化学反应工程试题

2010-2011学年第二学期末考试试题（A卷）

一、选择题（30分，每题1.5分）

1、―三传一反‖是化学反应工程的基础，其中所谓的―一反‖是指 （ D ）。

A．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力学 2、对于反应aA?bB???pP?sS， 则rP= ___A__ ??rA?。

appa A. ， B. ， C. , D.

apap3、气相反应A + B → 3P + S 进料时无惰性气体，A与B 以1∶1 摩尔比进料，则膨胀因子?A=（Ｄ ）

A. –2 B. –1 C. 1 D. 2

4、气相反应2A + B → 3P + S 进料时无惰性气体，A与B 以2∶1 摩尔比进料，则膨胀率?A=（ Ｃ ） A. –1 B. –1/2 C. 1/3 D.4/3

5、反应C4H10?2C2H4?H2，反应速率常数k?2.0s?1，则反应级数n=（ Ｂ）

A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

6、串联反应A → P（目的）→R + S，目的产物P的得率XP =（ Ａ）。 A.

nP?nP0n?nn?nP0n?nP0 B.PP0 C.P D.P

nA0nA0?nAnS?nS0nR?nR07、分批式操作的间歇反应器非生产性时间t0不包括下列哪一项（ Ｂ ）。 A. 加料时间 B. 反应时间 C. 物料冷却时间 D. 清洗釜所用时间

8、对于反应级数n＜0 的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用（Ｂ）。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器

C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器

9、对于单一反应组分的平行反应 ，其瞬间收率?P 随CA 增大而单调下降，则最适合的反应器为( Ａ )。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器

0

C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器

10、全混流反应器的无因次时间分布函数和分布密度函数是 ( Ｄ ) A.F?t??0t??1t??,E(t)?0t???t??； B.F(?)??t0??11??1,E(?)?0??1???1；

C.F(t)?1?e?t?,E(t)?1A???P1e??；D.F(?)?1?e??，E(?)?e??。

11、某平行反应

A???S2,其中反应1为二级反应，反应2为一级反应，反

应活化能E1＜E2， P为目的产物，该反应的温度和反应物浓度如何选择？( Ｂ )

A. 高的进料浓度高的反应温度； B. 高的进料浓度低的反应温度； C. 低的进料浓度高的反应温度； D. 低的进料浓度低的反应温度。 12、全混流反应器稳态操作点满足的基本条件是 ( Ｂ )

dQrdQgdQrdQgA Qg?Qr，； B Qg?Qr，； ??dTdTdTdTRT2C Qg?Qr,?T?T?Tm?；

EaDQg?(?rA)Vr(??Hr)，Qr?(?0?Cp?AU)T?(?0?CpT0?AUTm) 13、 气-液反应过程包括以下那些步骤:( Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ) A 气体向气液界面的扩散；B 液体反应物向气液界面的扩散；

C 气液界面处气体的溶解；D 溶解气体在界面以及液相内的化学反应。 14、等温催化剂的效率因子? 为催化剂粒子的（ Ｂ）与催化剂内部的浓度和温度与其外表面上的相等时的反应速率之比。

A.外扩散速率 B. 实际反应速率 C. 内扩散速率 D. 表观反应速率 15、全混流反应器中有（ Ｂ）个稳定的定常态操作点。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4

1

16、全混流流动的E（t）曲线的无因次方差??2=（Ｃ ）。 A. 0 B. 0～1 C. 1 D. ＞1 17、脉冲示踪法测定停留时间分布对应曲线为（ Ａ ）。 A. E（t）曲线 B. F（t）曲线 C. I（t）曲线 D. y（t）曲线

18、对于气—液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用（ Ｃ ）装置。

A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜 19、骨架Ni 催化剂的制备是将Ni 与Al 按比例混合熔炼，制成合金，粉碎以后再用苛性钠溶液溶去合金中的Al 而形成骨架，这种制备方法是（Ａ）。

A. 溶蚀法 B. 热熔法 C. 沉淀法 D. 混合法

20、对于一级反应，催化剂颗粒的无因次西勒模数?s?反映了表面反应速率与（Ｃ）之比。

A. 扩散速率 B. 外扩散速率 C. 内扩散速率 D. 实际反应速率

二、间答题(20分，每题5分)

Rks 值的大小De31、气-固催化反应一般包括那些步骤？

2、停留时间分布密度函数E(t)布函数F(t)的意义。 3、简述常用理想反应器的种类和特点。

4、简述表征催化剂颗粒特征的基本参数粒径的表示方法。 三、证明题(20分)

12串联反应A???P???M，其中为目标产物，各反应均为一级不

kk可逆反应，反应在等温全混流反应器中进行，开始时只有反应物A，证明最大产物P浓度为CPmax?

??kCA02k1?12?1?2。

四、计算题(30分，每题10分）

2

21、平行反应 A?P(主)，A?S(副)，其中rP?2CA，rS?CA，已知CP0=0，

CA0?2molL ，求在全混流以及平推流反应器中的CP,max 。 （瞬时选择性?P?rPdCP） ???rA??dCA2、某一级不可逆反应在平推流反应器中进行，在150℃等温下反应，出口转化率为0.6。现改为等体积的全混流反应器中进行，料液流率以及初浓度都不变，要求转化率达到0.7，问此时全混流反应器在什么温度下操作？（反应活化能Ea?83.68kJ/mol）

3、有一反应器被用于某一级反应，对该反应器进行脉冲法示踪—应答试验，在进口处加入?函数，示踪物在出口处的响应为：

t/s C(t)

10 0

20 3

30 5

40 5

50 4

60 2

70 1

80 0

已知该反应在全混流釜中进行时，在相同?下，XAf?0.82，用多釜串联模型求本反应器所能获得的转化率。

2010/2011学年第2学期期末考试试题答案及评分标准

（A卷）

课程名称：化学反应工程

使用班级： 08040341、 08040342、 08040343 一、选择题（30分，每题1.5分）

1、 D； 2、 A；3、 D；4、 C；5、B；6、A；7、B；8、B； 9、A；10、D； 11、B；12、B；13、A、B、C、D；14、B；15、B； 16、C；17、A；18、C；19、A；20、C。 二、简答题(20分，每题5分) 1、气-固催化反应一般包括那些步骤？

答：①气体分子由气相主体向催化剂表面的外扩散；②气体分子由催化剂

3

表面向催化剂内孔的内扩散；（1分）③气体分子在固体催化剂上形成吸附态；（1分）④吸附态络合物之间进行表面反应；⑤产物从催化剂表面的脱附；（1分）⑥产物气体分子由催化剂内孔向表面的内扩散；（1分）⑦产物气体分子由催化剂表面向气相主体的外扩散。（1分）

２、停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）的含义。 答：停留时间分布密度函数E（t）：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体，在反应器出口流体的质点中，在器内停留了t到t+dt之间的流体的质点所占的分率为E（t）dt。

??0E(t)dt?1.0。 (3分)

停留时间分布函数F（t）：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体，在出口流体中停留时间小于t的物料所占的分率为F（t）。

F(t)??E(t)dt0t。 （2分）

３、简述常用理想反应器的种类和特点。

答：常用的理想反应器有间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器。（1分）间歇反应器特点：①反应器中各处的物料温度、浓度都相同；②无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同。 （1分） 平推流反应器特点：①反应器内没有物料的返混；②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。（2分） 全混流反应器特点：①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。（1分）

4、简述表征催化剂颗粒特征的基本参数粒径的表示方法。

答：固定床中粒径的表示方法常用的有三种。 （2分）

颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积Vp 的球粒子直径，表达式

4

13dV??6VP/??； （1分）

颗粒的面积相当直径是以外表面aP相同的球形粒子的直径，表达式da?（1分）

aP? ；

颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面SV的球形粒子直径来表示，表达式

dS?6SV。 （1分）

三、证明题(20分)

证明： 对反应物A作物料衡算： vCA0?vCA?(?rA)V ??CA1?CA01?k1V?vV (2分) v1 （3分） 1?k1?对中间产物P作物料衡算：

vCP0?vCP?(?rP)V （2分） 0?vCP?(?k1CA?k2CP)V （2分）

CPk1? （3分） ?CA0?1?k1???1?k2??上式对τ求导，使其为零，可得主产物P浓度：

Ck(1?k1?)(1?k2?)?CA0k1?[k1(1?k2?)?(1?k1?)k2]dCP （5分） ?0?A0122d?(1?k1?)(1?k2?)CP,maxCA0?1[(k2/k1)12?1]2 （3分）

四、计算题(30分，每题10分）

21、平行反应 A?P(主)，A?S(副)，其中rP?2CA，rS?CA，已知CP0=0，

CA0?2molL ，求在全混流以及平推流反应器中的CP,max 。

5

（瞬时选择性?P?rPdCP） ???rA??dCA解：目标产物Ｐ的收率

??dcPr2CA2 （2分） ?P??2?dcA??rA?2CA?CA2?CA2(2?CA) （2分） 2?CA⑴ 在全混流反应器中

CPf???CA0?CAf????CA0?CAf???4?2CA??d??dCPf2?CA????0 当?0时，CPf为最大

dCAdCA（1分）

CA?0，CPf?2 （1分） ⑵ 在平推流反应器中

CA2CP?CA0???dCA?22??dC?2ln2?CAACA?2?CA （2分） CA?2ln4?2ln?2?CA?当CA?0，CPf?2ln2 （2分） ２、某一级不可逆反应在平推流反应器中进行，在150℃等温下反应，出口转化率为0.6。现改为等体积德全混流反应器中进行，料液流率以及初浓度都不变，要求转化率达到0.7，问此时全混流反应器在什么温度下操作？（反应活化能Ea?83.68kj/mol） 解：在PFT中，反应器体积为：

xAFVR??0CA0??0dxA??0CA0rAxAf?0dxAkCA0?1?xA??0kln11?xAf （1） （2分）

6

VRk?0?ln11?ln?0.916 (2) （2分）

1?xAf1?0.6在CSTR中，反应器体积为

VR??0CA0xAfrAf?k?CA0?1?xAf??0CA0xAf （3） （2分）

VRk??0?xAf1?xAf?0.7?2.33 (4) （1分） 1?0.7k?0.3925 （5） （1分） ?k(2)式÷(4)时得，

由Arrhenius公式知，lnkEa?11????? （6） （1分） k?R?T?T?解出T??440K?167℃ （1分） 3、有一反应器被用于某一级反应，对该反应器进行脉冲法示踪—应答试验，在进口处加入?函数，示踪物在出口处的响应为：

t/s C(t)

10 0

20 3

30 5

40 5

50 4

60 2

70 1

80 0

已知该反应在全混流釜中进行时，在相同?下，XAf?0.82，用多釜串联模型求本反应器所能获得的转化率。

解：C0?t/s C(t) E(t) tE(t) 0 0 10?C?t?3?0?4??3?5?2??2?5?4?1???200 （2分）

it?0?10 0 20 3 0.015 0.3 6 30 5 0.025 0.75 22.5 40 5 0.025 1 40 50 4 0.02 1 50 60 2 0.01 0.6 36 70 1 0.005 0.35 24.5 80 0 ０ 0 0 tE?t? 0 t??tE?t??t?0?10?0?4??0.3?1?0.6??2??0.75?1?0.35??0??39.3s (1分) 3

7

???t2E?t?dt?t2tt?0?210?0?4??6?40?36??2??22.5?50?24.5??0??39.32 （1分） 3?195.5???2?195.5?0.127 （1分） 39.32全混流的设计方程??t?xAfk(1?xAf)

k??1?x?tAfxAf?0.82?0.1159s?1 （1分）

39.3?1?0.82?多釜串联模型参数

N?1??2?1?7.87?8 （2分） 0.127CA11???0.027 （1分） N8CA0?1?k??39.3???1?0.1159??8??xA?1?0.027?97.3%

09-2010学年 第二学期末考试试题（A卷）

一、填空题（30分，每空1.5分）

1．化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的学科，既以（ ）作为研究对象，又以（ ）为研究对象的学科体系。

2. 平行反应A→P（主）、 A→S（副）均为一级不可逆反应，若Ea主>Ea副，选择性Sp与（ ）无关，仅是（ ）的函数。

3. 在构成反应机理的诸个基元反应中，如果有一个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，它的反应速率即代表整个反应的速率，其他基元反应可视为处于（ ）。

8

4. 物料连续输入输出，且具有良好搅拌装置的釜式反应器按（ ）反应器处理，而管径小、管子较长和流速较大的管式反应器按( )反应器处理。

5. 反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为（ ）、（ ）、周期示踪法和随机输入示踪法。

6. 平推流管式反应器其E(θ)曲线的无因次时间方差??2等于（ ），全混流反应器其E(θ)曲线的无因次时间方差??2等于（ ）。

7. 在气—液鼓泡搅拌装置中，气体以气泡方式通过装置，（ ）是宏观流体，而（ ）为微观流体。

8. 等温催化剂的效率因子η 为催化剂粒子的（ ）与催化剂内部的（ ）和（ ）与其外表面上的相等时的反应速率之比。 9. 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（ ）。

10. 双膜模型设想在气—液两相流的相界面处存在着呈滞流状态的（ ）和（ ），而且在（ ）假定达到气液相平衡，也即而把气、液两相阻力集中在这两个流体膜内，而假定气相主体和液相主体内组成均一，不存在着传质阻力。 二、选择题 （30分，每题2分）

1．化学反应CO+ 3H2 ?CH4 +H2O，其中化学反应计量系数为-1 的是哪种

物质( )。

A. CO B. H2 C. CH4 D. H2O

2．气相反应2A+B→3P+S进料时无惰性气体，A与B以1：1的摩尔比进料，则膨胀率ε=（ ）

A. 1/4 B. -1 C. 1 D. 1/2

9

应活化能E1＜E2， P为目的产物，该反应的温度和反应物浓度如何选择？( )

A. 高的进料浓度高的反应温度； B. 高的进料浓度低的反应温度； C. 低的进料浓度高的反应温度； D. 低的进料浓度低的反应温度。 4、全混流反应器稳态操作点满足的基本条件是 ( )

dQrdQgdQrdQgA Qg?Qr，； B Qg?Qr，； ??dTdTdTdTRT2C Qg?Qr,?T?T?Tm?；

EaDQg?(?rA)Vr(??Hr)，Qr?(?0?Cp?AU)T?(?0?CpT0?AUTm) 5、 气-液反应过程包括以下那些步骤:( ) A 气体向气液界面的扩散；B 液体反应物向气液界面的扩散；

C 气液界面处气体的溶解；D 溶解气体在界面以及液相内的化学反应。 6、流化床反应器中的操作气速U0是根据具体情况定的，一般取流化数

U0ut在_______范围内。 （ ）

A. 0.1～0.4 B. 1.5～10 C. 10～15 D. 0.4～1.5 7、气相反应A + B → 3P + S进料时无惰性气体，A与B以1∶1摩尔比进料，则膨胀率?A=（ ）。 A. –2 B. –1 C. 1 D. 2

8、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

29、全混流流动的E（t）曲线的方差???_______。 （ ）

A. 0 B. 0～1 C. 1 D. ＞1

10、对于气—液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用（ ）装置。

15

A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜

三、间答题(20分，每题5分)

1、气-固催化反应一般包括那些步骤？ 2、简述固定床反应器的优缺点。

3、停留时间分布密度函数E（t）和停留时间分布函数F（t）的含义。 4、简述双膜理论要点。 四、证明题(20分)

12串联反应A???P???M，其中P为目标产物，各反应均为一级

kk不可逆反应，反应开始时只有反应物A，证明最佳反应时间t五、计算题(30分，每题15分）

lnk2opt?k1。

k2?k11、某一级不可逆反应在平推流反应器中进行，在150℃等温下反应，出口转化率为0.6。现改为等体积德全混流反应器中进行，料液流率以及初浓度都不变，要求转化率达到0.7，问此时全混流反应器在什么温度下操作？（反应活化能Ea?83.68kj/mol）

2、生化工程中酶反应，A?R为自催化反应，反应速率为rA?kCACR，某温度下k?1.512m3/kol?min。采用的原料中含A为0.99kmol/m3，含R为0.01kmol/m3，要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为10m3/h，求（1）反应速率达到最大时A的浓度；（2）采用全混流反应器时，反应器体积？ （3）采用平推流反应器时，反应器体积？

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