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化学工程中化学反应工程习题


化学反应工程期末自测试卷
科 I.填空题 1.(1)
化学反应工程是一门研究______________的科学。

目:化学反应工程

适用对象:化学工程与工艺本科

2.(1)
P (主 ) A

如果平行反应 _______。

S (副 )

均为一级不可逆反应,若

E主



E副

,提高选择性 S P 应

3.(1)
aA + bB pP + sS 对于反应,则 r P ? _______ ( ? r A ) 。

4.(1)
全混流反应器的移热速率 Q r =______________。

5.(1)
全混流反应器的返混_______。

6.(1)
介于非凝集态与完全凝集态之间的混合态称为_______。

7.(1)
在轴向分散模型中,模型的唯一参数彼克莱准数愈大轴向返混程度就_______。

8.(1)
气-固相催化反应的内扩散模数
?S ?

_______,它是表征内扩散影响的重要参数。

9.(2)
气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的,而化学吸附是靠_______结合的。

10.(1)
绝热床反应器由于没有径向床壁传热, 一般可以当作平推流处理, 只考虑流体流动方向上有 温度和浓度的变化,因此一般可用_______模型来计算。

11.(2)
目前描述固定床反应器的数学模型可分为_______和_______的两大类。

12.(3)
在流化床中为了传热或控制气-固相间的接触, 常在床内设置内部构件, 以垂直管最为常用, 它同时具有_______,_______并甚至_______的作用。

13.(1)
描述流化床的鼓泡床模型,它相当于 业上的实际操作大多属于这种情况。
U 0 / U mf

_______时,乳相中气体全部下流的情况,工

14.(1)

双膜模型把复杂的相间传质过程模拟成_____________________的叠加,相间传质总阻力等 于双膜传质阻力的加和。

II.单项选择 1.(2)
全混流反应器中有_______个稳定的定常态操作点。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4

2.(2)
一级连串反应 A
C P , max ?
K1 K2

P

S 在全混流釜式反应器中,则目的产物

P 的最大浓度

_______。
K1 K2
K2 K 2 ? K1

C A0 (

)

C A0

A.

B.

[( K 2 / K 1 )

1/ 2

? 1]

2

C A0 (

K2 K1

K2

)

K 2 ? K1

C A0

C.

D.

[( K 1 / K 2 )

1/ 2

? 1]

2

3.(2)
轴向分散模型的物料衡算方程在_______式边界条件下有解析解。 A. 闭-闭 B. 开-闭 C. 闭-开 D. 开-开

4.(2)
反应级数 n=_______时微观流体和宏观流体具有相同的反应结果。 A. 0 B. 0.5 C. 1 D. 2

5.(2)
? d? dt ? kdCi ?
m d

催化剂在使用过程中会逐渐失活, 其失活速率式为

, 当进料中的杂质吸附 D. ≈1

极牢以及对产物无内扩散阻力时,d 为_______。 A. ≈0 B. =1 C. →3

6.(2)
催化剂颗粒扩散的无因次扩散模数 _______之比。 A. 扩散速率
?S ? R
kV C S
m ?1

/ De

值的大小反映了表面反应速率与 D. 实际反应速率

B. 外扩散速率

C. 内扩散速率

7.(2)
不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。 A. 粒子与流体间有温度差 B. 粒子与流体间无温度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层轴向有温度梯度

8.(2)
不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。 A. 粒子与流体间有浓度差 B. 粒子与流体间无浓度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层径向有浓度梯度

9.(2)
流化床反应器中的操作气速 内。
U
0

是根据具体情况定的,一般取流化数

U

0

ut

在_______范围

A. 0.1~0.4

B. 1.5~10

C. 10~15

D. 0.4~1.5

10.(2)
下列哪一项不属于流化床反应器按深度而分的第Ⅱ级模型的特点_______。 A. 各参数均为恒值 B. 参数值不随床高而变 C. 参数值与气泡大小无关 D. 参数值与气泡大小有关

III.简答题 1.(5)
对于可逆放热反应如何选择操作温度?

2.(5)
简述寻求停留时间分布的实验方法及其分类?

3.(5)
简述气-液反应的宏观过程:A(g) + bB(l)→ 产物(l)?

4.(5)
简述固定床反应器的优缺点?

5.(5)
简述流化床反应器的缺点?

6.(5)
简述气-液相反应器的设计所包含的内容?

IV.计算题 1.(10)
醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水,而副反应生成甲烷和二氧化碳:
CH 3 COOH ? 1 CH ??
k 2

? CO ? H 2 O
?1 ?1

CH 3 COOH

? 2 ?? CH
k

4

? CO

2

已知在 916℃时 k 1 ? 4 . 65 s , k 2 ? 3 . 74 s ,试计算: 1) 99%的醋酸反应掉的时间;(6 分) 2)在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。 分) (4

2.(5)
P (主 ) A
2 C ? 2 . 0 mol / l r ? CA ,其中 r P ? 2 C A , S ,已知 A 0 ,

平行反应
C P 0 ? C A0 ? 0

S (副 )

,求在平推流反应器中的
3

C P , max



3.(10)
在一容积为 2.5m 的间歇釜中进行均相反应 A + B → P,为防止产物 P 在高温分解,反应维 持在 75℃等温操作, ? r A ? kC A C B kmol / l ? s , k 1 ? 2 . 78 l / kmol ? s ,活化能
E ? 4 . 611 kJ / mol 。当反应物 A 和 B 的初始浓度均为 C A 0 ? C B 0 ? 4 mol / l ,A 的转化率
x A ? 0 . 80

时,该间歇釜平均每分钟可处理 0.684kmol 的反应物 A。今若把反应移到一个管

内径为 125mm 的理想管式反应器中进行,若将温度提升到 85℃等温操作,且处理量与所要

求达到的转化率均与间歇反应时相同,求所需的管式反应器长度。

4.(10)
应用脉冲示踪法测定一容积为 12 l 的反应装置,进入此反应器的流体流速
v 0 ? 0.8 l / min



在定常态下脉冲的输入 80 克的示踪剂 A, 并同时测其出口物料中 A 的浓度 CA 随时间的变化, 实测数据如下: t(min) 0 CA g/l) 0 ( 5 3 10 5 15 5 20 4 25 2 30 1 35 0

试根据实验数据确定 E(t)曲线的方差

?

2 t



??

2



5.(5)
某一液相分解反应,若已知其反应动力学为 ? r A ? kC A , k ? 0 . 307 min 间为 15min 时,当多级全混流模型可用时,其
? ? ? 0 . 211
2

?1

,当平均停留时

,求其最终转化率为多少?

化学反应工程期末自测试卷答案 ( 3 )
1.(1)

化学反应的工程问题
2.(1)

提高温度
3.(1)

p a
4.(1)
T (1 ? UA v0 ?c P ) ? (T 0 ? UAT
m

v0 ?c P

)

5.(1)

最大
6.(1)

部分凝集态
7.(1)

愈小
8.(1)

R

kV C S De

m ?1

9.(2)

范德华力、化学键力
10.(1)

拟均相一维
11.(2)

拟均相、非均相
12.(3)

传热、控制气泡聚、减少颗粒带出
13.(1)

>6~11
14.(1)

串联的稳定的双膜分子扩散过程
1.(2)

B
2.(2)

B
3.(2)

D
4.(2)

C
5.(2)

A
6.(2)

C
7.(2)

A
8.(2)

A
9.(2)

A
10.(2)

C
1.(5)

1)对于放热反应,要使反应速率尽可能保持最大,必须随转化率的提高,按最优温度曲线 相应降低温度; (②分) 2)这是由于可逆放热反应,由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高,净反应速率出现 一极大值; (②分) 3)而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。 (①分)
2.(5)

通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线。 (①分)所谓物理示踪是指采用一 种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统, 通过观测该示踪 物质在系统出口的浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布。 (②分)根据示踪剂 输入方式的不同大致分为四种:脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入法。 (②分)
3.(5)

1)反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面,在界面上假定达到气液相平衡;②分 2)反应物气相组分 A 从气液相界面扩散入液相,并在液相内反应;①分 3)液相内的反应产物向浓度下降方向扩散,气相产物则向界面扩散;①分 4)气相产物向气相主体扩散。①分
4.(5)

凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。 ①分) ( 1)催化剂在床层内不易磨损; (①分) 2)床层内流体的流动接近于平推流,与返混式反应器相比,用较少的催化剂和较小的反应 器容积来获得较大的生产能力; (①分) 3)固定床中的传热较差; (①分) 4)催化剂的更换必须停产进行。 (①分)
5.(5)

1)气流状况不均,不少气体以气泡状态经过床层,气-固两相接触不够有效; (①分) 2)粒子运动基本上是全混式,因此停留时间不一。 (①分)在以粒子为加工对象时,影响产 品质量的均一性, (①分)且粒子的全混造成了气体的部分返混,影响反应速率和造成副反 应的增加; (①分) 3)粒子的磨损和带出造成催化剂的损失,并要设置旋风分离器等粒子回收系统。 (①分)

6.(5)

首先是根据气-液反应系统的动力学特征来选择正确的反应器型式, (②分) 然后结合反应器 特性来确定能满足给定生产任务的反应器几何尺寸。 (③分)
1.(10)

解:设在时间 t 时乙烯酮和甲烷的浓度分别为 x 和 y,初始为
dx dt dy dt ? k 1 (C A 0 ? x ? y )

C A0

,则

①分

? k 2 (C A 0 ? x ? y )

①分

d (x ? y)

相加得

dt

? ( k 1 ? k 2 )( C A 0 ? x ? y )

①分

d (x ? y)

将其积分

C A0 ? ( x ? y )
C A0

? ( k 1 ? k 2 ) dt

ln

C A0 ? ( x ? y )

? ( k1 ? k 2 )t

②分

1) 当转化率为 99%时
x ? y ? 0 . 99 C A 0
1 4 . 65 ? 3 . 74 1 1 ? 0 . 99

①分
? 0 . 549 s

t ?

ln

①分

SP ?

dx dy

2) 瞬时选择性为
x ? k1 k2
x y
2.(5)

①分

?

4 . 65 3 . 74

积分得

y

②分

S ?

? 55 . 4 %

①分

?P ?

rP ? rA

?

2 2? CA

?

dC

P A

解:

? dC

①分

对上式进行积分得
C P ? ??
CA

2 2? CA

dC

C A0

A

①分

当 C A ? 0 时,产物 P 的浓度最大
C P , max ?

①分


3.(10)

?

2

2 2? CA

dC

0

A

? 2 ln 2 ? 1 . 386 mol / l

②分

解:根据阿累尼乌斯公式
k ? k0e
? E / RT

①分
? E ( 1 ? 1 T1 )

ln

k1 k2



R T2

①分 ①分 ,且为等摩尔反应,故
2 A0

求得 k 2 ? 6 . 633 l / mol ? s 因为
C A 0 ? C B 0 ? 4 mol / l

? r A ? kC A C B ? kC

2 A

? kC

(1 ? x A )

2

? ?

dC dt

A

①分

在间歇反应器中所需的反应时间为:
t ? ?1 k

?

CA

dC C

A 2 A

?

1

(

1

?

1 C A0

)?

1 k

?

xA C A 0 (1 ? x A )

C A0

k CA

①分 ①分

带入得 t ? 151 s ? 2 . 5 min

此反应时间应等于在理想管式反应器中的停留时间,即 ? ? 2 . 5 min ①分
v0 ? F A0 C A0 ? 0 . 684 0 . 004
3

? 171 l / min

①分 ①分

V ? ? v 0 ? 171 ? 2 . 5 ? 428 l ? 0 . 428 m

L ?

V

管长
4.(10)

? / 4D

2

? 35 m

①分

解:首先对实验数据进行一致性检验,此时应满足:

?

?

0

C A dt ?

M v0

? C0 ?

80 0 .8

? 100

①分

?

?

0

C A dt ?

5 3

[ 0 ? 2 ( 5 ? 4 ? 1) ? 4 ( 3 ? 5 ? 2 ? 0 )] ? 100

①分

∴实验数据的一致性检验是满足的。



?

2 t

?

?

?

t E ( t ) dt ? t
2

2

0

②分

t ?

V v0

?

12 0 .8

? 15 (min)

其中

①分 ②分 10 0.05 5 15 0.05 11.25 20 0.04 16 25 0.02 12.5 30 0.01 9 35 0 0

由数据计算得如下表: t(min) E(t)=CA/C0 2 t E(t) 0 0 0
5 3

5 0.03 0.75

?

?

t E ( t ) dt ?
2

[ 0 ? 2 ( 5 ? 16 ? 9 ) ? 4 ( 0 . 75 ? 11 . 25 ? 12 . 5 ? 0 )] ? 263

0

①分
2



? t ? 263 ? (15 ) ? 38
2
2

①分

?? ?
5.(5)

?
t

2 t 2

?

38 15
2

? 0 . 169

①分

N ?

1

解:

??

2

?

1 0 . 211

? 4 . 76

①分 ①分

取 N=4
CA C A0 ? 1 (1 ? k ? )
N

?

1 [1 ? 0 . 307 (15 / 4 )] CA C A0
4

? 0 . 047

②分

C A ? C A 0 (1 ? x A ) ? x A ? 1 ?

? 1 ? 0 . 047 ? 0 . 953 ? 95 . 3 %

①分


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