化学反应工程0411121-2期末A-答案

（勤奋、求是、创新、奉献）

2014～ 2015学年第 2学期考试试卷

主考教师： 王远强

学院 化学化工学院 班级 __________ 姓名 __________ 学号 ___________

《化学反应工程》课程试卷A参考答案及评分标准

（本卷考试时间120分钟）

题号 题分 得分 一 12 二 12 三 20 四 10 五 10 六 10 七 12 八 14 总得分 100 一、不定项选择题 1、若外扩散阻力影响消除但存在内扩散的情况下，当催化剂粒径减小时，其颗粒内部效率因子η

2

① 。

①增加 ②不变 ③减小 ④其它 2、能使内扩散的影响加大的有 ①②③ 。

①增加催化剂颗粒的粒径 ②增强催化剂的活性 ③升高反应温度 ④提高反应的主体相浓度Cb ⑤降低反应的主体相浓度Cb

3、均相CSTR反应器中S形放热曲线，在高温区的特征是 ③ ；颗粒催化剂的S形放热曲线，高温区的特征是 ① 。

①扩散控制 ②动力学控制 ③反应物耗尽 ④转化率较小

4、关于理想的间歇式反应器、平推流反应器和全混流反应器，下列描述错误的是 ② 。 ① 三者同为理想反应器，但理想的内涵是不同的

② 理想的间歇式反应器和全混流反应器的内涵是一样的，都是反应器内温度和组成相同。 ③ 理想的间歇式反应器和全混流反应器的理想的内涵是不一样的，虽都是反应器内温度和组 成处处相同，但前者随着时间的变化温 度和组成可能都发生变化，而后者则不随时间变化 ④ 平推流和全混流反应器都是连续流动式反应器，前者的返混为零，后者为无穷大 5、工业生产中对气液反应器需要有较高的生产强度，若反应速度较快，反应基本上是在界面近

旁的反应带（液膜）中进行，要求反应器应具有表面积较大，具有一定得液相传质系数，下 列哪些反应器不适用于此类反应？ ②③⑤ 。

①填料塔反应器 ②搅拌鼓泡反应器 ③流化床反应器 ④板式反应器 ⑤固定床反应器

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二、填空题 1、平行反应主副反应均为一级不可逆反应，若主反应活化能大于副反应活化能，则目标产物的

选择性 浓度 无关，仅是 温度 的函数。

2、反应活化能就是 反应物 分子“激发”为活化分子所需的能量，因此，活化能的大小是表征 化学反应进行难易程度 的标志。

3、当反应级数为 非零、非一级 时，流体的微观混合影响反应的速率，当反应级数大于一级时，宏观混合速率 大于 （大于、等于或小于）微观混合速率。

4、非理想流动现象常包括 滞留区的存在 、存在沟路和短路、 循环流 、流体流速分布不均匀以及扩散等。

5、某二级不可逆气-固相催化反应，(Cb?Ces)/Cb?0.5（Cb为气体主体相浓度，Ces为催化剂颗粒外表面浓度），则颗粒外扩散有效因子η1为 0.25 ，外扩散影响程度 较高 。 6、按双膜论，在气液反应中，反应物A在气相，反应物B在液相，若反应为极快反应，且CBL=CBL*(CBL* 为临界浓度)，则反应面位置 在液膜界面上 ，这时CAi 表示A组分在液膜内的界面浓度 (下标i表示界面)。

三、简述题

1、简述阶跃法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？

阶跃法是当设备内流体达到定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。（3分）

（2分）

2、请说明返混定义、产生原因以及限制返混的措施。

返混：具有不同停留时间物料的混合形成返混。（1分）

返混产生的原因：（1）反应器内速度不均匀的物料混合，如流速分布；（2）反应器中的环流，如搅拌浆的流速分布。（2分）

限制返混的措施：（1）强化速度分布的均匀性（2）横向分割（3）纵向分割（4）放置填料等。（2分）

3、自催化反应如何进行最优反应器组合？用图示简要说明。

最优的反应器组合就是先用一个全混流反应器，控制在最大速率点处操作，然后接一个平

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推流反应器。

CAτPFR CA>CA,OPT,τCSTR<τPFR

返混有利，尤其是在开始阶段，采用CSTR操作（3分）

（2分）

4、CSTR中进行一级不可逆均相放热反应，如何判定操作点？如釜中进行某串联反应，要求控制的转化率为不稳定操作点对应的转化率，应如何进行操作？

（1分）

图中A和C为稳定的操作点，B为不稳定操作点，由于A点转化率较点，实际中常在C点进行操作。CSTR的热稳定条件为：

dQgdT?dQr，即放热速率应小于移热速率。（2分） dT如要求控制的转化率为不稳定操作点对应的转化率，此时为了满足热稳定条件，必须提高冷却介质温度，并相应地增大UA，使移热线上移。（2分）

四、某化学反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，求该反应的活化能（设浓度不变）。

解：设该反应物浓度为CA，反应级数为n，反应速率常数为k

Enn)CA（2分） 则 反应的速率(?rA)?kCA?k0exp(?RTEn)CA（2分） 450℃时，(?rA)1?k0exp(?723REn400℃时，(?rA)2?k0exp(?)CA（2分）

673R由题意：

(?rA)111E?exp[(?)]?10（2分） (?rA)2673723R考试试卷第 3 页 共 6 页

?E?186.3(kJ/mol)（2分）

五、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（反应均为一级）：

k121??CH2=CO + H2O（主反应）CH3COOH?；CH3COOH???CH4 + CO2（副反应），已知在916℃

k时的k1=4.65 s-1，k2=3.74 s-1，t=0时，乙烯酮和甲烷浓度均为0。试计算：

（1）99%的醋酸反应掉所需的时间；（2）在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。

解：设在时间为t时乙烯酮和甲烷的浓度分别为X和Y，醋酸的初浓度为CA0，则有： dXdY；?k1(CA0?X?Y)（2分）?k2(CA0?X?Y)

dtdtCA01d(X?Y)ln?t 上面两式相加可得：积分得：?(k1?k2)(CA0?X?Y)，

k1?k2CA0?(X?Y)dt（1）当醋酸的转化率为0.99时，应有X+Y=0.99CA0，代入上式可得：

11t?ln?0.549(s)（5分） 4.65?3.741?0.99（2）X+Y=0.99CA0；X/Y=k1/k2=4.65/3.74，联解这两个方程得到：

X=0.549CA0；Y=0.441 CA0；醋酸转化为乙烯酮的选择性为：

X0.549??55.4%。（52分）

0.99CA00.99??

六、均相气相反应A→3P在185℃，400kPa下在一个平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1。进料量FA0=30kmol/h，A原料含50%惰性气，为使反应器出口转化率达80%，该反应器体积应为多大？

3?1解：?A?（2分） ?2，yA0?0.5，根据k的单位判断出反应为一级反应，

1(?rA)?kCA，CA?CA01?xA1?xA?CA0（2分）

1?yA0?AxA1?xAFA0?CA0?0?30?1000?8.333(mol/s)（1分）

3600?0?FA08.333??0.0793(m3/s)（1分） CA0400?1000/[8.314?(273.15?185)]反应器体积：

VR???0?CA0?0?0.800.8(1?x)dxdxA0.0793AA?CA0?0???(-0.8-2ln0.2)?19.18(m3)

0kC(1?x)kCA0.01A0A（6分）

七、有一醋酐水溶液，在25℃条件下进行水解反应，在该温度下的速率方程为：(?rA)?0.158CA，

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mol/(min?cm3)。醋酐初浓度为CA0?1.5?10?4mol/cm3，进料流量为500cm3/min，现有两个

2.5L和一个5L的全混流反应器，试回答下列问题： （1）用一个5L的全混流反应器操作，转化率是多少？ （2）用两个2.5L全混流反应器串连操作，转化率是多少？

（3）若用一个2.5L的全混流反应器后串连一个2.5L的平推流反应器，转化率是多少？

解：（1）一个5L的CSTR：

??VR?0?V5000CA0?CA?0.158CA（2分） ? CA?CA0?R?(?rA)?1.5?10?4?(?rA)?0500CA0?CA?0.612（2分） CA0?

CA?5.814?10?5 (mol/cm3) ? xA?（2）两个2.5L的CSTR串连：

CA?C?CACA0?0.688（2分） ?4.68?10?5(mol/cm3) （2分）? xA?A0CA0(1?k?/2)（3）先CSTR，后PFR

25001.5?10?4?CA1CSTR： ? CA1?8.38?10?5(mol/cm3)（2分） ?5000.158CA1PFR：CA2?CA1e?k?1?8.38?10?5?3.803?10?5(mol/cm3)（2分）

1.5?10?4?0.3803?10?4xA??0.746

1.5?10?4八、在球形催化剂上进行气体A的分解反应，该反应为一级不可逆放热反应。已知催化剂颗粒直径为0.3cm，气体在颗粒中的有效扩散系数为4.5×10-5m2，颗粒外表面气膜传热系数为

161kJ/(m2?h?K)，气膜传质系数为310m/h，反应热效应为?162kJ，气相主体A的浓度为0.2mol/L，

实验测得A的表观反应速率为1.67mol/(min?L)，试估算：（1）外扩散阻力对反应速率的影响；（2）内扩散阻力对反应速率的影响；（3）外表面与气流主体间的温差。

解：由题意得，

（1）RA?1.67mol/(min?L)?1.67?60mol/(h?L)?100.2mol/(h?L)

RA?kga(CAb?CAs)?(CAb?CAs)?RA100.2??1.62?10?4mol/L?CAb?CAs

6kga310?0.3?10?2?1?1 ，无外扩散的影响。（6分） （2）

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??rPkCesDen?1,?2?RARA100.22?222,C?C????r?(0.15?10)?25?15 Abes2Pn?5DC4.5?10?0.2kCeseAb（6分）

所以内扩散影响严重。

（3）(??Hr)?RA?VP?h?am??T??T?

(??Hr)?RA?VP?50.4K am为催化剂的表面积4分）

h?am 考试试卷第 6 页 共 6 页

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