《化學(xué)反應(yīng)工程》期末考試試題及答案解讀

1、kSKAPA KBPB(每題 5 分，共 30 分)(1KAPAKBPB KRPR)1 一不可逆反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度從25升高到35時(shí)，反應(yīng)速率增加一倍，則該反應(yīng)的活化能為52894 J mol。k2E11ln 2() ln 2k1RT1 T2E 11() ln 28.314298308解： E 52894 J / mol ，2一氣固催化反應(yīng)A B R ，若本征反應(yīng)速率方程為：則該反應(yīng)可能的反應(yīng)機(jī)理為A AB222BABkSR(此步為速率控制步驟)RR 3間歇釜反應(yīng)器中進(jìn)行如下反應(yīng)：A P (1) r A1 k1CAa1A S (2) r A2=k2 CAa2在 CA0和反應(yīng)時(shí)間保持不變下，降低反

2、應(yīng)溫度，釜液中CP/CS增大，表明活化能E1 與 E2的相對(duì)大小為E1a2。A ala2 B ala2 C 活化能ElE24從反應(yīng)器停留時(shí)間分布測(cè)定中, 求得無(wú)因次方差20.98, 反應(yīng)器可視為全混流反應(yīng)器 又若求得無(wú)因次方差20.02 , 則反應(yīng)器可視為活塞流反應(yīng)器。5有兩個(gè)有效容積不等的全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作，反應(yīng)為二級(jí)不可逆反應(yīng)A P，若大釜在先，小釜在后，出口轉(zhuǎn)化率為xA1，小釜在先、大釜在后，則出口轉(zhuǎn)化率為xA2，兩種情況下，進(jìn)料流速、進(jìn)料濃度和反應(yīng)溫度均相同，比較xA1 和 xA2的相對(duì)大小為x A1 b( 2)二級(jí)反應(yīng)，等溫操作。aE2，則反應(yīng)溫度應(yīng)盡可能采用高溫或低溫？答：為使目

3、的產(chǎn)物P 的選擇性高，應(yīng)選擇：若采用間歇反應(yīng)釜，其加料方式為A 一次性加入，B 連續(xù)滴加；若采用管式反應(yīng)器，其進(jìn)料方式為A 從反應(yīng)器進(jìn)口處加入，B 沿管長(zhǎng)多處加入；若E1E2，則反應(yīng)溫度應(yīng)采用高溫 。在四段絕熱式固定床反應(yīng)器中進(jìn)行n 級(jí)不可逆反應(yīng), 各段的催化劑量相同, 且控制進(jìn)入各段的反應(yīng)物料溫度相等. 若 n0, 試問(wèn) TOC o 1-5 h z 哪一段的凈轉(zhuǎn)化率最大?哪一段最小?若段間采用冷激方法進(jìn)行降溫, 試問(wèn)第一段與第二段之間和第二段與第三段之間哪處需加入的冷激劑量多?為什么?解 :(1) 雖然各段進(jìn)口溫度相等, 在催化劑量相同的情況下, 凈轉(zhuǎn)化率也按1 至 4 段的順序遞減 , 第

4、一段最大, 第二段次之, 第三段再次之，第四段最小.因第一段反應(yīng)量大于第二段反應(yīng)量, 所以 1-2 段間要取出的熱量比2-3 段間要取出的熱量大, 因而 1-2 段間需要的冷激量也大于2-3 段間需要的冷激劑量.四、計(jì)算題：(第 1， 2題均為 12分，第 3題為 14分，共 38分)1. 在反應(yīng)體積為1 m3的釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷的甲醇溶液與水反應(yīng)生產(chǎn)丙二醇-1 ， 2：H 2COCHCH 3 H 2OH 2COHCHOHCH 3該反應(yīng)對(duì)環(huán)氧丙烷為一級(jí)，對(duì)水為零級(jí)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.98h -1，原料液中環(huán)氧丙烷的濃度為2.1kmol/m 3，環(huán)氧丙烷的最終轉(zhuǎn)化率為90%。(

5、1 )若采用間歇操作，輔助時(shí)間為0.65h ，則丙二醇-1 ， 2 的日產(chǎn)量是多少？( 2)有人建議改在定態(tài)下連續(xù)操作，其余條件不變，則丙二醇-1 ， 2 的日產(chǎn)量又是多少？( 3)為什么這兩種操作方式的產(chǎn)量會(huì)有不同？解：( 1 )一級(jí)不可逆反應(yīng)：1k ln(1 xAf )10.98ln(1 0.9) 2.35hVr Q0(t t0) Q0 ( 2.35 0.65) 1Q0 1/3m3/h31Vr 1m3,rA kCA,k 0.98h 1,CA0 2.1kmol/l,XA 0.93丙二醇的濃度=CA0XA 2.1 0.9 1.89kmol / m丙二醇的產(chǎn)量=Q0CA0 xAf 1.89 1/

6、3 0.63kmol/h 15.15kmol/日(2) 采用定態(tài)下連續(xù)操作Q0XAfQ0 0.9Vr1r k(1 XAf )0.98(1 0.9)所以Q0=0.109m3/h丙二醇的產(chǎn)量=0.109 1.89 0.2058kmol / h 4.939kmol /日3)因連續(xù)釜在低的反應(yīng)物濃度下操作，反應(yīng)速率慢，故產(chǎn)量低。2. 對(duì)一閉式反應(yīng)器進(jìn)行停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在Q 300L/min 下，得到E(t) t 關(guān)E(t) 函數(shù)性質(zhì)確定并計(jì)算：系如下圖所示。由于該圖放置已久，縱坐標(biāo)模糊不清。試根據(jù)E(t)F(t)( 3)該反應(yīng)器體積為多少？( 4)多級(jí)串聯(lián)模型參數(shù)N 為多少？2(5) 無(wú)因次方差

7、為多少？( 6)軸向擴(kuò)散模型參數(shù)Pe為多少？01020t/min答：E(t) -1/200(t-20)F(t) -t 2/400+0.1t TOC o 1-5 h z V2 m 3( 4)多級(jí)串聯(lián)模型參數(shù)N2211無(wú)因次方差N 222 -Pe-(1 - e-Pe) 0.5Pe Pe26)Pe 2.563某一級(jí)不可逆氣固催化反應(yīng)，在反應(yīng)溫度150下，測(cè)得kP=5s-1 , 有效擴(kuò)散系數(shù)DeA=0.2cm2/s 。求：（ 1 ） 當(dāng)顆粒直徑為0.1mm時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散影響是否已消除？（ 2） 欲保持催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子為0.8 ，則顆粒直徑應(yīng)不大于多少？1(2)11tanh 30.8試 差 ， 得 0.

8、68dPkP6DeA0.68解： dP 0.816 cm二、填空題1、化學(xué)反應(yīng)工程是一門(mén)研究化學(xué)反應(yīng)的工程問(wèn)題的科學(xué)。2、化學(xué)反應(yīng)速率式為rA KCCACB ，如用濃度表示的速率常數(shù)為KC ，用壓力表示的速率常數(shù)KP，則KC=（RT）（ ） KP。P（主 ）A3、平行反應(yīng)S（副） 均為一級(jí)不可逆反應(yīng)，若E主E副， 選擇性Sp與濃度 無(wú)關(guān)，僅是 溫度 的函數(shù)。4、對(duì)于反應(yīng)級(jí)數(shù)n 0的反應(yīng)，為降低反應(yīng)器容積，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器為宜。5、對(duì)于恒容的平推流管式反應(yīng)器平均停留時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、空時(shí)一致。6、若流體是分子尺度作為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元來(lái)進(jìn)行混合，這種流體稱為_(kāi)微觀流體_。7、流體的混合程度常用調(diào)勻度

9、S 、 流體的混合態(tài)來(lái)描述。8、 催化劑在使用過(guò)程中，可能因晶體結(jié)構(gòu)變化、融合等導(dǎo)致表面積減少造成的_物理 失活，也可能由于化學(xué)物質(zhì)造成的中毒或物料發(fā)生分解而造成的9、對(duì)于多孔性的催化劑，分子擴(kuò)散很復(fù)雜，當(dāng)微孔孔徑在約化學(xué)_失活。0.1um _時(shí)，分子與孔壁的碰撞為擴(kuò)散阻力的主要因素，這種擴(kuò)散稱為努森擴(kuò)散。10、絕熱床反應(yīng)器由于沒(méi)有徑向床壁傳熱，一般可以當(dāng)作平推流處理，只考慮流體流動(dòng)方向上有溫度和濃度的變化，因此一般可用擬均相一維模型來(lái)計(jì)算。11、對(duì)于可逆的放熱反應(yīng)，存在著使反應(yīng)速率最大的最優(yōu)溫度Topt 和平衡溫度Teq，二者的TeqTopt關(guān)系為R lnE2E2E1E112、描述流化床的氣

10、泡兩相模型，以U 0 U mf 則全部以氣泡的形式通過(guò)。U 0 的氣速進(jìn)入床層的氣體中，一部分在乳相中以起始流化速度U mf 通過(guò)，而其余部分13、描述流化床的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于氣、乳兩相的流動(dòng)模式一般認(rèn)為_(kāi)氣 _相為平推流，而對(duì)_乳 _相則有種種不同的流型。14、多相反應(yīng)過(guò)程是指同時(shí)存在兩個(gè)或更多相態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)所進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程。15、三傳一反是化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)。16、不論是設(shè)計(jì)、放大或控制，都需要對(duì)研究對(duì)象作出定量的描述，也就要用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)個(gè)參數(shù)間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱_數(shù)學(xué)模型_。K1K217、 一 級(jí) 連 串 反 應(yīng) APS在 平 推 流 反 應(yīng) 器 中 ， 則 目 的 產(chǎn) 物 P 的 最 大 濃

11、 度C P, maxtoptk2/(k2 k1) k1k2ln(k2 /k1)k2k1)nK0 nKK18、著眼反應(yīng)組分K的轉(zhuǎn)化率的定義式為_(kāi)nK 0_。KK19、一級(jí)連串反應(yīng)APS在間歇式全混流反應(yīng)器中，則目的產(chǎn)物P 的最大濃度k2/(k2 k1)ln(k2 /k1)P, maxtoptk2k2k1 )20、 化學(xué)反應(yīng)速率式為rA KCCACB ， 如用濃度表示的速率常數(shù)為KC， 用壓力表示的速率常數(shù) KP ，則KC =KP。21、理想反應(yīng)器是指全混流反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器。22、具有良好攪拌裝置的釜式反應(yīng)器按全混流 反應(yīng)器處理，而管徑小，管子較長(zhǎng)和流速較大的管式反應(yīng)器按平推流 反應(yīng)器處理。d

12、Qr dQG23、全混流反應(yīng)器穩(wěn)定的定常態(tài)操作點(diǎn)的判據(jù)為QG Qr 、 , dT dT24、平推流反應(yīng)器的返混為0_。25、一個(gè)可逆的均相化學(xué)反應(yīng)，如果正、逆兩向反應(yīng)級(jí)數(shù)為未知時(shí)，采用_初始速率法_法來(lái)求反應(yīng)級(jí)數(shù)。 TOC o 1-5 h z 26、分批式完全混合反應(yīng)器操作的優(yōu)化分析是以_平均生產(chǎn)速率最大_、 _生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)最低_為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的。27、軸向分散模型的數(shù)學(xué)期望值 ，方差 _ _ 。28、測(cè)定氣- 液相反應(yīng)速率的方法與均相反應(yīng)時(shí)不同之點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)時(shí)要排除氣相和液相中的_擴(kuò)散阻力_，使反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。29、在流化床中為了傳熱或控制氣- 固相間的接觸，常在床內(nèi)設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件，但很少使用

13、水平構(gòu)件，它對(duì)顆粒和氣體的上下流動(dòng)起一定的阻滯作用，從而導(dǎo)致床內(nèi)產(chǎn)生明顯的_溫度 _梯度和_濃度_梯度。30、 對(duì)于氣 -固系統(tǒng)的流化床反應(yīng)器的粗顆粒系統(tǒng)，氣速超過(guò)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(dòng)亦愈劇烈，使床層波動(dòng)頻繁，這種流化床稱為_(kāi)聚式流化床_。31、當(dāng)前用于描述氣-液兩相流相間傳質(zhì)的模型有兩大類：一是按穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散來(lái)處理的_雙膜模型_；一是按非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散處理模型，如_溶質(zhì)滲透模型_和 _表面更新模型_。32、在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，根據(jù)基礎(chǔ)資料建立物料衡算式的一般式為_(kāi)輸入量=輸出量+反應(yīng)量+ 累積量_。33、活化能的大小直接反映了_反應(yīng)速率_對(duì)溫度的敏感程度。34、生

14、成主產(chǎn)物的反應(yīng)稱為_(kāi)主反應(yīng)_，其它的均為_(kāi)副反應(yīng)_。35、固定床中顆粒的體積相當(dāng)直徑定義為具有相同體積Vp的球粒子直徑，表達(dá)式dv=_（6V P/ ） 1/3 _。三、分析解答題1、簡(jiǎn)述等溫恒容平推流反應(yīng)器空時(shí)、反應(yīng)時(shí)間、停留時(shí)間三者關(guān)系？空時(shí)是反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)料流體的容積流速之比。（分） 反應(yīng)時(shí)間是反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的時(shí)刻起到反應(yīng)達(dá)某一程度所需的反應(yīng)時(shí)間。 （分） 停留時(shí)間是指反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到離開(kāi)反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時(shí)間。（分）由于平推流反應(yīng)器內(nèi)物料不發(fā)生返混，具有相同的停留時(shí)間且等于反應(yīng)時(shí)間，恒容時(shí)的空時(shí)等于體積流速之比，所以三者相等。（分）2、簡(jiǎn)述階躍示蹤

15、法測(cè)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)方法及其對(duì)應(yīng)曲線？階躍示蹤法是對(duì)于定常態(tài)的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，（分）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CA0的流體，（分）同時(shí)保持系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)模式不變，并在切換的同時(shí)，在出口處測(cè)出出口流體中示蹤劑A的濃度隨時(shí)CA F（t） A間的變化。（分）對(duì)應(yīng)的曲線為F（ t ） ，CA0 。 （分）3、簡(jiǎn)述均相反應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容？答：參與反應(yīng)的各物質(zhì)均處于同一個(gè)相內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱為均相反應(yīng)。均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究各種因素如溫度、催化劑、反應(yīng)物組成和壓力等對(duì)反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達(dá)這些影響因素與反應(yīng)速率之間定量關(guān)系的速率方程。4、對(duì)于可逆放熱反應(yīng)如

16、何選擇操作溫度？答： 1） 對(duì)于放熱反應(yīng)，要使反應(yīng)速率盡可能保持最大，必須隨轉(zhuǎn)化率的提高，按最優(yōu)溫度曲線相應(yīng)降低溫度；2 ）這是由于可逆放熱反應(yīng)，由于逆反應(yīng)速率也隨反應(yīng)溫度的提高而提高，凈反應(yīng)速率出現(xiàn)一極大值；3）而溫度的進(jìn)一步提高將導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率相等而達(dá)到化學(xué)平衡。5、簡(jiǎn)述氣- 液反應(yīng)的宏觀過(guò)程：A（ g） + bB （ l ） 產(chǎn)物（ l ）？1） 反應(yīng)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(dá)到氣液相平衡； 2 ） 反應(yīng)物氣相組分A從氣液相界面擴(kuò)散入液相，并在液相內(nèi)反應(yīng)；3 ）液相內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物向濃度下降方向擴(kuò)散，氣相產(chǎn)物則向界面擴(kuò)散；4 ）氣相產(chǎn)物向氣相主體擴(kuò)散。6、簡(jiǎn)述固定

17、床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)？1）催化劑在床層內(nèi)不易磨損；2 ）床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流，與返混式反應(yīng)器相比，用較少的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來(lái)獲得較大的生產(chǎn)能力；3）固定床中的傳熱較差；4 ）催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。7、 對(duì)于反應(yīng)AS ， rR k1CA2， 其活化能為E1； rS k2CA， 其活化能為E2，E1 E2 時(shí)如何選擇操作溫度可以提高產(chǎn)物的收率？E1 / RTE2 E1rRk10ek10RTSRE / RT CA e CA答：對(duì)于平行反應(yīng)rSk20e 2k20，所以，當(dāng)E1E2時(shí)應(yīng)盡可能提高反應(yīng)溫度，方可提高R的選擇性，提高R的收率8、簡(jiǎn)述氣固流化床反應(yīng)器氣泡兩相模型的特點(diǎn)？1）以U

18、0的氣速進(jìn)入床層的氣體中，一部分在乳相中以起始流動(dòng)速度Umf通過(guò)，而其余部分以（U0-Umf）則全部以氣泡的形式通過(guò)；2 ）床層從流化前的高度Lmf增高到流化時(shí)的高度Lf，完全是由于氣泡的體積所造成；3 ）氣泡相為向上的平推流，大小均一；4 ）反應(yīng)完全在乳相中進(jìn)行；5 ）氣泡與乳相間的交換量Q為穿流量q與擴(kuò)散量之和。9、簡(jiǎn)述雙膜理論？該模型設(shè)想在氣- 液兩相流的相界面處存在著呈滯流狀態(tài)的氣膜和液膜，而把氣液兩相阻力集中在這兩個(gè)流體膜內(nèi)，而假定氣相主體和液相主體內(nèi)組成均一，不存在傳質(zhì)阻力。組分是通過(guò)在氣膜和液膜內(nèi)的穩(wěn)定的分子擴(kuò)散過(guò)程來(lái)進(jìn)行傳質(zhì)的，通過(guò)氣膜傳遞到相界面的溶質(zhì)組分瞬間的溶于液體且達(dá)到平衡。因此， 把復(fù)雜的相間傳質(zhì)過(guò)程模擬成串聯(lián)的穩(wěn)定的雙膜分子擴(kuò)散過(guò)程的疊加，相間傳質(zhì)總阻力等于傳質(zhì)阻力的加和。10、簡(jiǎn)述理想反應(yīng)器的種類？通常所指的理想反應(yīng)器有兩類：理想混合（完全混合）反應(yīng)器和平推流（活塞流或擠出流）反應(yīng)器。所謂完全混合流反應(yīng)器是指器內(nèi)的反應(yīng)流體瞬間達(dá)到完全混合，器內(nèi)物料與反應(yīng)器出口物料具有相同的溫度和濃度。所謂平推流反應(yīng)器是指器內(nèi)反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)