1、化学反应工程 试题 库 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/(m3 h)，速率常数 k 的因次为 m3/(kmol h ) 。 6. 反应速率 -rA=kCA的单位为 kmol/kg h，速率常数 k 的因次为 m3/kg h 。 7. 反应速率 2/1AA kCr 的单位为 mol/L s，速率常数 k 的因次
2、为 (mol)1/2 L-1/2 s 。 8. 反应速率常数 k 与温度 T 的关系为 2.1010000ln Tk ，其活化能为 83.14kJ/mol 。 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2SO等于 -0.5 。 12. 非等分子反应 N2+3H2=2NH3的膨胀因子2H等于 2/3 。 13. 反应 N2
3、+3H2=2NH3中（2Nr） = 1/3 （2Hr） = 1/2 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AA xn x )1(1 1 ，转化率为AA xnnx )1(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
4、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)/ (nS-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
5、. 空时的定义为 反应器 有效 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AAA rxFV 0。 27. 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
6、. 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 00.1)( dttE 。 41. 定常态连续流动系统
7、， F(0)= 0 ； F( )= 1 。 42. 定常态连续流动系统， F(t)与 E(t)的关系 t dttEtF0)()( 。 43. 平均停留时间 t 是 E(t)曲线 的 分布中心 ；与 E(t)的关系为 0)( dtttEt 。 44. 方差 2t 表示停留时间分布的 分散程度 ；其数学表达式为 022 )()( dttEttt 。 45. 采用无因次化停留时间后， E( )与 E(t) 的关系为 )()( tEtE 。 46. 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 2 与方差 2t 的关系为 222 /tt 。 48
8、. 平推流反应器的 2 = 0 ；而全混流反应器的 2 = 1 。 49. 两种理想流动方式为 平推流 和 全混流 。 50. 非理想流动 2 的数值范围是 01 。 51. 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(
9、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 2 = 1/N 。 59. 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(t)= ttte1 ； F(t)= tte1 。 61. 平推流的 E(t)=0 当 tt 、 =当 tt ； F(t)= 0 当 tt 、 =1 当 tt 。 62. 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
10、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
11、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 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，
12、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 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
13、 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 3 /6 PV 、面积当量直径为 /Pa 、比表面当量直径为 PP Va/6 。 90. 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
14、 CB =20 kmol/m3时，计算反应转化率 xA、 xB及各组分的浓度。 解： 在 恒容条件下： xB=( CB0- CB )/ CB0=0.8 由 CA0- CA =( CB0- CB )/2 得到： CA =60 kmol/m3 xA=( CA0- CA )/ CA0=0.4 2. 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、 xB及各组分的浓度。 解： B=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5 n=n0(1+ yB0 B xB) = n0(1-0.5 xB) 在恒压条件下： V
15、=V0 n/n0= V0(1-0.5xB) CB =nB/V= nB0(1- xB)/V0(1-0.5xB)= CB0(1- xB)/ (1-0.5xB) xB=8/9 nA0- nA =( nB0- nB )/2 xA=( nA0- nA )/ nA0=( nB0- nB )/(2 nA0)= ( nB0- nB )/(2 nB0)=0.5 xB=4/9 3. 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， CB0=4.0 mol/L，CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到 CA=0.3mol/L， CR=1.5 mol/L，
16、计算此时组分 B和 S 的浓度。 解：在恒容条件下： CA1= CB0-CB； CA2= CS ； CR= (CB0-CB)-CS； CA0-CA= CA1+ CA2 得到： CS=( CA0-CA- CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1 mol/L CB = CB0- CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4 mol/L 4. 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 0.99 所需时间之比。 解：在 间歇反应器中： 210 AAxx AAA rdxCt0 级反应： )(120021AAAx
17、xAA xxkCkdxCt AA ， 109.099.0 09.099.09.0 9.00 t t 1 级反应：2100 11ln1)1(21 AAxx AAAA xxkxkC dxCt AA ， 1lnln99.01 9.019.01 0199.09.09.00 tt2 级反应： 220220 1 11 11)1(21 0 AAAxx AAA xxkCxkC dxCt AA A， 1.09.01 199.01 101 19.01 199.09.09.00 t t5. 在等温恒容条件下进行下列气相反应： A 2R 其反应速率方程为VnkdtdnVr AAA 1 ，试推导： （ 1） 以 A组分
18、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） V xnkdtdxVn AAAA )1(00 )1( AA xkdtdx （ 2） A=(2-1)/1=1 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0 A xA) = n0(1+0.5 xA) xA=2n/n0-2=2P/P0-2 )5.1( 0 PPkdtdP 6. 在间歇反应器中进行等温二级反应 A=B，反应速率： )/(01.0 2 sLm o lCr AA 当 CA0分别为 1、 5、 10mol/L时，分别计算反应至 CA=0.01mol
19、/L所需的时间。 解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为： 201.0AA CdtdC 011100 AA CCt 当 CA0=1mol/L时， t=9900s 当 CA0=5mol/L时， t=9950s 当 CA0=10mol/L时， t=9990s 7. 试画出反应速率常数 k 与温度 T 的关系示意图。 解： RTEekk 0 TREkk 1lnln 0 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： 237.0AA pdtdp MPa/h，（ 1）试问反应速率常数的单位是什么？（ 2）若速率式写成 2AAA kCV d tdnr kmol/(m3 h
20、)，试问此反应的速率常数为多少？ 解：（ 1）反应速率常数的单位： (h MPa)-1 （ 2） 633 1011010 AAA PRTCVnV d tdnRTdtdP AA 310 AA RTCP 310 231037.0 AA R T CV d tdn 2.14 0 03 1 4.81037.01037.0 33 RTk m3/( kmol h) 9. 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：一级反应： )1ln (11 1ln1)1(0 00 AA
21、x AA AA xkxkxkC dxCt A m in10)5.01ln ( )75.01ln (5.075.0 tt 二级反应：AAAxAAA xxkCxkC dxCt AA 11)1(00 220 0m in155.0 5.0175.01 75.05.075.0 tt 10. 液相自催化反应 A=B 的速率方程为BAAA CkCdtdCr mol/(L h)，在等温间歇釜中测定反应速率 ， CA0=0.95mol/L， CB0=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 ： CB=CA0+CB0-CA=1-CA )1(AAAA CkCdtd
22、Cr lnk 1/T 反应速率最大时： 0)21()( dtdCCkdt rd AAA，得到 CA=0.5 mol/L 对反应速率式积分得到 )1( )1(ln00AAAA CC CCkt ，代入数据得到 k=2.944 L/(mol h) 11. 对于气相反应： A 3P 其反应速率方程为 -rA=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(00 AAAAA xkCdtdxCr )1( AA xkdtdx A=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0 A xA) = n0(1
23、+ xA) xA=n/n0-1=P/P0-1 )2( 0 PPkdtdP 12. 对于气相反应： A 3P 其反应速率方程为 -rA=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，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=v0(1+ yA0 A xA) = v0(1+2xA) AAAAAAAA xxCxv xFvFC 211)21( )1( 000 AA AxAxAAxAAAdxxxkCkCdxrdxFV A
24、AA 1 2110 0000AxAA dxxxk A 0 1211 13. 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 )(0 AAA rVFF AAA CVkCCv 100 )( 101 kCC AA k1 k2 A P S 对 P 组分作物料衡算： PPP VrFF 0 )( 210 PAP CkCkVCv )1)(1(1
25、210121 kk CkkCkC AAP )1)(1()1)(1(1 21 022121011000 kk Ckkkk CkkCCCCCC AAAAPAAS P 的总 收率：200 0 1 1kCC Cnn nn AA PAA PPP P 的总选择性：200 1kCCnn nnS SPSS PPP P 的浓度达到最大需满足： 0ddCP 得到最优空时：211kk 14. 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
26、体。 解：一级反应： )1(AA xkdtdx 3 9 3.011 5.0 eex ktA A=(2-1)/1=1 n=n0(1+ 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： yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=13.93atm (3) 1atm A和 9atm 惰性气体： yA0=0.1 P=P0 (1+ yA0xA)=10.393atm 15. 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
27、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）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少？ 解： 2AA kCdtdC 9.999.01 99.0101110 AAA xxtkC（ 1）在平推流反应器中： m in1099.01 99.09.9 111 0 AAA xxkC（ 2）在全混流反应器中： m i n1000)99.01(9.9 99.0)1( 220 AA A xkC x（ 3）两个等体积串联全混流反应器中： 第一个釜210 1 )1(5.0 AA A xkC x 第二个釜220 12 )1(5.0 AA
28、AA xkC xx 由试差法计算得到： =51.5min 16. 自催化反应 A+R 2R 其速率方程为： -rA=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) xA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 )( AMAA CCkCr 反应速率最大时
29、， d(-rA)/dt=0 CA=0.5CM 若 CAf 0.5CM，即0002ARAAf C CCx ，仅用一个全混釜即可 )(1()( 00000 RAfAAf AfRA AfAm CxCxk xvCkC CCvV 若 CAf 0.5CM，即0002ARAAf C CCx 全混釜体积： )()( 2)2(2)( 00200 002000 RARAMAMRA AAm CCCCk vCCkC vCkC CCvV 平推流体积： AfMCC RAAP CkCdCvV5.00)1(ln)( 0 0000 0 AfA AfARRAP xC xCCCCk vV V=Vm+VP xAf 0 FA0/(-r
30、A) Vm VP 17. 对于反应速率方程为 nAA kCr 的液相反应，为达到一定的生产能力，试讨论当 n 0、n=0 和 n 0 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AAA xrF 0图上表示反应器的体积。 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 n 0 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 n 0 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。 18. 一级等温反应 A=P，活化能为 83140J/mo
31、l，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 V m/Vp=1，则全混流反应器的操作温度应为多少？ 解：（ 1）AAAAm xxkCFV 100 AAAP xkCFV 1 1ln00 94.21 1ln/1 AAAPm xxxVV （ 2） Vm/Vp=1，同样得到： 94.21 1ln/1 AAAPm xxxkkmRTEekkm 0 pRTEekkp 0 94.2)( 11 mTPTREe 代入数据得到： Tm=440K 19. 等温二级反应，依次经过体积相等的平推流反应器和全混流反应 器，出口转化率为 0.99，若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？ 解：等温二级反应得到，平推流A i nA o u tA xxkC 1 11 10 全混流：20 )1( A o u tA inA o u tA x xxkC xA F A/(-r A)n 0 xA F A/(-r A)n=0 xA F A/(-r A)n 0
