(完整版)《化學(xué)反應(yīng)工程》期末考試試題及答案解讀

1、k S K A PA K B PBr2二、填空題 （每題 5 分，共 30 分）(1 K APAK BPBK RPR)1一不可逆反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度從25升高到 35時，反應(yīng)速率增加一倍，則該反應(yīng)的活化能為52894 Jmol。k2E11ln 2ln()k1RT1T2E(11 )ln 28.314298308解： E52894 J / mol，2一氣固催化反應(yīng)ABR ，若本征反應(yīng)速率方程為：則該反應(yīng)可能的反應(yīng)機理為A AB 222B ABk SR (此步為速率控制步驟）RR3間歇釜反應(yīng)器中進行如下反應(yīng)：A P A Sa1(1)r A1 k1CA(2) r A2=k2 CAa2在 CA0 和反應(yīng)時間

2、保持不變下， 降低反應(yīng)溫度， 釜液中 CP/C S 增大， 表明活化能 E1 與 E2 的相對大小為E1<E2；在溫度和反應(yīng)時間保持不變下，增高反應(yīng)濃度，釜液中C /C增大，表明反應(yīng)級數(shù)al 、 a2 的相對大小為al>a2。PSA al>a2 Bal<a2 C 活化能 El<E2D 活化能 El>E220.98 , 反應(yīng)器可視為4從反應(yīng)器停留時間分布測定中, 求得無因次方差全混流反應(yīng)2器又若求得無因次方差0.02 , 則反應(yīng)器可視為活塞流反應(yīng)器。5有兩個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

3、，小釜在先、大釜在后，則出口轉(zhuǎn)化率為xA2，兩種情況下，進料流速、進料濃度和反應(yīng)溫度均相同，比較xA1和 xA2的相對大小為 x<xA2。A16. 在固定床反應(yīng)器中，分別進行一級和二級不可逆氣固催化反應(yīng)，試比較rPk1 C A2 C B0.5a、 b兩處的rQk 2 C A0.5 C B2值大?。?a 處靠近反應(yīng)器的進口， b 處靠近反應(yīng)器的出口） ，并說明理由。（1）一級放熱反應(yīng)，絕熱操作；>ba（2）二級反應(yīng)，等溫操作。a<b2 ABk1P三、問答題 （每題 6 分，共 12 分）A2Bk2Q1. 液相復(fù)合反應(yīng) , 若為使目的產(chǎn)物 P 的選擇性高，應(yīng)選擇：(1) 若采用間

4、歇反應(yīng)釜，其加料方式為？(2) 若采用管式反應(yīng)器，其進料方式為？(3) 若 E1>E2，則反應(yīng)溫度應(yīng)盡可能采用高溫或低溫？答：為使目的產(chǎn)物 P 的選擇性高，應(yīng)選擇：(1)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；(2)若采用管式反應(yīng)器，其進料方式為A從反應(yīng)器進口處加入， B 沿管長多處加入；(3)若 E1>E2，則反應(yīng)溫度應(yīng)采用高溫 。2. 在四段絕熱式固定床反應(yīng)器中進行n 級不可逆反應(yīng) , 各段的催化劑量相同 , 且控制進入各段的反應(yīng)物料溫度相等. 若 n>0, 試問(1) 哪一段的凈轉(zhuǎn)化率最大 ?哪一段最小 ?(2) 若段間采用冷激方法進行降溫 , 試問

5、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 , 第一段最大 , 第二段次之 ,第三段再次之，第四段最小.(2) 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

6、H 2 O H 2COHCHOHCH3該反應(yīng)對環(huán)氧丙烷為一級，對水為零級，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%。（1）若采用間歇操作，輔助時間為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)量會有不同？解：（ 1） 一級不可逆反應(yīng)：t1x Af)10.9)2.35hln( 1ln( 1k0.98V rQ0 ( tt0 )Q0 (2.35 0.65)1Q01 / 3m 3 / hVr

7、1m3 ,rAkC A , k0.98h 1 ,CA 02.1kmol / l , X A0.9丙二醇的濃度 =CA 0 X A2.1 0.91.89kmol / m 3丙二醇的產(chǎn)量 =Q 0C A0 x Af 1.891/ 30.63kmol / h15.15kmol /日(2) 采用定態(tài)下連續(xù)操作Q0 X AfQ0.9Vr01k (1 X Af )0.98(10.9)所以 Q0=0.109m3/h丙二醇的產(chǎn)量 =0.1091.890.2058kmol / h4.939kmol /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. 對一閉式反應(yīng)器進行停留時間分布實驗測定，在

8、Q300L/min 下，得到 E(t) t關(guān)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) 函數(shù)性質(zhì)確定并計算：（ 1） E(t)（2） F(t) 1E(t) /min（ 3）該反應(yīng)器體積為多少？（ 4）多級串聯(lián)模型參數(shù) N 為多少？2(5) 無因次方差為多少？（ 6）軸向擴散模型參數(shù)Pe 為多少？01020t/min答：（1） E(t)-1/200(t-20)(2 ） F(t)-t 2/400+0.1t（3）V2 m3（ 4）多級串聯(lián)模型參數(shù)N 2(5) 無因次方差2211N22-2(1 - e- Pe ) 0.5PePe2（ 6） Pe2.563 某一級不可逆氣固催化反應(yīng)，

9、在反應(yīng)溫度150 下，測得kP=5s-1 , 有效擴散系數(shù)eA2/s 。求：D =0.2cm（1）當(dāng)顆粒直徑為0.1mm時，內(nèi)擴散影響是否已消除？（2）欲保持催化劑內(nèi)擴散有效因子為0.8 ，則顆粒直徑應(yīng)不大于多少？(1)d PkP0.01516DeA60.0083330.21(2)1110.8tanh 33試差，得0.68d Pk Pd P550.686DeA60.2dP6解： d P0.816cm二、填空題1、化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)。2、化學(xué)反應(yīng)速率式為r AK C C A C B ，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)(

10、 )K P 。P(主 )A3、平行反應(yīng)S(副) 均為一級不可逆反應(yīng)，若 E主 E副 ，選擇性 Sp與濃度 無關(guān)，僅是 溫度的函數(shù)。4、對于反應(yīng)級數(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、對于恒容的平推流管式反應(yīng)器平均停留時間、反應(yīng)時間、空時一致。6、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 _。7、流體的混合程度常用調(diào)勻度 S 、 流體的混合態(tài)來描述。8、催化劑在使用過程中，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、對于多孔性的催化劑，分子擴散很復(fù)雜，當(dāng)微孔孔徑在約撞為擴

11、散阻力的主要因素，這種擴散稱為努森擴散。_化學(xué) _失活。_0.1um _ 時，分子與孔壁的碰10、絕熱床反應(yīng)器由于沒有徑向床壁傳熱，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計算。11、對于可逆的放熱反應(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TeqToptRE2關(guān)系為 _ TeqlnToptE2 E1E1_ 。12、描述流化床的氣泡兩相模型，以U 0 的氣速進入床層的氣體中，一部分在乳相中以起始流化速度 U mf 通過，而其余部分U 0U mf 則全部以氣泡的形式通過。13、描述流化床的數(shù)學(xué)模型，對于氣、乳兩相的

12、流動模式一般認為_氣 _相為平推流，而對_乳 _相則有種種不同的流型。14、多相反應(yīng)過程是指同時存在兩個或更多相態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)所進行的反應(yīng)過程。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、放大或控制，都需要對研究對象作出定量的描述，也就要用數(shù)學(xué)式來表達個參數(shù)間的關(guān)系，簡稱_數(shù)學(xué)模型 _。K1K 2S在平推流反應(yīng)器中，則目的產(chǎn)物 P 的最大濃度17、一級連串反應(yīng) APk1 k 2 /( k2 k1 )/ k1 )ln(k2C P, max _、 t opt_。 k2、 k2k1）KnK 0nKnK 018、著眼反應(yīng)組分K的轉(zhuǎn)化率的定義式為 _。19、一級連串反應(yīng)K1K 2S在間歇式全混

13、流反應(yīng)器中，則目的產(chǎn)物P 的最大濃度AP k 2 /( k2k1 )ln(k2/ k1 )k1C P, max _、 t opt_。 k2、k2k1）20、化學(xué)反應(yīng)速率式為rAK C C A C B ，如用濃度表示的速率常數(shù)為K C ，用壓力表示的速率常數(shù) KP ，則 KC =_ K P 。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，管子較長和流速較大的管式反應(yīng)器按 平推流 反應(yīng)器處理。dQrdQG23、全混流反應(yīng)器穩(wěn)定的定常態(tài)操作點的判據(jù)為QG Qr 、 , dTdT24、平推流反應(yīng)器的返混為 _0_ 。25、一個可逆的

14、均相化學(xué)反應(yīng)，如果正、逆兩向反應(yīng)級數(shù)為未知時，采用_初始速率法 _法來求反應(yīng)級數(shù)。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)費最低_為目標(biāo)進行優(yōu)化的。27、軸向分散模型的數(shù)學(xué)期望值_ _ ，方差 _。28、測定氣 - 液相反應(yīng)速率的方法與均相反應(yīng)時不同之點是實驗時要排除氣相和液相中的_擴散阻力 _，使反應(yīng)在動力學(xué)區(qū)域內(nèi)進行。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，但很少使用水平構(gòu)件，它對顆粒和氣體的上下流動起一定的阻滯作用，從而導(dǎo)致床內(nèi)產(chǎn)生明顯的_溫度 _梯度和 _濃度 _梯度。30、對于氣 - 固系統(tǒng)的流化床反應(yīng)器的粗顆粒系統(tǒng)

15、，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 _。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)擴散來處理的_雙膜模型 _；一是按非穩(wěn)態(tài)擴散處理模型，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，根據(jù)基礎(chǔ)資料建立物料衡算式的一般式為_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 _對溫度的敏感程度。34、生成主產(chǎn)物的反應(yīng)稱為_主反應(yīng) _，其它的均為_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，表達式dv =_

16、(6V P/ ) 1/3 _。三、分析解答題1、簡述等溫恒容平推流反應(yīng)器空時、反應(yīng)時間、停留時間三者關(guān)系？空時是反應(yīng)器的有效容積與進料流體的容積流速之比。 （分）反應(yīng)時間是反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后從實際發(fā)生反應(yīng)的時刻起到反應(yīng)達某一程度所需的反應(yīng)時間。（分）停留時間是指反應(yīng)物進入反應(yīng)器的時刻算起到離開反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時間。（分）由于平推流反應(yīng)器內(nèi)物料不發(fā)生返混，具有相同的停留時間且等于反應(yīng)時間，恒容時的空時等于體積流速之比，所以三者相等。（分）2、簡述階躍示蹤法測停留時間分布的實驗方法及其對應(yīng)曲線？階躍示蹤法是對于定常態(tài)的連續(xù)流動系統(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

17、且濃度為 C A0 的流體，（分）同時保持系統(tǒng)內(nèi)流動模式不變， 并在切換的同時， 在出口處測出出口流體中示蹤劑 A的濃度隨時C AF (t )間的變化。（分）對應(yīng)的曲線為F（t ），C A0 。（分）3、簡述均相反應(yīng)及其動力學(xué)的研究內(nèi)容？答：參與反應(yīng)的各物質(zhì)均處于同一個相內(nèi)進行的化學(xué)反應(yīng)稱為均相反應(yīng)。均相反應(yīng)動力學(xué)是研究各種因素如溫度、催化劑、反應(yīng)物組成和壓力等對反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達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、對于可逆放熱反應(yīng)如何選擇操作溫度？答：1）對于放熱反應(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

18、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）而溫度的進一步提高將導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率相等而達到化學(xué)平衡。5、簡述氣 - 液反應(yīng)的宏觀過程： 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，在界面上假定達到氣液相平衡； 2 ）反應(yīng)物氣相組分 A從氣液相界面擴散入液相， 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散，氣相產(chǎn)物則向界面擴散； 4 ）氣相產(chǎn)物向氣相主體擴散。6、簡述固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點？1）催化劑在床層內(nèi)不易磨損； 2 ）床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式反應(yīng)器相比，用較少的催化劑

19、和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(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)進行。k1RAk22ErS k2C AE7、對于反應(yīng)S ，rRk1C A ，其活化能為1；，其活化能為，2當(dāng) E1 E2 時如何選擇操作溫度可以提高產(chǎn)物的收率？E /RTE2E1rRk10 e1k10 e RT C ASRE/RT CA答：對于平行反應(yīng)rSk20 e2k20，所以，當(dāng) E1 E2 時應(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、簡述氣固流化床反應(yīng)器氣泡兩相模型的特點？1）以 U0的氣速進入床層的氣體中，一部分在乳相中以起始流動速度Umf通過，而其余部分以（ U0-Umf）則全部以氣泡的形式通過；2 ）床層從流化前的高度Lmf增高到流化時的高度 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)完全在乳相中進行； 5 ）氣泡與乳相間的交換