《化學反應工程》試題及答案解讀

1、化學反應工程試題庫一、填空題質量傳涕、熱量傳遞、動量傳遞和化學反應稱為三傳一反.TOC o 1-5 h z物料衡算和能量衡算的一般表達式為。著眼組分A轉化率xA的定義式為兀朮=仇曲爲)/朗?？偡磻墧挡豢赡艽笥?。反應速率-匚=kCC的單位為kmol/(m3h),速率常數k的因次為m3/(kmolh)。AAB反應速率-rA=kCA的單位為kmol/kgh,速率常數k的因次為m3/kgh。A.A.反應速率-r=kCi/2的單位為mol/Ls，速率常數k的因次為(mol)2Ls。AA反應速率常數k與溫度T的關系為lnk=-10000+10.2，其活化能為。T某反應在500K時的反應速率常數k是40

2、0K時的103倍，則600K時的反應速率常數k時是400K時的105倍。某反應在450C時的反應速率是400C時的10倍，則該反應的活化能為(設濃度不變)TOC o 1-5 h z186.3kJ/mol。非等分子反應2SO2+O2=2SO3的膨脹因子5等于-0.5。223SO非等分子反應N2+3H2=2NH3的膨脹因子5等于2/3。223H2反應N2+3H2=2NH3中(r)=1/3(r)=1/2r223n2H2NH3在平推流反應器中進行等溫一級不可逆反應，反應物初濃度為CA0,轉化率為xA，當反應器體積增大到n倍時，反應物A的出口濃度為Cd-xjn，轉化率為1-(1-xA)n。在全混流反應器

3、中進行等溫一級不可逆反應，反應物初濃度為CA0,轉化率為xA，當反1xnx應器體積增大到n倍時，反應物A的出口濃度為袞，轉化率為抵一。1+(n1)x1+(n1)xAA反應活化能E越_大，反應速率對溫度越敏感。對于特定的活化能，溫度越低溫度對反應速率的影響越大。TOC o 1-5 h z某平行反應主副產物分別為P和S,選擇性SP的定義為_(劣也曲)也知。某反應目的產物和著眼組分分別為P和A其收率P的定義為(nP-nP0)/(nA0-nA)。均相自催化反應其反應速率的主要特征是隨時間非單調變化，存在最大的反應速率。根據反應機理推導反應動力學常采用的方法有速率控制步驟、擬平衡態(tài)。對于連續(xù)操作系統(tǒng)，定

4、常態(tài)操作是指溫度及各組分濃度不隨時間變化。返混的定義：不同停留時間流體微團間的混合。平推流反應器的返混為0:全混流反應器的返混為R?？諘r的定義為。Vx針對著眼組分A的全混流反應器的設計方程為二一。F-rA0A不考慮輔助時間，對反應級數大于0的反應，分批式完全混合反應器優(yōu)于全混流反應器。反應級數0時，多個全混流反應器串聯(lián)的反應效果優(yōu)于全混流反應器。反應級數0時，多個全混流反應器串聯(lián)的反應效果差于全混流反應器。反應級數0時，平推流反應器的反應效果優(yōu)于全混流反應器。反應級數0時，平推流反應器的反應效果差于全混流反應器。對反應速率與濃度成正效應的反應分別采用全混流、平推流、多級串聯(lián)全混流反應器其反應器

5、體積的大小關系為；通常自催化反應較合理的反應器組合方式為全混流+平推流相同轉化率下，可逆放熱反應的平衡溫度高于最優(yōu)溫度。主反應級數大于副反應級數的平行反應，優(yōu)先選擇平推流反應器。主反應級數小于副反應級數的平行反應，優(yōu)先選全混流反應器。要提高串聯(lián)反應中間產物P收率，優(yōu)先選擇反應器。主反應級活化能小于副反應活化能的平行反應，宜采用_低溫操作。主反應級活化能大于副反應活化能的平行反應，宜采用_高溫操作。停留時間分布密度函數的歸一化性質的數學表達式JE(t)dt=1.0。0定常態(tài)連續(xù)流動系統(tǒng)，F(xiàn)(0)=_L；F(g)=。42.定常態(tài)連續(xù)流動系統(tǒng)，43.平均停留時間t是E(t)曲線的分布中心：與E(t)

6、的關系為t=itE(t)dt。044.方差2表示停留時間分布的分散程度:t其數學表達式為b2二t45.采用無因次化停留時間后，E(0)與E(t)的關系為E(9)二tE(t)。采用無因次化停留時間后，F(xiàn)(0)與F(t)的關系為F(8)=F(t)無因次方差b2與方差b2的關系為=b2/12。TOC o 1-5 h z9t9t48.平推流反應器的b2=0:而全混流反應器的b9=99兩種理想流動方式為平推流和全混流TOC o 1-5 h z非理想流動2的數值范圍是。0循環(huán)操作平推流反應器循環(huán)比越大返混越大。循環(huán)操作平推流反應器當循環(huán)比B=0時為平推流；當B=_壬時為全混流。停留時間分布實驗測定中，常用

7、的示蹤方法為脈沖示蹤和階躍示蹤。脈沖示蹤法根據檢測到的濃度變化曲線可以直接得到E(t)曲線。階躍示蹤法根據檢測到的濃度變化曲線可以直接得到F(t)曲線。采用脈沖示蹤法測得的濃度CA(t)與E(t)的關系式為E(t)=CA(t)/C。采用階躍示蹤法測得的濃度CA(t)與F(t)的關系式為F(t)=。N個等體積全混釜串聯(lián)的停留時間分布的無因次方差=1/N。0多級全混釜串聯(lián)模型當釜數N=丄為全混流，當N=a為平推流。tt全混流的E(t)=1e；F(t)=1-e-1。t平推流的E(t)=0當t豐t、=8當t=t_；F(t)=0當t堆密度。你們對于體積為Vp外表面積為ap的顆粒其體積當量直徑為36V/兀

8、、面積當量直徑為a/兀、比表面當量直徑為6a/VPPP固定床最優(yōu)分段的兩個必要條件是前一段出口反應速率與下一段進口相等和每一段的操作溫度線跨越最優(yōu)溫度線。二、計算分析題在恒容條件下，反應A+2B=R,原料氣組成為CAo=CBo=100kmol/m3，計算當CB=20A0B0Bkmollm?時，計算反應轉化率xA、xB及各組分的濃度。AB解：在恒容條件下：xB=(CB0-CB)/Cbo=0.8由CA0-CA=(CB0-CB)/2得到：CA=60kmol/m3xA=(CA0-CA)/CA0=0.4在恒壓條件下，反應A+2B=R，原料氣組成為CA0=CB0=100kmol/m3，計算當CB=20A0

9、B0Bkmol/m3時，反應轉化率xA、xB及各組分的濃度。AB解:&B=(l-l-2)/2=-l;yB0=0.5=0(1+BO。BXB)=n0(1-05XB)在恒壓條件下：V=V0n/n0=V0(l-0.5xB)000BCb二WnB0(1-Xb)化0%)-CB0(1-Xb)/d-O%)xB=8/9nA0-nA=(nB0-nB)/2xA=(nA0-nA)/nA0=(nB0-nB)/(2nA0)=(nB0-nB)/(2nB0)=0.5xB=4/9串聯(lián)-平行反應A+B=R，A+R=S，原料中各組分的濃度為C=2.0mol/L，Cn=4.0mol/L，A0B0C=C=0,在間歇反應器中恒容操作一定時

10、間后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5molIL，計算R0S0AR此時組分B和S的濃度。-1解：在恒容條件下：C=C-C；C=C；C=(C-C)-C；C-C=C+CA1B0BA2SRB0BSA0AA1A2得到：CS=(CA0-CA-CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1mol/LC=C-C-C=4.0-1.5-0.1=2.4mol/LBB0RS4.在間歇反應器中進行等溫2級、1級、0級均相反應，分別求出轉化率由0至0.9所需的時間與轉化率由0.9至0.99所需時間之比。解：在間歇反應器中：t=CxA2叫0級反應：A0rxA1At00.9t0.90.99t=CjA=kC(x-

11、x)A0kA0A2A1xA11級反應：呼2dxt=CAA0kC(1一x)xA1A0A=1ln1一xA11一xA2t00.9t0.90.99lniu-”10.9=1ln10.910.992級反應：t=C件A0kC2(1一x)2xA1A0A1kCA0_x_i1xA211x/A21-0.910=0.1t1-r0.90.9910.9910.900.9在等溫恒容條件下進行下列氣相反應1dnnA=k-A，試推導：VdtVA-2R其反應速率方程為1)以A組分轉化率xA表示的反應速率方程;2)以總壓P表示的速率方程。假定原料組分為50%A和50%惰性氣體，氣體為理想氣體。解：(1)ndxn(1x)T0A=kA

12、VdtVdx-tdt=k(1x)A(2)6a=(2-1)/1=1yA0=0.5n=n0(1+yA06AxA)=n0(1+0.5xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2dP=k(1.5P-P)dt06.在間歇反應器中進行等溫二級反應A=B，反應速率：-rA=0.01CAmol/(L-s)當CA0分別為1、5、10mol/L時，分別計算反應至CA=0.01mol/L所需的時間。dC解：在間歇反應器中可視為恒容反應可視為：-*=0.01C2t=dtACACA0當CA0=1mol/L時，t=9900sA0當CA0=5mol/L時，t=9950sA0當CA0=lOmol/L時，t=9990sA07.解

13、試畫出反應速率常數k與溫度T的關系示意圖。k=ke-Rt0RTlnk=lnk一0Ink與1/T作圖為一直線dp&某氣相恒容反應在400K時的速率式為：-分=0.37pAMPa/h，試問反應速率常dn數的單位是什么？若速率式寫成-.=-vd=kCATgh），試問此反應的速率常數為多少？解：(1)反應速率常數的單位：(hMPa)-idPdj=10-3RTP=10-3RTCdtVdtAAn1(2)AX103=CX103=PX106VARTAdA=0.37X10-3RTC2Vdtak=0.37x10-3RT=0.37x10-3x8.314x400=1.2m3/(kmolh)9.等溫下在間歇反應器中進行

14、一級不可逆液相分解反應A=B+C，在5min內有50%的A分解，要達到分解率為75%，問需多少反應時間？若反應為2級，則需多少反應時間？解：一級反應：t=CA0 xAdxkC(1-x)0A0A1丨1lnk1-xA=-ln(1-x)kAt0.75=tln(1-0.75)=0-5ln(1-0.5)=10min二級反應：xt=CJA00dxkC2(1-x)2AkCA1-xA0t0.750.751-0.5=t=15min0.51-0.750.5=kCACBmol/(Lh),在等溫間歇dC10.液相自催化反應A=B的速率方程為一=-釜中測定反應速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L

15、,經過1小時后可測得反應速率最大值,A0B0求該溫度下的反應速率常數k。解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA-rAdCAdt=kC(1-C)AAd(r)dC反應速率最大時：亍二k(12CA)希=，得到CA=0.5m沁對反應速率式積分得到kt=ln(1C)CAAC(1C)AA0代入數據得到k=2.944L/(molh)對于氣相反應：A-3P其反應速率方程為-rA=kCA,試推導在恒容條件下以總壓P表示的反應速率方程。假定原料為50%A和50%惰性組分，氣體符合理想氣體。dx解:在恒容條件下一防CA0卡=kCA0(1-XA)dxdt=k(1x)A&A=(3-1)/1=2yA0=.5n=n0(1

16、+yA05AXA)=n0(1+XA)xA=n/n0-1=P/P0-1dP二k(2PP)dt0對于氣相反應：A-3P其反應速率方程為-rA=kCA，在一平推流反應器中進行等溫恒壓反應。已知反應器體積為V原料體積流量為v,初始濃度為CA。試推導：其反應器設計方程，并以A組分轉化率xA表示成易積分的形式。假定原料為純A,氣體符合理想氣體。解:A=(3-1)/1=2yA0=1等溫恒壓：v=v(1+yA0AXA)=v0(1+2xA)1xAA01+2XFF(1x)二一A二一A0Avv(1+2x)0AVFA0Jdxr0AjdxjIca0A1kCA0(1+2xA.1xAdxA丿TdxA丿1+2xA1xA在一全

17、混流反應器中進行下列一級不可逆串聯(lián)反應：目的產物為p,反應器體積為V，體積流量為v0，進料為純A組分，濃度為CA0。(1)各組分的濃度表達式；導出產物P的總收率、選擇性表達式；導出產物P濃度達到最大所需的空時，即最優(yōu)空時。解：全混流反應器中對A組分作物料衡算CFF=V(r)v(CC)二VkCC=A0-A0AA0A0A1AA1+kT1對P組分作物料衡算:F-F二VrvC二V(kC-kC)P0P0P1A2PkeCkeCC=1=+AOp1+ke(1+ke)(1+ke)212二C-C-C二CA0APA0keC1+ke(1+ke)(1+ke)ll20kke2C2A0(1+ke)(1+ke)12P的總收率

18、：二Pn-nCpP0=p=nnCC1+keA0AA0A2P的總選擇性：SPn-nC1=po=p=n-nCkeSS0S2dCP的濃度達到最大需滿足：一嚴=0得到最優(yōu)空時：e=de:丄kk1214.某一級氣相反應A=2P,反應速率常數k=0.5min-i,按下列條件進行間歇恒容反應，lmin后反應器內的總壓為多少？反應條件：(l)latm純A；(2)lOatm純A；(3)1atmA和9atm惰性氣體。解：一級反應：dxA=k(1-1一e-kt=1一e-0.5二0.393dtAAn=n0(1+CAyA0 xA)=n0(1+yA0 xA)p=p0(1+yA0 xA)yA0=1p=p0(1+yA0 xA

19、)=1.393atm10atm純A：yA0=1P=P0(1+yA0 xA)=13.93atm(3)1atmA和9atm惰性氣體：yA0=0.1P=P0(1+yA0 xA)=10.393atm15.某二級液相反應A+B=C,已知在間歇全混釜反應器中達到xA=0.99需反應時間為10min，問：(1)在平推流反應器中進行時，空時T為多少？(2)在全混流反應器中進行CA=(2-1)/1=1(1)1atm純A時，空時T為多少?(3)若在兩個等體積串聯(lián)全混流反應器中進行時，空時T又為多少?解：-佇=kC2dtAkC=-A0trx)AI1-丿=10 x鵠=9.9l)在平推流反應器中：工1=kCA0rx)A

20、Jx丿A=丄x旦=10min9.91-0.992)在全混流反應器中：ex0.99=a=1000minkC(1-x)29.9x(1-0.99)2A0A0.993)兩個等體積串聯(lián)全混流反應器中：xx-x第一個釜0.5e二缶第二個釜0.5e二乜a第kC(1-x)2第個釜kC(1-x)2A0A1A0A2由試差法計算得到：t=51.5min16.自催化反應A+R-2R其速率方程為：-rA=kCACRAAR在等溫條件下進行反應，已知CA0和CR0,要求最終轉化率為xAf。為使反應器體積最小。試問：最合適的理想反應器組合方式；(2)此最小反應器總體積表達式；(3)在FA0/(-rA)xA圖上表示各反應器的體

21、積。解：(1)最合適的理想反應器組合方式：全混釜反應器串聯(lián)平推流反應器反應速率最大點是兩個反應器的分界點。C+C=C+CC=C+C-C=C-CARA0R0RA0R0AMAr二kC(CC)AAMA反應速率最大時，d(-rA)/dt=0CA=0.5CMCC若CA戸0.5Cm，即XA0R0Af2CA0全混釜體積：v(CC)9A0A2vkCCkC2(2CA02vk(C+C)2A0R0(CA0CR0)V平推流體積：Tv0午dqkCC0.5CMARv0k(C+C)A0R0lnCCxR0A0AfC(1X)A0AfV=Vm+VP17.對于反應速率方程為-r二kCn的液相反應，為達到一定的生產能力，試討論當n0

22、、AAn=0和nVO時，如何選擇型式（平推流或全混流）使反應器體積最小，并簡單說明理由，F(xiàn)并在x圖上表示反應器的體積。raA解：當n=0時，反應速率與反應物濃度無關，故與反應器型式無關。當n0時，反應速率與反應物濃度呈正效應，而平推流反應器的濃度水平明顯高于全混流型式，故選擇平推流反應器。當nVO時，反應速率與反應物濃度呈負效應，而平推流反應器的濃度水平明顯高于全混流型式，故選擇全混流反應器。18.一級等溫反應A=P,活化能為83140J/mol,在平推流反應器中進行反應，反應溫度為420K,反應器體積為V，如改為全混流反應器，其體積為V，為達到相同的轉化率xA=0.6,TOC o 1-5 h

23、 zpmA（1）若反應操作溫度相同，則V/V之值應為多少？（2）若V/V=1，則全混流反應器的mpmp操作溫度應為多少？AOlnFx解：(1)V二皆mkC1xAOA HYPERLINK l bookmark82 o Current Document x1m=a/ln=2.941x1x HYPERLINK l bookmark162 o Current Document PAAkx1（2）V/V=1，同樣得到：7m二/ln二2.94mpk1x1x HYPERLINK l bookmark166 o Current Document PAAk=ke-Rrmk=keRTpeR（TP弋）=2.94代入

24、數據得到：T=440K HYPERLINK l bookmark168 o Current Document mOpOm等溫二級反應，依次經過體積相等的平推流反應器和全混流反應器，出口轉化率為0.99,若將兩個反應器改換次序，問出口轉化率為多少？解：等溫二級反應得到，平推流MAJ1_11x1xAoutAin全混流：kCtA0 xxAoutAin(1x)2Aout將平推流反應器+全混流反應器時的條件代入，計算得到：kCA0T=61.53全混流反應器+平推流反應器：先計算全混流出口xA=0.884全混流出口xA就是平推流進口xA，計算平推流出口xA=0.986等溫一級反應，依次經過體積相等的平推流

25、反應器和全混流反應器，出口轉化率為0.99若將兩個反應器改換次序，問出口轉化率為多少？1x解：等溫一級反應得到，平推流k=InAin-1xAout全混流：x一xAoutAin1一xAout將平推流反應器+全混流反應器時的條件代入，計算得到：kT=3.175全混流反應器+平推流反應器：先計算全混流出口xA=0.760全混流出口xA就是平推流進口xA，計算平推流出口xA=0.9921.液相二級不可逆反應A+B=C,CA0=CB0，在平推流反應器進行試驗，當t=10min時A0B0 xA=0.99，問在相同溫度下為達到相同轉化率，采用（1）在全混流反應器中進行時，空時T為多少？（2）若在兩個等體積串

26、聯(lián)全混流反應器中進行時，空時T又為多少？22.在恒溫恒容下進行下式所示的自催化反應：A+RTR,其速率方程為-：=kCACR，初始濃度分別為C和C，試推導其在間歇釜中達到最大反應速率時的時間和A組分的A0R0濃度，若采用連續(xù)操作，應采用何種理想反應器組合方式，可使反應器總體積最小，并用示意圖進行表示。23.平行反應：P匚=1其中P為目的產物，在等溫操作中，證明：采用全混流反P應器最大產物濃度CPmax=CA0；采用平推流反應器最大產物ASrS=2CA濃度CPmax=CA0/(1+5)。TrT=CA224.等溫一級不可逆串聯(lián)反應ARk2S,進料為純A濃度為CA0，連續(xù)操作空時為T，試分別推導出反

27、應器出口各組分的濃度：（1）平推流反應器；（2）全混流反應器。25.等溫一級不可逆平行反應：rp=k1CArS=k2CA進料為純A濃度為CA0,連續(xù)操作空時為T，試分別推導出反應器出口各組分的濃度：（1）平推流反應器；（2）全混流反應器。26.試分別在圖上畫出下列流動模型的停留時間分布函數F（t）和停留時間分布密度函數E（t）曲線：舉出與它有相同停留時間分布的另一種流動模型，這說明了什么問題27.液相反應R(主反應)rR=k1CA0-6CB1-2A+B_S(副反應)rS=k2CA2-0CB0-2從有利于產品分布的觀點，(1)將下列操作方式按優(yōu)一劣順序排列，并說明理由。(2)若反應活化能EE，應

28、如何選擇操作溫度？試采用脈沖示蹤法推導全混流反應器的停留時間分布函數和分布密度函數。試采用階躍示蹤法推導全混流反應器的停留時間分布函數和分布密度函數。畫出平推流反應器、全混流反應器、平推流和全混流反應器串聯(lián)及全混流和平推流反應器串聯(lián)的停留時間分布密度函數E(t)和分布函數F(t)F(0)和E(0)分別為閉式流動反應器的無因次停留時間分布函數和停留時間分布密度函數。(1)若反應器為平推流反應器，試求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)(2)若反應器為全混流反應器，試求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；

29、(e)E(1.2)(3)若反應器為一非理想反應器，試求：(a)F(g)；(b)E(g)；(c)F(0)；(d)E(0)；丁烯在某催化劑上反應的到丁二烯的總反應為C4H8(A)=C4H6(B)+H2(C)假設反應按如下步驟進行：A+OOAOAOOBO+CBOOB+O假定符合均勻吸附模型，試分別推導動力學方程(1)A吸附控制；(2)B脫附控制；(3)表面反應控制。乙炔與氯化氫在HgCl2-活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應C2H2(A)+HCl(B)=C2H3Cl(C)其動力學方程式可有如下幾種形式：1)r=k(ppp/K)/(1+Kp+Kp+Kp)ABCAABBCC2)r二kKpp/(1+Kp+Kp)AABAABB3)r=kKpp/(1+Kp+Kp)BABBBCC試分別列出反應機理和控制步驟氣固相催化反應：A+B=C，其反應機理如下：A+aoAaB+aoBaAa+BoCaCaoC+a假定符合Langmuir均勻吸附模型，試分別推導動力學方程(1)A吸附控制；(2)C脫附控制；(3)表面反應控制。在氣固相催化劑表面進行下列氣