河南科技学院《反应工程》期末复题

《化学反应工程》一．选择题1可逆放热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而()Ａ．降低　　Ｂ.升高　　Ｃ.A、B均可能　　Ｄ.同可逆吸热反应2．可逆吸热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而()Ａ．降低　　Ｂ.升高　　Ｃ.A、B均可能　　Ｄ.同可逆吸热反应3.不可逆反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而()Ａ．降低　　Ｂ.升高　　Ｃ.A、B均可能　　Ｄ.同可逆吸热反应．4．当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，收率顺序：A、间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜B、多个连续釜串联＞间歇釜＞单一连续釜C、间歇釜＞单一连续釜＞多个连续釜串联D、间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜5．当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，收率顺序：A、间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜B、多个连续釜串联＞间歇釜＞单一连续釜C、间歇釜＞单一连续釜＞多个连续釜串联D、间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜6、正常动力学，转化速率-RA随XA增加而降低。A、多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。B、多釜串联比单釜有利，总反应体积大于单釜体积。C、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。D、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。7、反常动力学，转化速率-RA随XA增加而增加。A、多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。B、多釜串联比单釜有利，总反应体积大于单釜体积。C、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。D、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积大于串联釜的总体积。8、下列叙述正确的是（）A、对于可逆吸热反应，反应速率随XA的变化升高而升高B、对于可逆放热反应，反应速率随XA的变化升高而升高C、对于可逆吸热反应，存在最佳温度TopD、对于可逆放热反应，存在最佳温度Top9、下列叙述正确的是（）A、对于可逆吸热反应(温度一定)，反应速率随XA的变化升高而降低B、对于可逆放热反应(温度一定)，反应速率随XA的变化升高而升高C、对于可逆吸热反应，存在最佳温度TopD、对于可逆放热反应，不存在最佳温度Top 1.化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指传质，，。 2.一级连串反应，在平推流反应器中，为提高目的产物的收率，应k2/k1。（增高或降低）。 3.停留时间分布的两个函数间的关系是,停留时间在0～∞间的物料占总物料的分率应为。 4.对于循环操作的平推流反应器，当循环比0时为反应器，而当∞时则相当于反应器。 5.若一级反应的反应速率rA采用kmol/（m3·s）为单位，浓度采用kmol/m3为单位，则k的单位为，若反应速率以kmol/(kg·s)表示，则k的单位为。 6.计算转化率起始状态的选择，正确的是（） A.连续反应器，选择反应器出口处原料的状态 B.连续反应器，选择反应器进口处原料的状态 C.间歇反应器，选择反应结束时的状态 D.数个反应器串联，往往以进入第二个反应器的原料组成为计算基准 7.全混流反应釜最多可以有个定常操作点 A.1B.2C.3D.4 8.对于反应速率随转化率变化存在一个极大值的化学反应，最合适的反应器为 A.管式反应器B.釜式反应 C.循环操作的管式反应器D.釜式反应串联管式反应器 9.不是理想吸附的基本假定的是（） A.吸附位具有相同的能量 B.属单层吸附 C.被吸附分子间的作用力可略去不计 D.属多层吸附 11.脉冲法测定停留时间分布对应曲线为 A.E(t)曲线B.F(t)曲线 C.I(t)曲线D.y(t)曲线 12.全混流流动E(t)曲线的方差= A.0B.0~1C.1D.>1 15.一级连串反应在间歇式反应器中进行，则目标产物P存在最大浓度，其最大浓度时的反应时间应该为? 6.如果将管式反应器出口的产物部分返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为 的管式反应器。 7.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为、。 8.停留时间分布可由两个函数定量描述，它们是和。 9.工业反应器有三种操作方式，包括：，，。 10.气体在固体表面的吸附中物理吸附靠结合的，而化学吸附是靠结合的。二．讨论题1、一间歇釜式反应器中进行一级不可逆反应，在相同的操作时间下采用大釜比用小釜所达到的转化率要高。这种说法是否正确？答：这种说法不正确。由于操作时间相同，由(一级反应)知，反应的转化率与反应器的体积无关，只与反应时间有关。2、平行反应分析：温度和浓度对瞬时选择性的影响浓度的影响与主、副反应级数有关＝，与浓度无关>，浓度增高，瞬时选择性增加<，浓度增高，瞬时选择性降低温度的影响与主副反应活化能有关E主＝E副，与温度无关E主>E副，温度增高，瞬时选择性增加E主<E副，温度增高，瞬时选择性降低三．计算题1．有一级不可逆反应A→P，在85℃时反应速率常数为，若日产400Kg的产品P,A和P的密度均为1.25Kg/l,今拟在间歇釜式反应器中进行，若辅助操作时间为0.5h,最终转化率为95%，求:①每批操作所需反应时间？②若装填系数为0.75，求反应器的体积？答：①t=　　　　=　　　　=86.8min=1.45h　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　②每批产量：400[(24/（t0+t）]=400/[24/(0.5+1.45)]=32.5Kg每批物料的投放量：32.5/1.25/0.95=27.37L　　　　反应器的实际体积　Vr=27.37/0.75=36.49L　　　　　1．在银催化剂上进行甲的醇反应：　　　　2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O　　　　2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O　　进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%。甲醇的收率为69.2%。试计算（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成。解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为　　　　S=Y/X=0.692/0.720=0.9611=96.11%(2)进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料为100mol时，则反应器的进料组成为组分摩尔分率yi0摩尔数ni0（mol）CH3OH0.27427.4空气0.547954.79（O2：11.51，N2：43.28）水0.178117.81总计1100设甲醇的转化率为为XA，甲醇的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇，甲醛和二氧化碳摩尔数nA，np，nC，分别为　　　　nA=nA0(1－XA)=7.672mol　　　　np=nA0YP=18.96mol　　　　nC=nA0(XA－YP)=0.7672mol综上所述反应的化学计量式水（nW）,氧气（nO，和氮气（nN）的摩尔数为　　　　nW=nW0+nP+2nC=38.30mol　　　　nO=nO0－1/2np－3/2nC=0.8792mol　　　　nN=nN0=43.28mol所以，反应器出口气体组成为....2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为9.629×104J/mol，如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为550℃时的速率比反应温度为400℃时的反应速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其他条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。　　r550/r400=k550/k400=Aexp(－E/RT550)/Aexp(－E/RT400)　　=exp[E/R(1/T400－1/T550)]=23(倍)2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750℃等温下的转化反应为：　　原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1:4，若是这个反应对各反应物均为1级。已知。试求：　　（1）反应在恒容下进行，系统的初始总压为0.1013MPa，当反应器出口的CH4转化率为80％时，CO2,H2 的生成速率是多少？　　（2）反应在恒压下进行，其他条件如（1）， 的生成速率又是多少？　　解：（1）由题意可将反应速率表示为　　A+2B→C+4DrC=kCACB对于恒容过程，则有　　CA=CA0(1－XA)　　CB-=CB0－2CA0XA　　CA0=PA0/RT=2.382×10-3mol/l　　CB0=4CA0=9.528×10-3mol/l当XA=0.8时　　CA=CA0(1－XA)=4.764×10-4mol/l　　CB-=CB0－2CA0XA=5.717×10-3mol/l　　RC=rC=kCACB=5.447×10-6mol/（l?S）　　RD=4rC=2.179×10-5mol/（l?S）（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求出总摩尔的变化数　　δA=∑t/A=（1+4－1－2）/1=2反应物A的原始分率：　　yA0=1/(1+4)=0.2由（2.52）式可得转化率为80%时的浓度：　　CA=CA0(1－XA)/(1+δAyA0XA)=3.609×10-4mol/l　　CB-=（CB0－2CA0XA）/(1+δAyA0XA)=4.331×10-3mol/l　　rC=kCACB=3.126×10-6mol/(l.s)　　RC=rC=3.126×10-6mol/(l.s)3.2　拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：　　　　　　　　以生产乙二醇，产量为20kg/h ，使用15％（质量分率）的NaHCO3水溶液及30％（质量分率）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇与碳酸氢钠的摩尔比为1:1，混合液的密度为1.02kg/L 。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为1级，在反应温度下反应速率常数等于5.2L/(mol*h)，要求转化率达到95％。　　（1）若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积；　　（2）若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。解：（1）氯乙醇，碳酸氢钠和乙二醇的分子量分别为80.5，84，62　　每小时产乙二醇：20/62=0.3226kmol/h　　每小时需氯乙醇：0.3226×80.5/0.95×30%=91.11kg/h　　每小时需碳酸氢钠：0.3226×84/0.95×15%=190.2kg/h　　原料体积流量：Q0=（91.11+190.2）/1.02=275.8l/h　　氯乙醇初始浓度：CA0=0.3226×1000/0.95×275.8=1.231mol/l　　反应时间：　　　　　　　　t=CA0=2.968h反应体积：　　　　　　　　　　　　　Vt=Q0（t+t'）=956.5L（2）反应器的实际体积：　　　　　　　　　　　　V=Vt/j=1275L3.14　等温下进行1.5级液相不可逆反应： A→B+C，反应速率常数等于 ，A的浓度为2 kmol/m3 的溶液进入反应装置的流量为1.5 m3/h 。试分别计算下列情况下A的转化率达95％时所需的反应体积：　　（1）一个连续釜式反应器；　　（2）两个等体积的连续釜串连釜式反应器；　　（3）保证总反应体积最小的前提下，两个连续釜式反应器并联。解：（1）全混流反应器　　　　　（2）两个等体积全混反应器串联　　　　　由于Vr1=Vr2所以由上二式得：　　　　　XA2=0.95代入上式，化简后得到XA1=0.8245，所以：　　　　　串联系统总体积为Vr=2Vr1=4.758m3　　（3）此时的情况同（1），即Vr=18.02m33.8 在一个体积为300 L的反应器中，86℃等温下将浓度为3.2 mol/L 的过氧化氢异丙苯溶液分解： 　　　　　　　　生产苯酚和丙酮。该反应为1级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08 s-1，最终转化率达98.9％，如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15 min，试计算苯酚的产量。 解：　(1)t=CA0=CA0　　　　　=[Ln1/（1－XA）]/k=56.37s=0.94min　　　　　Vr=Q0(t+t0)=300L　　　　　Q0=300/15.94=18.82L/min　　苯酚浓度C苯酚=CA0XA=3.2×0.989=3.165mol/L　　苯酚产量Q0C苯酚=18.82×3.165=59.56mol/min=335.9kg/h四．推导题对气-固催化反应A+B=C，其可能的反应机理如下：试导出其速率方程表达式。答：因为第三步为控制步骤，所以其它各反应均达到平衡状态。　　则　　　　　　　　　　　因为1，2，4步达到平衡，所以有　　　　又：　　解得　　　　　将之代入前面方程得　　其中：　　　　　　　　　　5在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应：以A、B及R分别代表异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其他两步过到平衡，描述如下：　　A+σAσ　　KA=θA/PAθν　　θA=KAPAθν　　AσBσ+R　　rA=K1θA－K2PRθB　　BσB+σ　　KB=θB/PBθν　　θB=KBPBθν以表面反应速率方程来表示整个反应的速率方程：　　rA=K1θA－K2PRθB由于θA+θB+θν=1将θA，θB代人上式得　　KAPAθν+KBPBθν+θν=1整理得：　　θν=1/（1+KAPA+KBPB）将θA，θB，θν代人速率方程中　　rA=[k（PA－PBPR）/KP]/（1+KAPA+KBPB）其中k=K1KA，KP=K1KA/K2KB4 在银催化剂上进行乙烯氧化反应： 化作 其反应步骤可表示如下： （1） （2） （3） （4） 若是第三步是速率控制步骤，试推导其动力学方程。试推导说明可逆吸热反应的速率总是随着温度的升高而增加。填空题1、化学反应器的操作方式有间歇操作连续操作半连续操作2、反应器设计的基本方程有物料衡算式(连续方程)、能量衡算式(能量方程)、动量衡算式3、固体催化剂的三部分组成主催化剂、副催化剂、载体4、空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。5、正常动力学，转化速率随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。反常动力学，转化速率随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。7、串联釜式反应器进行级反应：8、反应器设计的基本方程：输入=输出+消耗+累积9、多相系统的特征是系统中同时存在两个或两个以上的相态。比表面积是单位质量催化剂颗粒所具有的表面积。孔容是单位质量催化剂颗粒所具有的孔体积。10、由于催化剂的表面积绝大多数是内表面积，造成化学反应主要在催化剂的内表面进行。由于扩散的影响，流体主体、催化剂外表面上及催化剂颗粒中心反应物的浓度cAG、cAS、cAC将是不一样的，且cAG>cAS>cAC。　　11、流体与固体颗粒间的传质系数及传热系数与颗粒的几何形状及尺寸、流体力学条件以及流体的力学性质有关。12、固定床中同一横截面上的空隙率是不均匀的，对于粒度均一的颗粒所构成的固定床，在与器壁的距离1-2倍颗粒直径处，空隙率最大，而床层中心较小。器壁的这种影响，叫做壁效应。13、固定床绝热反应器有单段与多段之分。4.8在管式反应器中400℃等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的活化能等于39.77。现拟在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变的前提下（采用等温操作），增产35％，请你拟定一具体措施（定量说明）。设气体在反应器内呈活塞流。解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与k有关，所以，提高反应温度可使其增产，具体值为：解此式可得：T2=702.7K，即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%判断题1．间歇反应器的特征是反应器内物系的组成不随时间而变。（）2．连续操作的特征是连续地将原料输入反应器，反应产物也连续的从反应器流出。（）3．速率方程与由质量作用定律得到的形式相同，说明反应一定是基元反应。（）4．固定床反应器的床层直径与颗粒直径之比越大，床层空隙率的分布越不均匀。（）5．多项系统的特征是系统中同时存在两个或两个以上的相态。（）6．间歇反应器的特征是反应器内物系的组成随时间而变。（）7．连续操作的特征是连续地将原料输入反应器，反应产物不用连续的从反应器流出。（）8．反应是基元反应，速率方程与由质量作用定律得到的形式一定相同。（）9．固定床反应器的床层直径与颗粒直径之比越大，床层空隙率的分布越均匀。（）10．多项系统的特征是系统中同时存在两个或两个以上的相态。（）11.物理吸附的引力是分子引力。（）12.化学吸附是固体表面与吸附分子间的化学键力所造成。（） 8．实验室催化反应器的类型主要有 、、、内循环反应器。 9．单一反应只要反应级数为正，则外扩散有效因子。 10．间歇釜式反应器的物料衡算式： i=1，2，…，K   11．吸附分为和化。   4．属于化学吸附的特点的是（） A、吸附快，活化能低 B、单分子层 C、可逆 D、温度较低  5．不是导致流体的流动偏离理想流动的原因的是（） A、流动因素 B、混合问题 C、温度高低 D、流体的凝集态 3．反应物转化量与反应产物生成量之间的比例关系符合化学计量关系。（）   4．速率方程与由质量作用定律得到的形式相同，不能说明该反应一定是基元反应。但基元反应的速率方程与由质量作用定律得到的形式一定相同。（）   5．基元反应的速率方程不一定可用质量作用定律来表示。（） 3．搅拌作用：拌合、、、。  4．平推流：程度为零  5．催化剂最重要的性质：、、。 6．流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作反应器。  7．气液反应器:、。 9．多釜串联模型基本假设：级内为；级间；各级相同。   10．设气体A为催化剂的吸附位σ吸附：A+σ=Aσ，若为理想吸附，KA为吸附平衡常数，θA为表面覆盖率，则吸附等温方程为： 5一氧化碳变换反应： 在较低温度下，其动力学方程可表示为： 试拟定该反应的合适的反应步骤。   解：根据题意，假设反应步骤如下： 并假设第二步是控制步骤，其速率方程 就代表了整个反应的速率方程： 其余的两步可认为达到平衡，则有： 由于，有： 将代入速率式，得： 式中。故上述假定与题意符合。但上述假定的反应步骤不是唯一的。 6反应(CH3CO)2O+H2O→2CH3COOH在间歇反应器中15℃下进行。已知一次加入反应物料50kg，其中(CH3CO)2O的浓度为216mol·m-3，物料密度为1050kg·m-3。反应为拟一级反应，速率常数为k=5.708×107exp(−E/RT)min-1，E=49.82kJ·mol-1。求xA=0.8时，在等温操作下的反应时间。 1．在两个串联的全混流反应器中进行一级反应，进出口条件一定时，试证明当反应器大小相同时，两个反应器的总容积最小。 2．有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80％，经过18min后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 解： 3.一气相分解反应在常压间歇反应器中进行，在400K和500K温度下，其反应速率均可表达为−rA=23pA2mol·m-3s-1，式中pA的单位为kPa。求该反应的活化能。