本科作業(yè)-本二-2014年

本科作業(yè)-本二-2014年第一章應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、思考題1、間歇系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)中，反應(yīng)速率的定義式？2、反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量系數(shù)有何關(guān)系？3、反應(yīng)速率可以用濃度ci、分壓pi或摩爾分率yi來(lái)表述，相應(yīng)的速率常數(shù)kc、kp、ky之間有何關(guān)系？4、溫度增加，反應(yīng)速率常數(shù)肯定增加，對(duì)否？5、空速的定義是什么？它的大小反映了反應(yīng)器的什么能力？6、轉(zhuǎn)化率的定義是什么？在復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)中,它是否能起到在簡(jiǎn)單反應(yīng)系統(tǒng)中所起到的作用？7、化學(xué)反應(yīng)中哪種吸附起主要作用？8、惰性物質(zhì)不參加反應(yīng)，所以對(duì)吸附、脫附無(wú)任何影響，對(duì)否？9、表達(dá)反應(yīng)系統(tǒng)體積變化的參數(shù)是什么？10、方程式中反應(yīng)前后摩爾數(shù)的變化是否表示反應(yīng)體積的變化？第二章氣－固相催化反應(yīng)本證及宏觀動(dòng)力學(xué)一、思考題1、對(duì)于球形催化劑，西勒模數(shù)（Thiele）越大，則催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子如何變化？2、如果在某催化劑上測(cè)得的反應(yīng)速率為r，而內(nèi)擴(kuò)散有效因子為0.8，則此反應(yīng)速率是否為本征反應(yīng)速率？3、對(duì)于氣—固相反應(yīng)，什么情況下，可以不考慮分子擴(kuò)散的影響？4、對(duì)于球型催化劑粒子，西勒模數(shù)的定義式是什么？5、本征化學(xué)反應(yīng)速度在內(nèi)外擴(kuò)散阻力完全消除的情況下與宏觀化學(xué)反應(yīng)速度有何關(guān)系？6、孔結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)擴(kuò)散有無(wú)影響？7、在氣體的擴(kuò)散過(guò)程中，如果催化劑的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子的平均自由程時(shí)，可以不考慮哪種擴(kuò)散？8、對(duì)于氣－固相反應(yīng)，如果本征動(dòng)力學(xué)方程式為r，催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子為ζ，則宏觀動(dòng)力學(xué)方程式應(yīng)如何表示？二、計(jì)算題1、某可逆反應(yīng)：，其均勻表面吸附機(jī)理的動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。2、某可逆反應(yīng)：，其均勻表面吸附的機(jī)理動(dòng)力學(xué)方程式為： 試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。3、某可逆反應(yīng)：的均勻表面吸附機(jī)理動(dòng)力學(xué)方程式為：試寫出反應(yīng)機(jī)理及控制步驟，并證明之。4、丁烯在某催化劑上制取丁二烯的總反應(yīng)方程式為，假設(shè)丁烯脫氫化學(xué)反應(yīng)按如下步驟進(jìn)行：(a)(b)(c)寫出(b)為控制步驟的均勻吸附動(dòng)力學(xué)方程，若反應(yīng)物和產(chǎn)物的吸附都很若，問(wèn)此時(shí)反應(yīng)對(duì)丁烯是幾級(jí)反應(yīng)。5、用直徑為6毫米的球形催化劑進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)A→R+P,氣相中Ａ的摩爾分?jǐn)?shù)yA＝0.50，操作壓力Ｐ＝0.10133MPa，反應(yīng)溫度Ｔ＝500℃，已知單位體積床層的反應(yīng)速度常數(shù)為0.333s-1，床層空隙率為0.5,組分A在顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.00296cm2/s,外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)為40m／h(1)催化劑內(nèi)擴(kuò)散效率因子，其影響是否嚴(yán)重。(2)催化劑外表面濃度CAS，并說(shuō)明外擴(kuò)散影響是否嚴(yán)重(3)計(jì)算傳質(zhì)速度。6、體積為100立方米的管式反應(yīng)器內(nèi)部充填半徑為2.50毫米的球形顆粒催化劑，氣體穩(wěn)定時(shí)，每秒有0.24kmol徑為5mm，顆粒有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.35[J／m.s.k]，每燃燒1mol放出熱量J，燃燒溫度為760℃，氧在催化劑顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為cm2/s。試估計(jì)定態(tài)下催化劑顆粒表面與中心的最大溫差。10、乙烯直接水合制乙醇可視為對(duì)乙烯的一級(jí)不可逆反應(yīng)，在300℃，7.09MPa下，，，采用直徑與高均為5的圓柱形催化劑，求內(nèi)擴(kuò)散有效因子。11、某催化反應(yīng)在500℃的催化劑粒子中進(jìn)行，已知反應(yīng)速度式為[mol／s.g催化劑]，Ｐ的單位為MPa，顆粒為5*5mm圓柱體，顆粒密度為0.80g／cm3，粒子外表面上Ａ的分壓為0.101325MPa，粒內(nèi)Ａ組分的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.25cm2／s12、異丙苯在某催化劑上裂解生成苯，如催化劑為微球狀，已知ρP＝1.06g／cm3,顆粒孔隙率θ＝0.52,Sg＝350m2／g，求在500℃，１atm，異丙苯在催化劑微孔中的有效擴(kuò)散系數(shù)。異丙苯的分子量為120，微孔的曲節(jié)因子δ＝３，異丙苯—苯的分子擴(kuò)散系數(shù)為0.155cm2／s。球型催化劑顆粒直徑為0.5cm，550℃時(shí)該反應(yīng)的速率常數(shù)13、計(jì)算660Ｋ和30atm下,在孔隙催化劑中,噻吩(分子量84)在氫氣中的有效擴(kuò)散系數(shù)。已知催化劑的比表面Sg＝180m2／g，顆粒的孔隙率θ＝0.4，顆粒的密度ρp＝1.4ｇ／cm3，分子擴(kuò)散系數(shù)DAB＝0.052cm2／s，微孔的曲節(jié)因子δ＝2，(顆粒為球型)第三章釜式及均相管式反應(yīng)器一、思考題1、返混的定義是什么?返混是否總是有害的?2、造成非理想流動(dòng)的主要因素有哪些?其根本原因是什么?3、返混能造成非理想流動(dòng),對(duì)否?4、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程包括哪些內(nèi)容?5、絕熱溫升(降)的物理含義是什么?6、串、并連操作各有何特點(diǎn)?工業(yè)上何時(shí)采用串聯(lián)操作?何時(shí)采用并聯(lián)操作?兩者是否可以互相代替?7、一般情況下返混對(duì)反應(yīng)結(jié)果都有不利影響,對(duì)否？8、CSTR串聯(lián)是否好于單個(gè)大體積的CSTR?是否工業(yè)上都用多個(gè)CSTR串聯(lián)來(lái)代替單個(gè)CSTR?多釜串聯(lián)時(shí)是否串聯(lián)級(jí)數(shù)越多越好?9、對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng),在相同的反應(yīng)條件下完成相同的任務(wù)時(shí),兩個(gè)體積相同的CSTR串聯(lián)、并聯(lián)的結(jié)果是否相同?如果不相同，哪種結(jié)果好？10、CSTR與PFR串聯(lián)操作時(shí),其順序的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果?11、什么情況下串聯(lián)操作與單個(gè)反應(yīng)器操作的結(jié)果完全相同?12、反應(yīng)體積的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果?它是通過(guò)什么途徑起的作用?對(duì)于不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?13、轉(zhuǎn)化率與體積變化相比哪個(gè)對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響大?14、反應(yīng)體積增大與減少對(duì)反應(yīng)結(jié)果有何影響?對(duì)不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?15、如果主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù),體積增大對(duì)反應(yīng)是否有利?16、如果反應(yīng)溫度提高后,目的產(chǎn)物的選擇性明顯增加,從中可以得出什么結(jié)論?17、瞬時(shí)選擇性與總選擇性有何關(guān)系?兩者是否可以相等?18、反應(yīng)器多態(tài)的物理含義是什么?二、計(jì)算題1、以醋酸(A)和正丁醇(B)為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為100℃，每批進(jìn)料1的A和4.96的B，已知反應(yīng)速率，試求醋酸轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為960和740。2、生化工程中酶反應(yīng)A+P→P+P為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式為，某溫度下k=1.512，原料中含有A0.99kmol/m3，含P為0.01kmol/m3，要求A的出口濃度達(dá)到CAf=0.01kmol/m3，該反應(yīng)器的處理能力為V0＝10m3/h時(shí)，試求：(1)反應(yīng)速率達(dá)到最大時(shí)A的濃度；(2)采用CSTR反應(yīng)器時(shí)的體積；(3)采用PFR反應(yīng)器時(shí)的體積。3、由醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，化學(xué)反應(yīng)為：CH3COOH(A)+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O，每小時(shí)處理原料量為735kg，反應(yīng)混合物密度為0.75kg/l，原料配比為醋酸:丁醇＝1:4.97(mol)，動(dòng)力學(xué)方程為，，求反應(yīng)器的有效容積：(1)用一個(gè)全混流反應(yīng)器；(2)用兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，已知：，(3)用一個(gè)平推流反應(yīng)器。4、在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)Ａ＋Ｂ→Ｐ，測(cè)得此二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)為k＝61.5×10-2[l／mol.h]，CA0＝0.307[mol／l]，計(jì)算當(dāng)CB0／CA0＝1和5，轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99所需的反應(yīng)時(shí)間，并對(duì)計(jì)算結(jié)果加以討論。5、在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行皂化反應(yīng)：CH3COOC2H5＋NaOH→CH3COONa＋C2H5OH該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯和氫氧化鈉均為一級(jí)，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯和氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反應(yīng)速度常數(shù)為k=5.6[l/min.mol],要求最終轉(zhuǎn)化率為0.95，試求所需的反應(yīng)時(shí)間。6、在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.90，現(xiàn)將該反應(yīng)移到一個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，且操作條件不變，問(wèn)出口轉(zhuǎn)化率是多少？7、在150℃等溫平推流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.60，現(xiàn)改用等體積的全混流反應(yīng)器操作，料液流率及初濃度不變，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.70，問(wèn)此時(shí)全混流反應(yīng)器應(yīng)在什么溫度下操作，已知反應(yīng)活化能為83.68[kJ／mol]8、在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行如下液相可逆反應(yīng)：在120℃時(shí)，反應(yīng)速率，反應(yīng)器的體積為100mL，兩股進(jìn)料流同時(shí)等流量進(jìn)入反應(yīng)器，一股含，另一股含，當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化率為80％時(shí)，每股料液流量為多少。9、液相自催化反應(yīng)Ａ→Ｐ，反應(yīng)速度，k=10-2[m3／kmol.s]，進(jìn)料體積流率V0=0.002m3／s，進(jìn)料濃度CA0＝2[kmol／m3]，CP0＝0，問(wèn)當(dāng)XA＝0.98時(shí)，下列各種情況下的反應(yīng)器體積。(1)單個(gè)平推流反應(yīng)器；(2)單個(gè)全混流反應(yīng)器；(3)兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)。10、在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)可逆反應(yīng)，，已知該反應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)器出口實(shí)際轉(zhuǎn)化率，問(wèn)如何調(diào)節(jié)加料速率，可使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)。11、在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行氣相反應(yīng)：A→3B，，反應(yīng)器進(jìn)口,含Ａ65％，其余為惰性組分(mol％)，反應(yīng)是在550K和３kg/cm2下進(jìn)行反應(yīng)，已知進(jìn)料中Ａ的流量為10mol／min，為使轉(zhuǎn)化率達(dá)80％，試求：⑴所需的空速為多少；⑵反應(yīng)器的有效容積為多少？12、某氣相不可逆反應(yīng)：A→B＋2C，在60℃，5atm下的平推流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,原料氣中含75％的A和25％的惰性物料（mol％），物料的體積流量為,A和惰性物料的分子量分別為60和40，反應(yīng)速度常數(shù)為，轉(zhuǎn)化率控制為75％，試求：⑴所需的空速為多少？⑵反應(yīng)器的容積為多少？13、某氣相反應(yīng)：，已知物料的體積流量,,轉(zhuǎn)化率，計(jì)算下列各情況的反應(yīng)器的體積(純Ａ進(jìn)料)：⑴單個(gè)平推流反應(yīng)器；⑵單個(gè)全混流反應(yīng)器；⑶兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)。14、在平推流反應(yīng)器中，以乙烷氣體為原料進(jìn)行裂解制乙烯：C2Ｈ6→C2Ｈ4＋Ｈ2；動(dòng)力學(xué)方程式為：，反應(yīng)溫度為900℃，壓力為1.4atm(絕壓)，反應(yīng)速度常數(shù)k=16.45s-1，進(jìn)料為乙烷與水的混合物，其配比乙烷:水＝1:0.5(體積)，乙烷進(jìn)料速度為20噸／時(shí)，乙烷的轉(zhuǎn)化率為60％，設(shè)反應(yīng)器在恒壓下進(jìn)行，試計(jì)算反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)器的體積。第四章反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響一、思考題1、停留時(shí)間分布函數(shù)的定義是什么？2、停留時(shí)間分布密度函數(shù)的定義是什么？它與停留時(shí)間分布函數(shù)有何關(guān)系？3、停留時(shí)間分布測(cè)定方法有哪些？得到的應(yīng)答曲線是什么？4、平均停留時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間是否一致？5、方差的物理含義是什么？方差大小，是否影響平均停留時(shí)間？返混程度與平均停留時(shí)間及方差是否有關(guān)系？6、皮克萊準(zhǔn)數(shù)（Pe）的物理含義是什么？它的倒數(shù)表明什么？7、實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀態(tài)是否可以同時(shí)用幾個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述？8、宏觀流體的平均轉(zhuǎn)化率和平均濃度怎樣計(jì)算？均相反應(yīng)是否有宏觀流體？非均相反應(yīng)是否有宏觀流體？二、計(jì)算題1、用脈沖法測(cè)得某反應(yīng)器出口示蹤物的濃度如下：ｔ(s)0120240360480600720840960C(t)06.512.512.51052.510已知該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速度常數(shù)k＝3.24×10-3s-1，試用多級(jí)串聯(lián)全混流模型計(jì)算轉(zhuǎn)化率。2、有一理想的釜式攪拌器，已知反應(yīng)器體積為100升，流量為10L/min，試估計(jì)離開(kāi)反應(yīng)器的物料中，停留時(shí)間分別為0～13、用脈沖法測(cè)得停留時(shí)間分布數(shù)據(jù)如下：t(s)04896144192240288336384432c(t)0000.15108400試計(jì)算平均停留時(shí)間，如在反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)Ａ→Ｒ，k＝0.0075s-1，求平均轉(zhuǎn)化率。如分別采用CSTR和PFR，其平均停留時(shí)間相同，則反應(yīng)結(jié)果分別為多少。4、用脈沖示綜法測(cè)得實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布關(guān)系如下表所示，t(s)123456810152030415267c(t)957819090867767473215731今有一液相反應(yīng)A＋B→P，已知CA0<<CB0，若此反應(yīng)在具有相同停留時(shí)間的平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率可達(dá)99％，試計(jì)算(1)該反應(yīng)器的平均停留時(shí)間及方差；(2)若實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器以多釜串聯(lián)模型描述，可達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為多少？5、用脈沖法測(cè)得逗留時(shí)間分布數(shù)據(jù)如下：t(min)01.5245.567.58.5101214.517.5E(t)00.3750.3320.2120.1680.1250.1080.0850.0620.0410.0200反應(yīng)速度常數(shù)k＝0.307min-1,試求和實(shí)際反應(yīng)器所能達(dá)到的平均轉(zhuǎn)化率XA。6、一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的容器作為一級(jí)液相反應(yīng)的反應(yīng)器，為判斷反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀況與理想流動(dòng)狀況的偏離情況，用脈沖法進(jìn)行示綜試驗(yàn)，在