化学反应工程试题-答案

2004-2005学年第2学期《 化学反应工程》考试试题（A）卷

标准答案

一．选择题(每题2分，共10分)

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．对于A → P (主)， A → B（副）的平行反应，若反应级数α主>α副，在相同的操作条件和反应时间下，下列各种反应器所得转化率判断中正确的是 Ａ．CSTR>PFR Ｂ.CSTR

Ｃ. PFR<间歇反应器 Ｄ.PFR>多级CSTR串联 3．平推流反应器的Pe、N、σθ2值分别为

Ａ．0、0、 1 Ｂ. ∞、0、0 Ｃ. 0、∞、0 Ｄ. ∞、∞、0

4．对于转化率与反应速率存在极大值的动力学关系，采用下列何种型式的反应器可能使得所需反应体积最小

Ａ．PFR Ｂ.PFR后串接一个CSTR Ｃ. CSTR Ｄ.CSTR后串接一个PFR

5．在相同反应体积时，保持其它操作条件亦相同，对于正常动力学，则

Ａ．(XＡ)PFR>(XＡ)两个CSTR串联>(XＡ)单个CSTR Ｂ.(XＡ)单个CSTR> (XＡ)两个CSTR串联>(XＡ)PFR Ｃ. (XＡ)PFR>(XＡ)单个CSTR>(XＡ)两个CSTR串联 Ｄ.(XＡ)PFR =(XＡ)单个CSTR =(XＡ)两个CSTR串联

本题答案

1． C， 2、A ， 3、 D ， 4、 D ， 5、A

二．讨论题（10分）

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。 4分 要点：由于操作时间相同，由t=1/kln(1/(1-xA))(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。 6分

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3.45×10-2 min-1，若日产400Kg的产品P,A和P的密度均为1.25Kg/l,今拟在一容积为10m3的间歇釜式反应器中进行，若辅助操作时间为0.5 h,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？（20分） 解： ① t=CA0?? =

dXAdXA11?CA0???lnrAk?CA0?(1?XA)k1?XAXAf0

11ln() ?21?0.953.45?10 =86.8 min =1.45 h （10分） ② 每批产量：400×24/（t0+t）=400×24/(0.5 + 1.45)= 4923 Kg

每批物料的投放量：

Q0= 4923/1.25/95%=4146 l =4.146 m3

反应器的实际体积VR= 4.146/0.75 = 5.528m3 （10分） 2．某二级液相反应A + B C ，CA0=CB0 =1.0 mol/m3 ，rA= 1.0×10-2CACB（mol/m3.s）采用两釜串联操作，VR1＝VR2 =2 m3 ，Q0=0.01 m3/S，求最终的转化率。 解：

VR1＝ Q0 CA0 (XA1-XA0 ) = Q0 CA0 XA1 rA1 k CA0 2(1-XA1)2 因为: CA0= CB0, vA =vB

代入已知数据得：XA1＝0.5 （10分） 同理：

VR2＝ Q0 CA0 (XA2-XA1 ) = Q0 CA0 （XA2-0.5） rA1 k CA0 2(1-XA2)2

解得：XA2＝0.634 （10分）

3．有如下平行反应

A + B → P （主反应） A + B → S （副反应）

其动力学方程为：rP=k1CACB0.3，rS=k2CA0.5CB1.8（mol/m3.s），已知：k1=k2=1，A和B两种物料的初浓度：CA0=CB0=1.0mol/l，分别从反应器进口等流量加入，反应转化率为0.9。

①写出瞬时选择性与组分A的转化率关系表达式 ②计算在平推流反应器中的总选择性 ③计算在全混流反应器中的总选择性

④如采用平推流反应器，为提高选择性应采取怎样的加料方式。（20分） 解：

① 写出瞬时选择性与组分A的转化率关系表达式

0.3rPk1CACB SP=??0.51.8rP?rSk1CAC0.3?k2.CACBB1k?0.51.51?SCACBk1?1?0.51.51?CACB

∵ CA0=CB0

∴ SP =

② 计算在平推流反应器中的总选择性 SaP=

11? （5分）

1?CA0(1?XA)1?CACA01?CAf??SPdCA?CA01?CAf?1?1?CAdCA

?1 =?ln(1?CA)CA0?CAfCAfCA0

=66.4% （5分）

③ 计算在全混流反应器中的总选择性 SaP= Saf=

1 CAf=CA0 (1-XAf)=0.1

1?CAf ∴ SaP=1/(1+0.1)=0.91 （5分）

④如采用平推流反应器，为提高选择性应采取如下的加料方式。（5分）

-0.51.3

采用平推流反应器时，由（1）的结果知：要使SP增加，CA.CB减小，CA增大，CB减小，有利于SP增加。故采取A从入口一次加入，B多股加入的方式。如下图所示：

四．推导题（10分）

对气-固催化反应A + B = C，其可能的反应机理如下： A + σ

Aσ B + σ Bσ

Aσ+ B Cσ （控制步骤） Cσ C + σ

试导出其速率方程表达式。

解：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 r=ks.θA.PB.– ks’θC 4分

因为1，2，4步达到平衡，所以有

.θA.= KA.PAθv θB.= KB.PBθv θC.= KC.PCθv

又：θA +θb+θv+θc =1

解得θA＝KAPA/(1+ KAPA + KBPB + KCPC)

θC＝KCPC/(1+ KAPA + KBPB + KCPC) 4分 将之代入前面方程得

r= K1PAPB-K2PC 1+ KAPA + KBPB + KCPC

其中： K1=KS KA K2=KS’KC 2分

五、在串联的连续釜式反应器中进行的某反应的反应速率与转化率关系如下图，已知CA0=2.0 mol/m3, VR=5 m3,Q0=2.5m3/s，XA0=0, 写出图解法求出串联所需的釜数原理,并在图中画出图解法求出达到转化率为Xf时所需串联的釜数。（10分）

（4分）

解：

多釜串联釜式反应器的设计方程为：

rAi?C1(CAi?1?CAi)?A0(XAi?XAi?1) （2分） titi 各釜的操作线斜率为：

CA0 ti 各釜的ti 相同，

CA0ti＝2/(5/2.5)=1 （2分）

从XA=0 出发，作一条斜率为1的直线与反应动力学的交点对应的横坐标即为第一釜的出口转化率，再以第一釜出口转化率为起到作一条斜率为1的直线，与动力学曲线交点的横坐标即为第二釜的出口转化率，依次类推，当某一釜的出口转化率大于Xf时，所需的釜数即为串联操作所需的总釜数。由图中划线的结果可知，串联的釜数为4。 （2分）

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