解 (1) (2) (3) 8、某氣固相一級(jí)不可逆催化反應(yīng)，已知反應(yīng)溫度為350，在該溫度下反應(yīng)速度為1.1510-5molcm3.s，顆粒外表面A組分的濃度為1.110-5molcm3，的分子量為128，催化劑顆粒為球形，直徑為0.18cm，顆粒密度為p=1.0cm3，孔隙率0.48，比表面S468m2/，曲節(jié)因子2.9,若分子擴(kuò)散可不考慮，試求催化劑的內(nèi)擴(kuò)散效率因子。解9、石油煉制過程中，常需要用空氣進(jìn)行催化劑的燒焦反應(yīng)，使催化劑再生,反應(yīng)可視為一級(jí)不可逆反應(yīng),已知燒焦反應(yīng)于780,1.0133105Pa下進(jìn)行，球形顆粒直徑為毫米，催化劑時(shí)本征反應(yīng)速度A0.42molm3.s，反應(yīng)熱為198000 Jmol,有效擴(kuò)散系數(shù)為4.7510-7m2s，有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.366Wm.k，試求顆粒內(nèi)最大溫差及內(nèi)擴(kuò)散效率因子。解， 10、用空氣在常壓下燒去催化劑上的積碳，催化劑顆粒直徑為5mm，顆粒有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.35Jm.s.k，每燃燒1mol放出熱量J，燃燒溫度為760，氧在催化劑顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為cm2/s。試估計(jì)定態(tài)下催化劑顆粒表面與中心的最大溫差。解11、乙烯直接水合制乙醇可視為對(duì)乙烯的一級(jí)不可逆反應(yīng)，在300，7.09MPa下，采用直徑與高均為5的圓柱形催化劑，求內(nèi)擴(kuò)散有效因子。解 12、異丙苯在某催化劑上裂解生成苯，如催化劑為微球狀，已知P1.06 gcm3,顆粒孔隙率0.52,Sg350m2g，求在500，atm，異丙苯在催化劑微孔中的有效擴(kuò)散系數(shù)。異丙苯的分子量為120，微孔的曲節(jié)因子，異丙苯苯的分子擴(kuò)散系數(shù)為0.155cm2s。球型催化劑顆粒直徑為0.5 cm，550時(shí)該反應(yīng)的速率常數(shù)k=0.25 s-1，試求此催化劑的內(nèi)擴(kuò)散效率因子。解13、計(jì)算660和30atm下,在孔隙催化劑中,噻吩(分子量84)在氫氣中的有效擴(kuò)散系數(shù)。已知催化劑的比表面Sg180m2g，顆粒的孔隙率0.4，顆粒的密度p1.4cm3，分子擴(kuò)散系數(shù)DAB0.052cm2s，微孔的曲節(jié)因子2，(顆粒為球型)。解第三章 釜式及均相管式反應(yīng)器一、思考題1、返混的含義是什么?返混是否總是有害的?2、造成非理想流動(dòng)的主要因素有哪些?其根本原因是什么?3、返混能造成非理想流動(dòng),對(duì)否?非理想流動(dòng)是由返混造成的?對(duì)否?4、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程包括哪些內(nèi)容? 5、絕熱溫升的物理含義是什么?6、串、并連操作各有何特點(diǎn)?工業(yè)上何時(shí)采用串聯(lián)操作?何時(shí)采用并聯(lián)操作?兩者是否可以互相代替?7、一般情況下返混對(duì)反應(yīng)結(jié)果都有不利影響,對(duì)否？8、CSTR串聯(lián)為何好于單個(gè)大體積的CSTR?是否工業(yè)上都用多個(gè)CSTR串聯(lián)來代替單個(gè)CSTR?多釜串聯(lián)時(shí)是否串聯(lián)級(jí)數(shù)越多越好?9、對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng),在相同的反應(yīng)條件下完成相同的任務(wù)時(shí),兩個(gè)體積相同的CSTR串聯(lián)、并聯(lián)的結(jié)果是否相同?如果不相同，哪種結(jié)果好？10、CSTR與PFR串聯(lián)操作時(shí),其順序的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果? 11、什么條件下串聯(lián)操作與單個(gè)反應(yīng)器操作的結(jié)果完全相同?12、反應(yīng)體積的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果?它是通過什么途徑起的作用?對(duì)于不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?13、轉(zhuǎn)化率與體積變化相比哪個(gè)對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響大?14、反應(yīng)體積增大與減少對(duì)反應(yīng)結(jié)果有何影響?對(duì)不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?15、如果主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù),體積增大對(duì)反應(yīng)是否有利?16、如果反應(yīng)溫度提高后,目的產(chǎn)物的選擇性明顯增加,從中可以得出什么結(jié)論? 17、瞬時(shí)選擇性與總選擇性有何關(guān)系?兩者是否可以相等?18、反應(yīng)器多態(tài)的物理含義是什么?二、計(jì)算題1、以醋酸(A)和正丁醇(B)為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為100，每批進(jìn)料1的A和4.96的B，已知反應(yīng)速率，試求醋酸轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為960和740。解：加入物料的體積 2、生化工程中酶反應(yīng)A+PP+P為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式為，某溫度下k=1.512，原料中含有A0.99kmol/m3，含P為0.01kmol/m3，要求A的出口濃度達(dá)到CAf=0.01kmol/m3，該反應(yīng)器的處理能力為V010m3/h時(shí)，試求：(1) 反應(yīng)速率達(dá)到最大時(shí)A的濃度；(2) 采用CSTR反應(yīng)器時(shí)的體積；(3) 采用PFR反應(yīng)器時(shí)的體積。解：(1) 為使反應(yīng)速度最大，應(yīng)有： 即： (2) 全混流反應(yīng)器的體積 (3) 平推流反應(yīng)器體積： 3、由醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，化學(xué)反應(yīng)為：CH3COOH(A)+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O，每小時(shí)處理原料量為735kg，反應(yīng)混合物密度為0.75kg/l，原料配比為醋酸:丁醇1:4.97(mol)，動(dòng)力學(xué)方程為，求反應(yīng)器的有效容積：(1) 用一個(gè)全混流反應(yīng)器；(2) 用兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，已知：，(3) 用一個(gè)平推流反應(yīng)器。解：進(jìn)料中醋酸含量： 進(jìn)料中丁醇含量：進(jìn)料的平均分子量： (1) 全混流反應(yīng)器： (2) 全混流反應(yīng)器串聯(lián)： (3) 平推流反應(yīng)器： 4、在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)，測(cè)得此二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)為k61.510-2lmol.h，CA00.307moll，計(jì)算當(dāng)CB0CA01，轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99所需的反應(yīng)時(shí)間，并對(duì)計(jì)算結(jié)果加以討論。解： 5、在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行皂化反應(yīng)： CH3COOC2H5NaOHCH3COONaC2H5OH該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯和氫氧化鈉均為一級(jí)，反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯和氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反應(yīng)速度常數(shù)為k=5.6l/min.mol,要求最終轉(zhuǎn)化率為0.95，試求所需的反應(yīng)時(shí)間。解： 6、在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.90，現(xiàn)將該反應(yīng)移到一個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，且操作條件不變，問出口轉(zhuǎn)化率是多少？解：平推流反應(yīng)器： 全混流反應(yīng)器：7、在150等溫平推流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.60，現(xiàn)改用等體積的全混流反應(yīng)器操作，料液流率及初濃度不變，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.70，問此時(shí)全混流反應(yīng)器應(yīng)在什么溫度下操作，已知反應(yīng)活化能為83.68kJmol。解平推流反應(yīng)器：全混流反應(yīng)器：， ，8、在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行如下液相可逆反應(yīng)： 在120時(shí)，反應(yīng)速率，反應(yīng)器的體積為100mL，兩股進(jìn)料流同時(shí)等流量進(jìn)入反應(yīng)器，一股含，另一股含，當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化率為80時(shí)，每股料液流量為多少。解 9、液相自催化反應(yīng)，反應(yīng)速度，k=10-2m3kmol.s，進(jìn)料體積流率V0=0.002m3s，進(jìn)料濃度CA02kmolm3，CP00，問當(dāng)XA0.98時(shí)，下列各種情況下的反應(yīng)器體積。(1) 單個(gè)平推流反應(yīng)器；(2) 單個(gè)全混流反應(yīng)器；(3) 兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解 (1) (2) (3) 10、在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)可逆反應(yīng)，已知該反應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)器出口實(shí)際轉(zhuǎn)化率，問如何調(diào)節(jié)加料速率，可使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)。解平衡時(shí)11、在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行氣相反應(yīng)：A3B，反應(yīng)器進(jìn)口, 含65，其余為惰性組分(mol)，反應(yīng)是在550K和kg/cm2下進(jìn)行反應(yīng)，已知進(jìn)料中的流量為10 molmin，為使轉(zhuǎn)化率達(dá)80，試求： 所需的空速為多少； 反應(yīng)器的有效容積為多少？解12、某氣相不可逆反應(yīng)：AB2C，在60，5atm下的平推流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,原料氣中含75的A和25的惰性物料（mol），物料的體積流量為, A 和惰性物料的分子量分別為60和40，反應(yīng)速度常數(shù)為，轉(zhuǎn)化率控制為75，試求： 所需的空速為多少？ 反應(yīng)器的容積為多少？解13、某氣相反應(yīng)：，已知物料的體積流量, ,轉(zhuǎn)化率，計(jì)算下列各情況的反應(yīng)器的體積(純進(jìn)料)： 單個(gè)平推流反應(yīng)器； 單個(gè)全混流反應(yīng)器； 兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)。解14、在平推流反應(yīng)器中，以乙烷氣體為原料進(jìn)行裂解制乙烯：C26C242；動(dòng)力學(xué)方程式為：，反應(yīng)溫度為900，壓力為1.4atm(絕壓)，反應(yīng)速度常數(shù)k=16.45s-1，進(jìn)料為乙烷與水的混合物，其配比乙烷:水1:0.5(體積)，乙烷進(jìn)料速度為20噸時(shí)，乙烷的轉(zhuǎn)化率為60，設(shè)反應(yīng)器在恒壓下進(jìn)行，試計(jì)算反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)器的體積。解 第四章 反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響一、思考題1、停留時(shí)間分布函數(shù)有何特點(diǎn)？單位是什么？2、停留時(shí)間分布密度函數(shù)有何特點(diǎn)？單位是什么 ？它與停留時(shí)間分布函數(shù)有何關(guān)系？3、停留時(shí)間分布測(cè)定方法有哪些？得到的應(yīng)答曲線是什么？4、平均停留時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間是否一致？ 5、方差的物理含義是什么？方差大小，是否影響平均停留時(shí)間？返混程度與平均停留時(shí)間及方差是否有關(guān)系？ 6、皮克萊準(zhǔn)數(shù)（Pe）的物理含義是什么？它的倒數(shù)表明什么？7、實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀態(tài)是否可以同時(shí)用幾個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述？8、停留時(shí)間分布一定，反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況便唯一確定，對(duì)否？9、流動(dòng)狀況可以用流動(dòng)模型來描述，也可以用停留時(shí)間分布函數(shù)來表達(dá)。所以，停留時(shí)間分布函數(shù)一定，流型便一定，反之亦然。對(duì)否？10、宏觀流體的平均轉(zhuǎn)化率和平均濃度怎樣計(jì)算？均相反應(yīng)是否有宏觀流體？非均相反應(yīng)是否有宏觀流體？11、氣液反應(yīng)歷程一般有幾個(gè)步驟？二、計(jì)算題1、用脈沖法測(cè)得某反應(yīng)器出口示蹤物的濃度如下：(s)0 120 240 360 480 600 720 840 960 C(t) 0 6.5 12 12 10 5 2 1 0已知該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速度常數(shù)k3.2410-3s-1，試用多級(jí)串聯(lián)全混流模型計(jì)算轉(zhuǎn)化率。解： 或： 或： 2、有一理想的釜式攪拌器，已知反應(yīng)器體積為100升，流量為10L/min，試估計(jì)離開反應(yīng)器的物料中，停留時(shí)間分別為0