2013复旦大学研究生化学工程原理复习题

2013化学反应工程复习题：

1． 推导出一级和二级动力学简单反应在间歇反应器、PFR和CSTR三种反应器

中反应时间（停留时间）和转化率关系的积分表达式，并对三种典型反应器模型特点进行讨论。

?rirE2．根据阿伦尼乌斯方程可以得到方程：i?；

?TRTT1）对该表达式讨论活化能的工程意义和反应温度水平对反应速率影响； 2）根据上述表达式，解释为何在许多的反应过程中转化率随反应温度的关系均表现为先增长很快，后趋于平稳的趋势。 根据阿伦尼乌斯方程，(?rA)?k0e?ERTcAn

?rir1）推导关系式i??，其中cA为反应物浓度，?为反应级数。表达出该表达

?cAcA式的工程意义。

2）表2.1中给出了A?B?P简单反应不同转化率时反应速率的递变趋势，请根据实验数据说明反应级数对反应速率影响的规律；

表2.1 不同转化率时反应速率的递变趋势

反应物浓度 c 1.0 0.7 0.5 0.1 0.01 转化率 x 0 0.3 0.5 0.9 0.99 反应速率的递变趋势 一级反应（r1/r10） 1 0.7 0.5 0.1 0.01 一级反应（r2/r20） 1 0.49 0.25 0.01 0.0001

3．一级反应A P，进料温度为150oC，活化能为83684 J/mol，在PFR反应器中进行反应，反应器体积为VP，如改为CSTR反应器，其体积为Vm，为达到同样转化率xA = 0.6和0.9，则Vm/VP之值应如何？讨论所得的结果。

4. 采用N个体积相等的CSTR反应器串联进行动力学为一级的简单反应：

A?P；各釜的操作温度均相等。

1. 求证：在经过第N个釜完成反应后，残余浓度为：

cANcA0?(1?k?)N

其中N为CSTR反应釜数量，? 为空时，k为反应动力学常数。

2. 如果已知在某反应温度下的速率常数为k?0.9h2?1，原料速率

v0?10m3/h，要求转化率为0.90。计算当串联反应釜分别为1, 3, 10, 100

个时的反应器总体积； 3.

如果应用PFR反应器进行该反应，计算在反应条件和要求完成的转化率相同的情况下所需的反应体积；对问题2, 3的计算结果进行讨论。

5． 自催化反应：

A?P?P?P是一个等密度的反应过程，反应速率 ( ? r A ) ? k ? c A ? c P

k?10?3m3(kmol)?1(s)?1，进料量为v?0.002m3/s, cA0?2kmol/m3，

cP0?0kmol/m3，xA?0.98。

试计算下列反应器体积。 1）全混流反应器（CSTR）；

2）两个等体积全混流反应器串联组合反应器；

3）如何实现反应器组合，在完成转化率的前提下使得反应器体积最小。

6．有一均相反应：A?B?P

反应维持在75oC等温操作，实验测得反应速率方程式为：

(?rA)?k?cA?cB kmo/l(?l )sk?2.78?10?3l/(mol?s), 当反应物A和B的初始浓度cA0?cB0?4mol/l，而A的

转化xA = 0.8时，平均每分钟可处理0.684 kmol的反应物A，在反应温度、处理量和要求达到的转化率相同情况下，试比较反应在间歇反应器、PFR和CSTR反应器中进行所需的反应体积？辅助时间为20 min, 釜式反应器装填系数为0.8。

7. 有一自催化反应: A?P?P?P已知： 今在一循环反应器中进行此反应,要求达到的转化率为98%。 求: 当循环比为R=0, R=3, R=∞时，所需要的反应器体积为多少？

8. 在反应过程中，保证化学反应操作定态稳定的条件是什么？如果对于在CSTR反应器中进行的放热反应过程，为了保持反应的稳定性，如何兼顾换热面积和换热温差？为什么？

9. 在管式固定床反应器，对于催化床列管的管径大小的设计有一定的要求，特别是对于放热反应过程。若从反应的热稳定性考虑，证明最大的列管直径为：

(Dt)max?4U?(Qg/?Vr)?1?RT2/E

其中：U为换热面积，Qg?(??Hr)(1??)?k?cn??Vr，?Vr为催化剂微元体积。

提示：列管微元移热速率为Qr?U?at??Vr?(T?Tc)，at为圆管的比表面，Tc为管外冷却介质温度。

10. 据内部效率因子?2的计算可知，决定内部效率因子的特征参数是西勒模数?，(1) 写出?准数表达式，讨论影响内扩散的主要因素；(2) 叙述如何在实验过程中，采用什么手段消除内扩散，并用简图表示实验结论。

11. 有气固相催化反应 A?P，动力学表达式为:

(?rA)?k0e?(E/R?Tes)?cAesn (a)

也可以采用易于反应工程分析的效率因子法处理,其表式为:

?rA???k0?e?ERTb?cAbn (b)

其中cAes为催化剂表面浓度，cAb为主体浓度, ?为效率因子。

(1) 试问采用效率因子法动力学表达式 (b) 中的反应级数、活化能和 (a) 式中的反应级数、活化能意义是否相同，为什么？

(2) 在等温反应体系，写出表征外扩散与内扩散的特征参数：达姆科勒准数Da和西勒模数?的表达式；

(3) 如果反应级数为一级，只考虑内、外扩散因素影响，证明总效率因子?的表达式为：

??1?1?2其中?1为外扩散效率因子，?1?

?11

?1k；?2为内扩散效率因子。 kga11. 工业生产以C6H6 (苯)在V2O5作为活性组分的催化剂上进行催化氧化制C4H2O3(顺丁烯二酸酐)是一个由平行反应和串联反应组成的复合反应。

+ O2+ O2

C6H6k1C4H2O3+ O2k3k2CO, CO2, H2O 反应的活化能分别为：E1=96.56 kJ/mol, E2=147.14 kJ/mol, E3=67.72 kJ/mol.

为了实现反应过程中目标产物C4H2O3高选择性，如何优化反应温度的控制？为什么？

12. 甲醇合成催化剂的活性来自于零价Cu，其还原活化过程是强放热反应，其主反应为：

CuO + H2 = Cu + H2O △Hr = 20.3 kcal/mol

如果采用纯氢气进行催化剂还原，容易造成表面温度升高，导致催化剂单质铜微晶烧结，使催化剂丧失活性。实际生产过程中，为了保证还原过程的正常进行，通常采用高温低浓度的方式进行还原，如还原气组成为氢氮混合气（5%H2 + 95%N2）。

假设该反应受外扩散控制，试估算用纯氢气还原和氢氮混合气还原催化剂的表面温度Ts. (Ts-Tb = 0.66△Tad, △Tad为绝热温升)。已知：还原操作温度为260 oC; 纯氢气热容为：3.45 kcal/(kg. oC), 气体密度为：0.0899 kg/m3; 氢氮混合气热容为：0.41 kcal/(kg. oC), 气体密度为：1.251 kg/m3.

12. 有一醋酐水溶液，在25度下进行水解反应，在该温度下的速率方程为：

(?rA)?0.15?cAmol/(min?cm3)? 1.5? 10cm醋酐初始浓度为 c ?4 mol / 3 , 进料流量为 500 cm3/minA0现有两个2.5 L和一个5 L的全混流反应器，试回答下列问题：

1）用一个5 L的CSTR反应器与两个2.5 L的CSTR反应器串连操作，哪个转化率大？转化率各为多少？

2）两个2.5 L的CSTR反应器并联操作，转化率各为多少？ 3）用一个5 L的PFR反应器，转化率为多少？

4）用一个2.5 L的CSTR反应器后串连一个2.5 L的PFR反应器串连操作，转化率为多少？

k1????A?2B????Rk21?rA??rB?(12.5liter2/mol2?min)CAC2B?(1.5min?1)CR2

2）两个2.5 L的CSTR反应器并联操作，转化率各为多少？ 3）用一个5 L的PFR反应器，转化率为多少？

4）用一个2.5 L的CSTR反应器后串连一个2.5 L的PFR反应器串连操作，转化率为多少？

k1????A?2B????Rk21?rA??rB?(12.5liter2/mol2?min)CAC2B?(1.5min?1)CR2

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