《化學反應工程》簡答題

1、（1）簡述活塞流模型和全混流模型的基本特征。（2）根據(jù)縮芯模型，描述 H 2 S 和 ZnO 反應的宏觀步驟（3）對于快速的一級不可逆的氣液反應，寫出其宏觀反應速率的表達式（指明式中各參數(shù)的含義） 。（4）對于一級不可逆的氣固相催化反應，寫出其宏觀反應速率的表達式（指明式中各參數(shù)的含義）。1. 簡述理想反應器的種類？答：通常所指的理想反應器有兩類：理想混合（完全混合）反應器和平推流（活塞流或擠出流）反應器。 所謂完全混合流反應器是指器內的反應流體瞬間達到完全混合，器內物料與反應器出口物料具有相同的溫度和濃度。 所謂平推流反應器是指器內反應物料以相同的流速和一致的方向進行移動， 不存在不同停留時

2、間的物料的混合， 所有的物料在器內具有相同的停留時間。2. 簡述分批式操作的完全混合反應器？答：反應物料一次性投入反應器內，在反應過程中，不再向器內投料，也不出料，待達到反應要求的轉化率后，一次性出料，每批操作所需生產時間為反應時間與非生產性時間之和，非生產性時間包括加料、排料和物料加熱、冷卻等用于非反應的一切輔助時間。3. 簡述等溫恒容平推流反應器空時、反應時間、停留時間三者關系？答：空時是反應器的有效容積與進料流體的容積流速之比。反應時間是反應物料進入反應器后從實際發(fā)生反應的時刻起到反應達某一程度所需的反應時間。停留時間是指反應物進入反應器的時刻算起到離開反應器內共停留了多少時間。由于平推

3、流反應器內物料不發(fā)生返混，具有相同的停留時間且等于反應時間，恒容時的空時等于體積流速之比，所以三者相等。4. 對于可逆放熱反應如何選擇操作溫度？答： 1）對于放熱反應，要使反應速率盡可能保持最大，必須隨轉化率的提高，按最優(yōu)溫度曲線相應降低溫度；2）這是由于可逆放熱反應，由于逆反應速率也隨反應溫度的提高而提高，凈反應速率出現(xiàn)一極大值；3）而溫度的進一步提高將導致正逆反應速率相等而達到化學平衡。5. 對于反應， rRk1C A2， E1 ； rSk2C A ， E2 ，當 E1 E2 時如何選擇操作溫度可以提高產物的收率？E1/RTE2E1SRrRk10 eC Ak10 e RT C AE1 E2

4、 時應盡可答：對于平行反應rSk20e E 2 / RTk20，所以，當能提高反應溫度，方可提高R 的選擇性，提高R的收率。6 停留時間分布密度函數(shù)E（t ）的含義？答：在定常態(tài)下的連續(xù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，相對于某瞬間t=0 流入反應器內的流體，在反應器出口流體的質點中，在器內停留了t 到 t+dt之間的流體的質點所占的分率為E（ t ）dt （E(t)dt1.0分）。0。7. 停留時間分布函數(shù) F（ t ）的含義？答：在定常態(tài)下的連續(xù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，相對于某瞬間t=0 流入反應器內的流體F ( t)tE(t) dt，在出口流體中停留時間小于t 的物料所占的分率為F（ t ）。0。8. 簡述描述停

5、留時間分布函數(shù)的特征值？t 和方差2答：用兩個最重要的特征值來描述平均停留時間t 。1） t 定義式為：ttE (t )dtt 是 E（ t ）曲線的分布中心，是E（t ）曲0，平均停留時間線對于坐標原點的一次矩，又稱E（ t ）的數(shù)學期望。22） t是表示停留時間分布的分散程度的量，在數(shù)學上它是指對于平均停留時間的二次矩22E(t )dtt2tt。09. 簡述尋求停留時間分布的實驗方法及其分類？答：通過物理示蹤法來測反應器物料的停留時間的分布曲線。所謂物理示蹤是指采用一種易檢測的無化學反應活性的物質按一定的輸入方式加入穩(wěn)定的流動系統(tǒng)，通過觀測該示蹤物質在系統(tǒng)出口的濃度隨時間的變化來確定系統(tǒng)物

6、料的停留時間分布。根據(jù)示蹤劑輸入方式的不同大致分為四種：脈沖法、階躍法、周期示蹤法和隨機輸入法。64. 簡述脈沖示蹤法測停留時間分布的實驗方法及其對應曲線？答：脈沖示蹤法是在定常態(tài)操作的連續(xù)流動系統(tǒng)的入口處在t=0的瞬間輸入一定量M克的示蹤劑 A，并同時在出口處記錄出口物料中示蹤劑的濃度隨時間的變化。對應的曲線為E(t)E(t )C AC0曲線，。10. 簡述階躍示蹤法測停留時間分布的實驗方法及其對應曲線？答：階躍示蹤法是對于定常態(tài)的連續(xù)流動系統(tǒng)，在某瞬間t=0將流入系統(tǒng)的流體切換為含有示蹤劑A 且濃度為C A0 的流體， 同時保持系統(tǒng)內流動模式不變，并在切換的同時，在出口處F (t )C A

7、測出出口流體中示蹤劑A 的濃度隨時間的變化。對應的曲線為F（ t ），C A0。11. 簡述建立非理想流動的流動模型的步驟？答： 1）通過冷態(tài)模型實驗測定實驗裝置的停留時間分布；2） 根據(jù)所得的有關E（ t ）或 F（ t ）的結果通過合理的簡化提出可能的流動模型，并根據(jù)停留時間分布的實驗數(shù)據(jù)來確定所提出的模型中所引入的模型參數(shù)；3） 結合反應動力學數(shù)據(jù)通過模擬計算來預測反應結果；4） 通過一定規(guī)模的熱模實驗來驗證模型的準確性。12. 簡述非理想流動軸向擴散模型的特點？答： 1）在管內徑向截面上流體具有均一的流速；2）在流動方向上流體存在擴散過程，該過程類似于分子擴散，符合Fick定律；3）軸

8、向混合系數(shù)EZ 在管內為定值；45）管內不存在死區(qū)或短路流。13. 簡述非理想流動軸向擴散模型的定義？答：為了模擬返混所導致流體偏離平推流效果，可借助這種返混與擴散過程的相似性，推流的基礎上疊加上軸向返混擴散相來加以修正，并人為的假定該軸向返混過程可以用費克（Fick ）定律加以定量描述。所以，該模型稱為“軸向分散模型”（或軸向擴散模型）在平14. 簡述非理想流動多級混合模型的特點？答：把實際的工業(yè)反應器模擬成由n 個容積相等串聯(lián)的全混流區(qū)所組成，來等效的描述返混tV和停留時間分布對反應過程內的影響。設反應器容積為V，物料流入速率為v0，則v0 ，tt iN 。15. 舉例說明微觀流體和宏觀流

9、體的區(qū)別？答；若流體是分子尺度作為獨立運動單元來進行混合，這種流體稱為微觀流體；若流體是以若干分子所組成的流體微團作為單獨的運動單元來進行微團之間的混合，且在混合時微團之間并不發(fā)生物質的交換，微團內部具有均勻的組成和相同的停留時間，這種流體稱為宏觀流體。如在氣液鼓泡攪拌裝置中，氣體以氣泡方式通過裝置，此時氣體是宏觀流體，而液體為微觀流體。16 簡述 Langmuir 等溫吸附方程的基本特點？答： 1）均勻表面（或理想表面） ：即催化劑表面各處的吸附能力是均一的，吸附熱與表面已被吸附的程度如何無關；2） 單分子層吸附；3 ）被吸附的分子間互不影響，也不影響別的分子；4）吸附的機理均相同，吸附形成

10、的絡合物均相同。17. 簡述 BET方程測定固體催化劑比表面積的原理？P1(C 1)P答：測定比表面積的方法是建立在BET方程基礎之上 V (P0P) Vm CVmCP0 ，利用PP低溫下測定氣體在固體上的吸附量和平衡分壓值，將V (P0P) 對 P0 作圖，應為一直線，(C 1)1斜率為 VmC ，截距為VmC ，因此可求出 Vm 及 C ，則可利用比表面積公式進行求得。18. 氣固相催化反應的動力學步驟？答： 1）反應物從氣流主體向催化劑的外表面和內孔擴散；2）反應物在催化劑表面上吸附；3）吸附的反應物轉化成反應的生成物；4）反應生成物從催化劑表面上脫附下來；5）脫附下來的生成物向催化劑外

11、表面、氣流主體中擴散。19. 解釋努森擴散和分子擴散分別在何種情況下占優(yōu)勢？答：多孔物質催化劑的粒內擴散較為復雜。當微孔孔徑較大時， 分子擴散阻力是由于分子間的碰撞所致， 這種擴散為分子擴散。當微孔孔徑小于分子的自由程0.1um 時，分子與孔壁的碰撞機會超過了分子間的相互碰撞，而成為擴散阻力的主要因素，這種擴散為努森擴散。20. 簡述非催化氣固反應縮核模型的特點？答：非催化氣固反應縮核模型是反應從粒子外表面逐漸向內核部分推進，但粒子體積不變，如硫化礦的焙燒，氧化鐵的還原等。21. 簡述非催化氣固反應縮粒模型的特點？答：非催化氣固反應縮粒模型是固體粒子的粒徑隨反應的進行向不斷縮小，如煤炭的燃燒造

12、氣，從焦碳與硫磺蒸汽制造二硫化碳。22. 簡述氣液反應的宏觀過程：A（ g） + bB （l ）產物（ l ）？答： 1）反應物氣相組分從氣相主體傳遞到氣液相界面，在界面上假定達到氣液相平衡；2）反應物氣相組分A 從氣液相界面擴散入液相，并在液相內反應；3）液相內的反應產物向濃度下降方向擴散，氣相產物則向界面擴散；4）氣相產物向氣相主體擴散。23. 簡述氣固相催化反應固定床反應器非均相模型的特點？答：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。均相模型考慮了粒子與流體間溫度與濃度的差別。非24. 簡述氣固相催化反應固定床反應器擬均相一維模型的特點？答：凡是流體通過

13、不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。擬均相一維模型是忽略床層中粒子與流體的溫度與濃度差別，考慮在流體流動的方向（軸向）上有溫度和濃度的變化，而在與流向垂直的截面上（徑向）則是等溫和等濃度的。25. 簡述氣固相催化反應固定床反應器擬均相二維模型的特點？答：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置為固定床反應器，擬均相二維模型是忽略床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別（，同時考慮流體在軸向和徑向上的溫度梯度和濃度梯度。26. 簡述表征顆粒特征的基本參數(shù)粒徑的表示方法？答：固定床中粒徑的表示方法常用的有三種。顆粒的體積相當直徑定義為具有相同體積VP 的球粒子直徑

14、，表達式dV = (6VP / )1/ 3；顆粒的面積相當直徑是以外表面a P 相同的球形粒子的直徑，表達式da=aP /；顆粒的比表面相當直徑是以相同的比表面SV的球形粒子直徑來表示，表達式dS = 6 / SV27 簡述固定床反應器的優(yōu)缺點？答：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。1） 催化劑在床層內不易磨損；2） 床層內流體的流動接近于平推流，與返混式反應器相比，用較少的催化劑和較小的反應器容積來獲得較大的生產能力；3） 固定床中的傳熱較差；4） 催化劑的更換必須停產進行。28. 簡述氣固相催化反應固定床反應器擬均相模型的特點？答：凡是流體通過不動的

15、固體物料所形成的床層而進行反應的裝置都稱作固定床反應器。均相模型忽略了床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別。擬29 簡述聚式流化床的形成？答：對于氣固系統(tǒng)的流化床反應器的粗顆粒系統(tǒng)， 氣速超過起始流化速度后， 就出現(xiàn)氣泡，氣速愈高， 氣泡的聚并及造成的擾動亦愈劇烈， 使床層波動頻繁， 這種流化床稱為聚式流化床。30. 簡述鼓泡床的形成？答：對于氣固系統(tǒng)的流化床反應器，只有細顆粒床，才有明顯的膨脹，待氣速達到起始鼓泡速度后才出現(xiàn)氣泡；而對粗顆粒系統(tǒng)， 則一旦氣速超過起始流化速度后， 就出現(xiàn)氣泡，這些通稱為鼓泡床。31. 簡述描述流化床的特征流速的定義？答：特征流速為起始流化速度和帶出速度。1）當流

16、速達到某一限值，床層剛剛能被托動時，床內粒子就開始流化起來了，這時的流體空線速稱為起始流化速度。2）當氣速增大到某一定值時，流體對粒子的曳力與粒子的重力相等，則粒子會被氣流帶出，這一速度稱為帶出速度或終端速度。32. 簡述流化床反應器中節(jié)涌床的特點？答：對于氣固系統(tǒng)，床徑很小，而床高與床徑比較大時，氣泡在上升過程中可能聚并增大甚至達到占據(jù)整個床層截面的地步， 將固體粒子一節(jié)節(jié)的往上柱塞式的推動， 直到某一位置而崩落為止，這種情況為節(jié)涌，此時的流化床為節(jié)涌床。33. 簡述流化床反應器的優(yōu)點？答： 1）傳熱效能高，而且床內溫度易維持均勻；2） 大量固體粒子可方便的往來輸送，對于催化劑迅速失活而需隨

17、時再生的過程來說，能夠實現(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)生產。3） 由于粒子細，可以消除內擴散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。34. 簡述流化床反應器的缺點？答： 1）氣流狀況不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經過床層，氣固兩相接觸不夠有效；2 ）粒子運動基本上是全混式，因此停留時間不一。在以粒子為加工對象時，影響產品質量的均一性， ）且粒子的全混造成了氣體的部分返混，影響反應速率和造成副反應的增加；3 ）粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失，并要設置旋風分離器等粒子回收系統(tǒng)。35. 簡述流化床反應器中操作氣速U0 是如何選取的？答：實用的操作氣速U 是根據(jù)具體情況選取的。一般U 0/U mf之值（稱作流化數(shù)）在 1.5 010 范圍的，另外也有按 U 0 / ut0.1 0.4 左右來選取。通常所用的氣速為0.15 0.5m/s左右，對于熱效應不大，反應速