反應工程期末考試試題

化學反應過程簡答填空名詞解釋任何化工生產(chǎn)，從原料到產(chǎn)品都可以概括為原料預處理，化學反應過程和產(chǎn)物的后處理三個組成部分，而化學反應過程是整個化工生產(chǎn)的核心。工業(yè)反應器中對反應結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：1，由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質(zhì)過程；2，由化學反應的熱效應產(chǎn)生的傳熱過程；3，多相催化反應中在催化劑微孔內(nèi)的擴散與傳熱過程?；瘜W反應和反應器的分類：1.按反應系統(tǒng)設計的相態(tài)分類分為：eq\o\ac(○,1)均相反應，包括氣相均相反應和液相均相反應；eq\o\ac(○,2)非均相反應，包括氣-固相、氣-液相、液-固相、氣-液-固相反應。2.按操作方式分類分為：間歇操作，連續(xù)操作和半連續(xù)操作。3.按反應器型式來分類分為：管式反應器，槽式反應器和塔式反應器。4.按傳熱條件分為：等溫反應器，絕熱反應器和非等溫絕熱反應器?；瘜W反應工程的基本研究方法是數(shù)學模型法。反應速率：單位反應體系內(nèi)反應程度隨時間的變化率。反應動力學方程：定量描述反應速率與影響反應速率因素之間的關系式。半衰期：反應轉(zhuǎn)化率從0變成50%所需時間稱為該反應的半衰期。建立動力學方程的方法有：積分法、微分法、最小方差分析法。反應器開發(fā)的三個任務：eq\o\ac(○,1)根據(jù)化學反應動力學特性來選擇合適的反應器型式；eq\o\ac(○,2)結(jié)合動力學和反應器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化操作條件；eq\o\ac(○,3)根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應裝置進行設計計算，確定反應器的幾何尺寸并進行評價。反應器設計計算所涉及的基礎方程式就是動力學方程式、物料衡算方程式和熱量衡算方程式。停留時間分布：在反應器中，由于流動狀況不同，物料微元體在反應器中的停留時間可能是各不相同的，存在一個分布，稱為停留時間分布平均停留時間：各流體微元從反應器入口到出口所經(jīng)歷的平均時間稱為平均停留時間。充分混合：指反應器內(nèi)的物料在機械攪拌的作用下參數(shù)各處均一。間歇反應器特性：eq\o\ac(○,1)由于劇烈攪拌、混合，反應器內(nèi)有效空間中各未知的物料溫度、濃度都相同；eq\o\ac(○,2)由于一次加料，一次出料，反應過程中沒有加料、出料，所有物理在反應器中停留時間相同，無返混現(xiàn)象；eq\o\ac(○,3)出料組成與反應器內(nèi)物理的最終組成相同；eq\o\ac(○,4)為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。平推流反應器：指通過反應器的物料沿著同意方向以相同速度向前流動，像活塞一樣在反應器中向前平推。理想置換反應器的特性：eq\o\ac(○,1)物料無返混，所有物料通過反應器時間相同。eq\o\ac(○,2)在垂直于流動方向上的同一截面，不同徑向未知的流體特性是一致的。eq\o\ac(○,3)在定常態(tài)下操作，反應器內(nèi)的狀態(tài)只隨軸向位置改變，不隨時間改變。全混流反應器特性：eq\o\ac(○,1)物料在反應器內(nèi)充分返混；eq\o\ac(○,2)反應器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；eq\o\ac(○,3)反應器的出口組成與內(nèi)物料組成相同；eq\o\ac(○,4)反應過程中連續(xù)進料與出料，是一定常態(tài)過程。循環(huán)反應器的基本假設：反應器內(nèi)為理想活塞流動；管線內(nèi)不發(fā)生化學反應;整個體系處于定常態(tài)操作。PFR和CSTR的選擇：轉(zhuǎn)化率低的自催化反應，CSTR優(yōu)于PFR；轉(zhuǎn)化率高的PFR較適宜?？赡娣磻俾士偸请S轉(zhuǎn)化率升高而降低?？赡嫖鼰岱磻俾士偸请S溫度升高而加快，而可逆放熱反應按最佳溫度曲線操作時速率最大。平行反應：反應物能同時進行兩個或兩個以上的反應。稱之為平行反映連串反應：指反應產(chǎn)物能進一步反應成其他副產(chǎn)物的過程。連串反應中，為了提高目的產(chǎn)物的收率，應盡可能使k1/k2比值增加，使cA度增加，cP濃度降低。反應速率常數(shù)k與濃度無關，只有改變溫度能夠影響k1/k2提高溫度對活化能大的反應有利，若生成目的產(chǎn)物活化能較高，就應升高溫度，反之降低溫度。簡單混合：如果原來在反應器不同位置的物料是在同一時間進入反應器的，發(fā)生混合作用時，這種混合稱為簡單混合返混：如果原來在不同位置的物料是在不同時間進入反應器的，由于反應時間不同，物料的濃度是不同的，兩者混合后混合物的濃度與物料的濃度不同，這種混合過程稱為返混。示蹤劑應滿足的要求：eq\o\ac(○,1)示蹤劑與原物料是互溶的，但與原物料之間無化學反應發(fā)生；eq\o\ac(○,2)示蹤劑的加入必須對主流體的流動形態(tài)沒有影響；eq\o\ac(○,3)示蹤劑必須是能用簡便而又精確的方法加以確定的物質(zhì)；eq\o\ac(○,4)示蹤劑盡量選用無毒、不燃、無腐蝕同時價格又較低的物質(zhì)。（小編提醒，此題為簡答題，考試題幾率為90%）對比時間：用時間與反應器空時的比值作為自變量。非理想流動模型有：凝集流模型；多極混合槽模型；軸向擴散模型流體元：指流體流動的最小獨立單元。分散流體：流體元是分子的情況，即流體以分子狀態(tài)均勻分散于系統(tǒng)中的流體。也叫微觀流體微觀混合：微觀流體的流體元以分子狀態(tài)相混合，稱為微觀混合凝集：流體的分子聚集成微小的集團存在于系統(tǒng)之中，這種局部分子聚集成團的現(xiàn)象稱為凝集凝集流體：流體流動的最小單元是凝集的分子集團的流體，也叫宏觀流體宏觀混合：宏觀流體分子集團的狀態(tài)相混合稱為宏觀混合模型法解決化學反應工程問題的步驟：eq\o\ac(○,1)小試研究化學反應規(guī)律；eq\o\ac(○,2)根據(jù)化學反應規(guī)律合理選擇反應器類型；eq\o\ac(○,3)大型冷模試驗研究傳遞過程規(guī)律；eq\o\ac(○,4)利用計算機或其它手段綜合反應規(guī)律和傳遞規(guī)律，預測大型反應器性能，尋找優(yōu)化條件；eq\o\ac(○,5)熱模試驗檢驗模型的等效性。催化劑反應過程的特征：eq\o\ac(○,1)催化劑改變反應歷程，改變反應速率，其本身在反應前后沒有變化。eq\o\ac(○,2)對可逆反應，催化劑不會改變反應物質(zhì)最終所能達到的平衡狀態(tài)。eq\o\ac(○,3)對任何一個可逆反應，催化劑即會加快正反應速率，也必將以同樣的倍數(shù)加快逆反應速率。eq\o\ac(○,4)催化劑對反應過程有良好的選擇性。多相催化反應過程的七個步驟：eq\o\ac(○,1)反應組分從流體主體向固體催化劑外表面?zhèn)鬟f；eq\o\ac(○,2)反應組分從外表面向催化劑內(nèi)表面?zhèn)鬟f；eq\o\ac(○,3)反應組分在催化劑表面的活性中心上吸附；eq\o\ac(○,4)在催化劑表面上進行化學反應；eq\o\ac(○,5)反應產(chǎn)物在催化劑表面解吸；eq\o\ac(○,6)反應產(chǎn)物從催化劑內(nèi)表面向外表面?zhèn)鬟f；eq\o\ac(○,7)反應產(chǎn)物從催化劑的外表面向流體主體傳遞。固體催化劑包括：催化活性物質(zhì)、載體、助催化劑和抑制劑一個好的固體催化劑必須具有高活性、高選擇性、高強度和長壽命等特點載體在催化劑中可以起到的作用有：eq\o\ac(○,1)提供有效表面和合適的孔結(jié)構(gòu)；eq\o\ac(○,2)使催化劑獲得一定的機械強度；eq\o\ac(○,3)提高催化劑的熱穩(wěn)定性；eq\o\ac(○,4)提供活性中心；eq\o\ac(○,5)與活性組分作用形成新的化合物；eq\o\ac(○,6)節(jié)省活性組分用量。制備固體催化劑，一般在干燥以后，都需要經(jīng)過高溫煅燒，其目的是：eq\o\ac(○,1)除掉易揮發(fā)組分，保證一定化學組成，從而使催化劑具有穩(wěn)定的活性；eq\o\ac(○,2)使催化劑保持一定晶型、晶粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積；eq\o\ac(○,3)提高催化劑的機械強度。雙曲線型本征動力學方程模型基本假設：在吸附-反應-脫附三個步驟中必然存在一個控制步驟，該控制步驟的速率便是本正反應速率；除了控制步驟外，其他步驟均處于平衡狀態(tài)；吸附和脫附過程屬于理想過程，即吸附和脫附過程可用蘭格繆爾吸附模型加以描述計算題1-7.有一反應在間歇反應器中進行，經(jīng)過8min后，反應物轉(zhuǎn)化掉80％，經(jīng)過18min后，轉(zhuǎn)化掉90％，求表達此反應的動力學方程式。1-14.在間歇攪拌槽式反應器中，用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應式為：反應物配比為：A(mol):B(mol)=1:4.97，反應在100℃下進行。A轉(zhuǎn)化率達50％需要時間為24.6min，輔助生產(chǎn)時間為30min，每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯（忽略分離損失），計算反應器體積。混合物密度為750kg·m-3，反應器裝填系數(shù)為0.75。1-23.反應A+B→R+S，已知VR=0.001m3，物料進料速率V0=0.5×10-3m3min-1，cA0=cB0=5mol·m3，動力學方程式為?rA=kcAcB，其中k=100m3kmol-1min-1。求：(1)反應在平推流反應器中進行時出口轉(zhuǎn)化率為多少？(2)欲用全混流反應器得到相同的出口轉(zhuǎn)化率，反應器體積應多大?(3)若全混流反應器體積VR=0.001m3，可達到的轉(zhuǎn)化率為多少?已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA飽和=0.02kmol·m-3，水溶液流量為10m3hr-1。2-3.一級反應A→P，在一體積為VP的平推流反應器中進行，已知進料溫度為150℃，活化能為84kJ·mol-1，如改用全混流反應器，其所需體積設為Vm，則Vm/Vp應有何關系?當轉(zhuǎn)化率為0.6時，如果使Vm=Vp，反應溫度應如何變化?如反應級數(shù)分別為n=2，1/2，?1時，全混流反應器的體積將怎樣改變？2-4.在體積VR=0.12m3的全混流反應器中，進行反應，式min，兩種物料以等體積加入反應器中，一種含2.8kmolA·m，另一種含1.6kmolA·m中k1=7m3kmol-1min-1，mink2=3m3kmol-1min-1。設系統(tǒng)密度不變，當B的轉(zhuǎn)化率為75％時，求每種物料的流量。2-6.平行液相反應A→PrP=1A→RrR=2cAA→SrS=cA2已知cA0=2kmol·m-3，cAf=0.2kmol·m-3，求下列反應器中，cP最大為多少?(1)平推流反應器；(2)全混流反應器；(3)兩相同體積的全混流反應器串聯(lián)，cA1=1kmol·m-3。解：2-7.自催化反應A+P→2P的速率方程為：?rA=kcAcP，k=lm3kmol-1min-1，原料組成為含A13%，含P1%（摩爾百分數(shù)），且cA0+cP0=lkmol·m-3，出口流中cP=0.9kmol·m-3，計算采用下列各種反應器時的空間時間(τ=VR/V0)。(1)平推流反應器；(2)全混流反應器；(3)平推流與全混流反應器的最佳組合；(4)全混流反應器與一分離器的最佳組合。2-10.A進行平行分解反應，其速率式為↗RrR=1kmol·m-3min-1A→SrS=2cAkmol