《化学反应工程》试题及答案.doc

1、化学反应工程试题一、填空题1. 质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一反.2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累积 。3. 着眼组分 A 转化率 xA 的定义式为 xA=(nA0-nA)/nA0 。4. 总反应级数不可能大于 3 。5. 反应速率- rA=kCACB 的单位为 kmol/m3h，速率常数 k 的因次为 m3/kmolh 。6. 反应速率- rA=kCA 的单位为 kmol/kgh，速率常数 k 的因次为 m3/kgh 。7. 反应速率 的单位为 mol/Ls，速率常数 k 的因次为 (mol)1/2L-1/2s 2/1k。8. 反应速率常数

2、 k 与温度 T 的关系为 ，其活化能为 83.14kJ/mol 2.10lgTk。9. 某反应在 500K 时的反应速率常数 k 是 400K 时的 103 倍，则 600K 时的反应速率常数k 时是 400K 时的 105 倍。10. 某反应在 450时的反应速率是 400时的 10 倍，则该反应的活化能为（设浓度不变）186.3kJ/mol 。11. 非等分子反应 2SO2+O2=2SO3 的膨胀因子 等于 -0.5 。2SO12. 非等分子反应 N2+3H2=2NH3 的膨胀因子 等于 2/3 。2H13. 反应 N2+3H2=2NH3 中（ ）= 1/3 （ ）= 1/2 2Nr2r

3、3NHr14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为 CA0，转化率为 xA，当反应器体积增大到 n 倍时，反应物 A 的出口浓度为 CA0(1-xA)n ，转化率为 1-(1-xA)n 。15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为 CA0，转化率为 xA，当反应器体积增大到 n 倍时，反应物 A 的出口浓度为 ，转化率为 。Axn)1(n)1(16. 反应活化能 E 越 大 ，反应速率对温度越敏感。17. 对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越 大 。18. 某平行反应主副产物分别为 P 和 S，选择性 SP 的定义为 (nP-nP0)/ (n

4、S-nS0) 。 19. 某反应目的产物和着眼组分分别为 P 和 A 其收率 P 的定义为 (nP-nP0)/ (nA0-nA) 。20. 均相自催化反应其反应速率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反应速率 。21. 根据反应机理推导反应动力学常采用的方法有 速率控制步骤 、 拟平衡态 。22. 对于连续操作系统，定常态操作是指 温度及各组分浓度不随时间变化 。23. 返混的定义： 不同停留时间流体微团间的混合 。24. 平推流反应器的返混为 0 ；全混流反应器的返混为 。25. 空时的定义为 反应器体积与进口体积流量之比 。26. 针对着眼组分 A 的全混流反应器的设计方程为 。Arx

5、FV027. 不考虑辅助时间，对反应级数大于 0 的反应，分批式完全混合反应器优于全混流反应器。28. 反应级数0 时，多个全混流反应器串联的反应效果 优于全混流反应器。29. 反应级数0 时，平推流反应器的反应效果 优于 全混流反应器。31. 反应级数0 时，平推流反应器的反应效果差于 全混流反应器。32. 对反应速率与浓度成正效应的反应分别采用全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器体积的大小关系为 全混流多级串联全混流平推流 ；33. 通常自催化反应较合理的反应器组合方式为 全混流 + 平推流 。34. 相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度 高于 最优温度。35. 主反应级数大于副反

6、应级数的平行反应，优先选择 平推流 反应器。36. 主反应级数小于副反应级数的平行反应，优先选择 全混流 反应器。37. 要提高串联反应中间产物 P 收率，优先选择 平推流 反应器。38. 主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜采用 低 温操作。39. 主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜采用 高 温操作。40. 停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式 。0.1)(dtE41. 定常态连续流动系统，F(0)= 0 ；F()= 1 。42. 定常态连续流动系统，F(t) 与 E(t)的关系 。td0)(43. 平均停留时间 是 E(t)曲线的 分布中心 ；与 E(t)的关系为

7、 。t 0)(dtEt44. 方差 表示停留时间分布的 分散程度 ；其数学表达式为 。2t 022)(dtEtt45. 采用无因次化停留时间后，E()与 E(t) 的关系为 。)(t46. 采用无因次化停留时间后，F()与 F(t) 的关系为 F()=F(t) 。47. 无因次方差 与方差 的关系为 。22t 22/t48. 平推流反应器的 = 0 ；而全混流反应器的 = 1 。49. 两种理想流动方式为 平推流 和 全混流 。50. 非理想流动 的数值范围是 01 。251. 循环操作平推流反应器循环比越 大 返混越大。52. 循环操作平推流反应器当循环比 = 0 时为平推流；当 = 时为全

8、混流。53. 停留时间分布实验测定中，常用的示踪方法为 脉冲示踪 和 阶跃示踪 。54. 脉冲示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到 E(t) 曲线。55. 阶跃示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到 F(t) 曲线。56. 采用脉冲示踪法测得的浓度 CA(t)与 E(t)的关系式为 E(t)= CA(t)/C0 。57. 采用阶跃示踪法测得的浓度 CA(t)与 F(t)的关系式为 F(t)= CA(t)/ CA0 。58. N 个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差 = 1/N 。259. 多级全混釜串联模型当釜数 N= 1 为全混流，当 N= 为平推流。60. 全混流的 E(

9、t)= ；F (t)= 。te1te61. 平推流的 E(t)=0 当 、=当 ；F(t)= 0 当 、=1 当 。tt62. 轴向分散模型中，Pe 准数越 小 返混越大。63. 轴向分散模型中 Peclet 准数的物理意义是 代表了流动过程轴向返混程度的大小 。64. 对于管式反应器，流速越 大 越接近平推流；管子越 长 越接近平推流。65. 为使管式反应器接近平推流可采取的方法有 提高流速 和 增大长径比 。66. 对于 平推流 反应器，宏观流体与微观流体具有相同的反应结果。67. 工业催化剂所必备的三个主要条件：选择性高 、活性好 和 寿命长 。68. 化学吸附的吸附选择性要 高于 物理

10、吸附的吸附选择性。69. 化学吸附的吸附热要 大于 物理吸附的吸附热。70. 化学吸附常为 单 分子层吸附，而物理吸附常为 多 分子层吸附。71. 操作温度越高物理吸附 越弱 ，化学吸附 越强 ；72. 在气固相催化反应中动力学控制包括 表面吸附 、 表面反应 和 表面脱附 。73. 气固相催化反应本征动力学指消除 内外扩散对反应速率的 影响测得的动力学。74. 气固相催化反应的本征动力学与宏观动力学的主要区别是 前者无内外扩散的影响。75. 在气固相催化反应中测定本征动力学可以通过提高气体流速 消除外扩散、通过 减小催化剂颗粒粒度 消除内扩散。76. 固体颗粒中气体扩散方式主要有 分子扩散

11、和 努森扩散 。77. 固体颗粒中当孔径 较大时 以分子扩散为主，而当孔径 较小时 以努森扩散为主。78. 气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择性 下降 。79. 气固相催化平行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的选择性 下降 。80. Thiele 模数的物理意义 反映了表面反应速率与内扩散速率之比 。81. 催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反应速率/ 催化剂内部浓度和温度与外表面上的相等时的反应速率。82. 催化剂粒径越大，其 Thiele 模数越 大 ，有效系数越 小 ；83. 气固相非催化反应缩核模型中气相反应物 A 的反应历程主要有三步，分别是 气膜扩散 、 灰层扩散

12、 和 表面反应 。84. 自热式反应是指 利用反应自身放出的热量预热反应进料 。85. 固定床反应器的主要难点是 反应器的传热和控温问题 。86. 多段绝热固定床的主要控温手段有 段间换热 、原料气冷激 和 惰性物料冷激 。87. 固定床控制温度的主要目的是 使操作温度尽可能接近最优温度线 。88. 固体颗粒常用的密度有堆密度、颗粒密度和真密度，三者的关系是 真密度颗粒密度堆密度。89. 对于体积为 VP 外表面积为 aP 的颗粒其体积当量直径为 、面积当量直径为 3/6PV、比表面当量直径为 。/Pa/690. 固定床最优分段的两个必要条件是 前一段出口反应速率与下一段进口相等 和 每一段的

13、操作温度线跨越最优温度线。二、计算分析题1. 在恒容条件下，反应 A+2B=R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当 CB =20 kmol/m3 时，计算反应转化率 xA、x B 及各组分的浓度。解：在恒容条件下：x B=( CB0- CB )/ CB0=0.8由 CA0- CA =( CB0- CB )/2 得到： CA =20 kmol/m3=60 kmol/m3xA=( CA0- CA )/ CA0=0.42. 在恒压条件下，反应 A+2B=R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当 CB = 20 kmol/m3 时，反应转化率 xA、x B 及

14、各组分的浓度。解： B=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5n=n0(1+ yB0 B xB) = n0(1-0.5 xB)在恒压条件下：V=V 0 n/n0= V0(1-0.5xB)CB =nB/V= nB0(1- xB)/V0(1-0.5xB)= CB0(1- xB)/ (1-0.5xB)xB=8/9nA0- nA =( nB0- nB )/2xA=( nA0- nA )/ nA0=( nB0- nB )/(2 nA0)= ( nB0- nB )/(2 nB0)=0.5 xB=4/93. 串联- 平行反应 A+B=R，A+R=S，原料中各组分的浓度为CA0=2.0mol/L，C B0=

15、4.0 mol/L，C R0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，C R=1.5 mol/L，计算此时组分 B 和 S 的浓度。解：在恒容条件下：C A1= CB0-CB；C A2= CS ；C R= (CB0-CB)-CS；C A0-CA=C A1+C A2得到：C S=( CA0-CA- CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1 mol/LCB = CB0- CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4 mol/L4. 在间歇反应器中进行等温 2 级、1 级、0 级均相反应，分别求出转化率由 0 至 0.9 所需的时间与转化率由 0.9 至 0

16、.99 所需时间之比。解：在间歇反应器中： 210Axrdt0 级反应： ，)(20021AxAxkCt 109.9.0t1 级反应： ，210ln)(21 AxAAdt 5.ln9.019.0t2 级反应： 2020)(210 AAxA xkCkCt ， 1.09.019.0t5. 在等温恒容条件下进行下列气相反应：A2R 其反应速率方程为，试推导：VndtrA（1） 以 A 组分转化率 xA 表示的反应速率方程；（2） 以总压 P 表示的速率方程。假定原料组分为 50%A 和 50%惰性气体，气体为理想气体。解：（1） VxnkdtxVAA)1(00)(At（2） A=(2-1)/1=1

17、yA0=0.5 n=n0(1+ yA0 A xA) = n0(1+0.5 xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2)5.1(kdt6. 在间歇反应器中进行等温二级反应 A=B，反应速率：当 CA0 分别为 1、5、10mol/L 时，分别计算反应至 CA=0.01mol/L)/(0.2sLmolrAA所需的时间。解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为： 201.AAdtC01ACt当 CA0=1mol/L 时，t=9900s当 CA0=5mol/L 时，t=9950s当 CA0=10mol/L 时，t=9990s7. 试画出反应速率常数 k 与温度 T 的关系示意图。解： RTEek01ln

18、lnk 与 1/T 作图为一直线8. 某气相恒容反应在 400K 时的速率式为：MPa/h， （1）试问反应速率常数的单位是什么？（2）若速率式写成237.0AApdtkmol/(m3h)，试问此反应的速率常数为多少？2AAkCVtnr解：（1）反应速率常数的单位：(hMPa) -1（2） 6331010AAAPRTVdtnRTdtAA310ARTCP31027.Vdtnm3/( kmolh)2.43.8.3.03k等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应 A=B+C，在 5min 内有 50%的 A 分解，要达到分解率为 75%，问需多少反应时间？若反应为 2 级，则需多少反应时间？解

19、：一级反应： )1ln(l1)(0 AAxAA xkxkkCdt mi05.ln75.7.tlnk1/T二级反应： AxAAxkCkdCt 1)1(002min5.75.5.7.t9. 液相自催化反应 A=B 的速率方程为mol/(Lh)，在等温间歇釜中测定反应速率，BAACkdtrCA0=0.95mol/L，C B0=0.05mol/L，经过 1 小时后可测得反应速率最大值，求该温度下的反应速率常数 k。解：C B=CA0+CB0-CA=1-CA )(AACkdtr反应速率最大时： ，得到 CA=0.5 mol/L0)21()(tkdtA对反应速率式积分得到 ，代入数据得到 k=2.944

20、L/(molh)(ln0AC10. 对于气相反应：A3P 其反应速率方程为-r A=kCA，试推导在恒容条件下以总压 P 表示的反应速率方程。假定原料为 50%A 和 50%惰性组分，气体符合理想气体。解： 在恒容条件下 )1(00AAAxkCdtxr)1(kdtx A=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0 A xA) = n0(1+ xA)xA=n/n0-1=P/P0-1)2(kdt11. 对于气相反应：A3P 其反应速率方程为-r A=kCA，在一平推流反应器中进行等温恒压反应。已知反应器体积为 V，原料体积流量为 v0，初始浓度为 CA0。试推导：其反应器设计方程，

21、并以 A 组分转化率 xA 表示成易积分的形式。假定原料为纯 A，气体符合理想气体。解： A=(3-1)/1=2 yA0=1 等温恒压：v=v 0(1+ yA0 A xA) = v0(1+2xA)AACFC2121(0AxAxxAA dxkCdrFV12000xAxk01212. 在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：目的产物为 P，反应器体积为 V，体积流量为 v0，进料为纯 A 组分，浓度为 CA0。（1）各组分的浓度表达式；（2）导出产物 P 的总收率、选择性表达式；（3）导出产物 P 浓度达到最大所需的空时，即最优空时。解： 全混流反应器中对 A 组分作物料衡算)(0ArVFA

22、CVkv10)10kA对 P 组分作物料衡算：Pr0 )(210PAkCv)(21021kCkAA)()(210210100 k AAAPAS P 的总收率： 200 kCnAPAPP 的总选择性： 201SSPPP 的浓度达到最大需满足： 得到最优空时：dP 21k13. 某一级气相反应 A=2P，反应速率常数 k=0.5min-1，按下列条件进行间歇恒容反应，1min 后反应器内的总压为多少？反应条件： (1)1atm 纯 A；(2) 10atm 纯A；(3)1atm A 和 9atm 惰性气体。解：一级反应： )1(Axkdt39.015.ekt A=(2-1)/1=1 n=n0(1+

23、A yA0xA)= n0(1+ yA0xA) P=P0 (1+ yA0xA)(1) 1atm 纯 A： yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=1.393atm(2) 10atm 纯 A：y A0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=13.93atmk1 k2A P S(3) 1atm A 和 9atm 惰性气体：y A0=0.1 P=P0 (1+ yA0xA)=10.393atm14. 某二级液相反应 A+B=C，已知在间歇全混釜反应器中达到 xA=0.99需反应时间为 10min，问：（1）在平推流反应器中进行时，空时 为多少？（2）在全混流反应器中进行时，空时 为多少？（3）若在两个

24、等体积串联全混流反应器中进行时，空时 又为多少？解： 2AkCdt 9.0110 Axt（1）在平推流反应器中： min1.0AAk（2）在全混流反应器中： i0)9.(.0)1(220 AxC（3）两个等体积串联全混流反应器中：第一个釜 第二个釜210)(5.Axk 2012)(5.AxkC由试差法计算得到：=51.5min15. 自催化反应 A+R2R 其速率方程为：-r A=kCACR （1） 在等温条件下进行反应，已知 CA0 和 CR0，要求最终转化率为 xAf。为使反应器体积最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；（2） 此最小反应器总体积表达式；（3） 在 FA0/(-rA)x

25、A 图上表示各反应器的体积。解：（1）最合适的理想反应器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器（2）反应速率最大点是两个反应器的分界点。CA+CR= CA0+CR0 CR= CA0+CR0-CA= CM-CA)(AMkr反应速率最大时，d(-r A)/dt=0 CA=0.5CM若 CAf0.5C M，即 ，仅用一个全混釜即可02Rfx)(1)( 000 RAffRAfm CxkvkvV若 CAf0.5C M，即 02ARfx全混釜体积： )()(2)2()( 0000 RARAMARAm CCkvkCvkvV 平推流体积： fMCRAPdvV5.0 )1(ln)(00AfRAP xVV=Vm+

26、VP16. 对于反应速率方程为 的液相反应，为达到一定的生产能nAkCr力，试讨论当 n0、n=0 和 n0 时，如何选择型式（平推流或全混流）使反应器体积最小，并简单说明理由，并在 图上表示反应器的体积。AxrF解：当 n=0 时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器型式无关。当 n0 时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择平推流反应器。当 n0 时，反应速率与反应物浓度呈负效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择全混流反应器。17. 一级等温反应 A=P，活化能为 83140J/mol，在平推流反应器中进行反应，反应温度为 420K，反应器体积为 Vp，如改为全混流反应器，其体积为 Vm，为达到相同的转化率 xA=0.6， （1）若反应操作温度相同，则 Vm/Vp 之值应为多少？（2）若Vm/Vp=1，则全混流反应器的操作温度应为多少？xAf0FA0/(-rA)Vm VPxAFA/(-rA) n0xAFA/(-rA) n=0xAFA/(-rA)n=0