《化学反应工程》试题及答案

《化学反应工程》试题

一、填空题

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一反. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累积 。 着眼组分A转化率xA的定义式为 xA=(nA0-nA)/nA0 。 总反应级数不可能大于 3 。

反应速率-rA=kCACB的单位为kmol/m3·h，速率常数k的因次为 m3/kmol·h 。 反应速率-rA=kCA的单位为kmol/kg·h，速率常数k的因次为 m3/kg·h 。

/21/2-1/2

反应速率?rA?kC1·s 。 A的单位为mol/L·s，速率常数k的因次为 (mol)·L

反应速率常数k与温度T的关系为lgk??10000其活化能为 83.14kJ/mol 。 ?10.2，

T某反应在500K时的反应速率常数k是400K时的103倍，则600K时的反应速率常数k

时是400K时的 105 倍。

10. 某反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，则该反应的活化能为（设浓度不变） 186.3kJ/mol 。

11. 非等分子反应2SO2+O2==2SO3的膨胀因子?SO2等于 -0.5 。 12. 非等分子反应N2+3H2==2NH3的膨胀因子?H2等于 –2/3 。 13. 反应N2+3H2==2NH3中（?rN2）= 1/3 （?rH2）= 1/2 rNH3

14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0，转化率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为 CA0(1-xA)n ，转化率为 1-(1-xA)n 。 15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0，转化率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为

nxA1?xA，转化率为。

1?(n?1)xA1?(n?1)xA16. 反应活化能E越 大 ，反应速率对温度越敏感。

17. 对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越 大 。

18. 某平行反应主副产物分别为P和S，选择性SP的定义为 (nP-nP0)/ (nS-nS0) 。 19. 某反应目的产物和着眼组分分别为P和A其收率ΦP的定义为 (nP-nP0)/ (nA0-nA) 。 20. 均相自催化反应其反应速率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反应速率 。 21. 根据反应机理推导反应动力学常采用的方法有 速率控制步骤 、 拟平衡态 。 22. 对于连续操作系统，定常态操作是指 温度及各组分浓度不随时间变化 。 23. 返混的定义： 不同停留时间流体微团间的混合 。

24. 平推流反应器的返混为 0 ；全混流反应器的返混为 ∞ 。 25. 空时的定义为 反应器体积与进口体积流量之比 。 26. 针对着眼组分A的全混流反应器的设计方程为

xV?A。 FA0?rA27. 不考虑辅助时间，对反应级数大于0的反应，分批式完全混合反应器优于全混流反应器。

28. 反应级数>0时，多个全混流反应器串联的反应效果 优于全混流反应器。 29. 反应级数<0时，多个全混流反应器串联的反应效果 差于 全混流反应器。 30. 反应级数>0时，平推流反应器的反应效果 优于 全混流反应器。 31. 反应级数<0时，平推流反应器的反应效果差于 全混流反应器。

32. 对反应速率与浓度成正效应的反应分别采用全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器体积的大小关系为 全混流＞多级串联全混流＞平推流 ； 33. 通常自催化反应较合理的反应器组合方式为 全混流 + 平推流 。 34. 相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度 高于 最优温度。

35. 主反应级数大于副反应级数的平行反应，优先选择 平推流 反应器。 36. 主反应级数小于副反应级数的平行反应，优先选择 全混流 反应器。 37. 要提高串联反应中间产物P收率，优先选择 平推流 反应器。 38. 主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜采用 低 温操作。 39. 主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜采用 高 温操作。

?40. 停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式E(t)dt?1.0。

0?41. 定常态连续流动系统，F(0)= 0 ；F(∞)= 1 。

t42. 定常态连续流动系统，F(t)与E(t)的关系F(t)??E(t)dt。

0?43. 平均停留时间t是E(t)曲线的 分布中心 ；与E(t)的关系为t?tE(t)dt。

0??44. 方差?表示停留时间分布的 分散程度 ；其数学表达式为??(t?t)E(t)dt。

02t2t?245. 采用无因次化停留时间后，E(θ)与E(t) 的关系为E(?)?tE(t)。 46. 采用无因次化停留时间后，F(θ)与F(t) 的关系为 F(θ)=F(t) 。

247. 无因次方差??2与方差?t2的关系为????t2/t2。

48. 平推流反应器的??2= 0 ；而全混流反应器的??2= 1 。 49. 两种理想流动方式为 平推流 和 全混流 。 50. 非理想流动??2的数值范围是 0~1 。 51. 循环操作平推流反应器循环比越 大 返混越大。

52. 循环操作平推流反应器当循环比β= 0 时为平推流；当β= ∞ 时为全混流。 53. 停留时间分布实验测定中，常用的示踪方法为 脉冲示踪 和 阶跃示踪 。 54. 脉冲示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到 E(t) 曲线。 55. 阶跃示踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到 F(t) 曲线。 56. 采用脉冲示踪法测得的浓度CA(t)与E(t)的关系式为 E(t)= CA(t)/C0 。 57. 采用阶跃示踪法测得的浓度CA(t)与F(t)的关系式为 F(t)= CA(t)/ CA0 。 58. N个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差??2= 1/N 。 59. 多级全混釜串联模型当釜数N= 1 为全混流，当N= ∞ 为平推流。 60. 全混流的E(t)=1；F(t)=1?ete?tt?tt。

61. 平推流的E(t)=0 当t?t、=∞当t?t ；F(t)= 0 当t?t、=1当t?t。 62. 轴向分散模型中，Pe准数越 小 返混越大。

63. 轴向分散模型中Peclet准数的物理意义是 代表了流动过程轴向返混程度的大小 。 64. 对于管式反应器，流速越 大 越接近平推流；管子越 长 越接近平推流。 65. 为使管式反应器接近平推流可采取的方法有 提高流速 和 增大长径比 。 66. 对于 平推流 反应器，宏观流体与微观流体具有相同的反应结果。 67. 工业催化剂所必备的三个主要条件：选择性高 、活性好 和 寿命长 。 68. 化学吸附的吸附选择性要 高于 物理吸附的吸附选择性。 69. 化学吸附的吸附热要 大于 物理吸附的吸附热。

70. 化学吸附常为 单 分子层吸附，而物理吸附常为 多 分子层吸附。 71. 操作温度越高物理吸附 越弱 ，化学吸附 越强 ；

72. 在气固相催化反应中动力学控制包括 表面吸附 、 表面反应 和 表面脱附 。 73. 气固相催化反应本征动力学指消除 内外扩散对反应速率的 影响测得的动力学。 74. 气固相催化反应的本征动力学与宏观动力学的主要区别是 前者无内外扩散的影响。 75. 在气固相催化反应中测定本征动力学可以通过提高气体流速 消除外扩散、通过 减小催化剂颗粒粒度 消除内扩散。

76. 固体颗粒中气体扩散方式主要有 分子扩散 和 努森扩散 。

77. 固体颗粒中当孔径 较大时 以分子扩散为主，而当孔径 较小时 以努森扩散为主。 78. 气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择性 下降 。

79. 气固相催化平行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的选择性 下降 。 80. Thiele模数的物理意义 反映了表面反应速率与内扩散速率之比 。 81. 催化剂的有效系数为催化剂粒子实际反应速率/催化剂内部浓度和温度与外表面上的相等时的反应速率。

82. 催化剂粒径越大，其Thiele模数越 大 ，有效系数越 小 ；

83. 气固相非催化反应缩核模型中气相反应物A的反应历程主要有三步，分别是 气膜扩散 、 灰层扩散 和 表面反应 。

84. 自热式反应是指 利用反应自身放出的热量预热反应进料 。 85. 固定床反应器的主要难点是 反应器的传热和控温问题 。

86. 多段绝热固定床的主要控温手段有 段间换热 、原料气冷激 和 惰性物料冷激 。 87. 固定床控制温度的主要目的是 使操作温度尽可能接近最优温度线 。 88. 固体颗粒常用的密度有堆密度、颗粒密度和真密度，三者的关系是 真密度＞颗粒密度＞堆密度。

89. 对于体积为VP外表面积为aP的颗粒其体积当量直径为36VP/?、面积当量直径为

aP/?、比表面当量直径为6aP/VP。

90. 固定床最优分段的两个必要条件是 前一段出口反应速率与下一段进口相等 和 每一段的操作温度线跨越最优温度线。 二、计算分析题 1.

在恒容条件下，反应A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，

计算当CB =20 kmol/m3时，计算反应转化率xA、xB及各组分的浓度。 解：在恒容条件下：xB=( CB0- CB )/ CB0=0.8

由CA0- CA =( CB0- CB )/2得到：CA =20 kmol/m3=60 kmol/m3

xA=( CA0- CA )/ CA0=0.4

2.

在恒压条件下，反应A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，

计算当CB = 20 kmol/m3时，反应转化率xA、xB及各组分的浓度。 解：δB=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5

n=n0(1+ yB0δB xB) = n0(1-0.5 xB) 在恒压条件下：V=V0 n/n0= V0(1-0.5xB)

CB =nB/V= nB0(1- xB)/[V0(1-0.5xB)]= CB0(1- xB)/ (1-0.5xB) xB=8/9

nA0- nA =( nB0- nB )/2

xA=( nA0- nA )/ nA0=( nB0- nB )/(2 nA0)= ( nB0- nB )/(2 nB0)=0.5 xB=4/9 3.

串联-平行反应A+B==R，A+R==S，原料中各组分的浓度为

CA0=2.0mol/L，CB0=4.0 mol/L，CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5 mol/L，计算此时组分B和S的浓度。

解：在恒容条件下：ΔCA1= CB0-CB；ΔCA2= CS ；CR= (CB0-CB)-CS；CA0-CA=ΔCA1+ΔCA2

得到：CS=( CA0-CA- CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1 mol/L

CB = CB0- CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4 mol/L

4.

在间歇反应器中进行等温2级、1级、0级均相反应，分别求出转化

率由0至0.9所需的时间与转化率由0.9至0.99所需时间之比。 解：在间歇反应器中： t?CA0xA2xA1?dxA ?rA0级反应：t?CxA2A0xA1?tdxA0.9?0?kCA0(xA2?xA1)，0~0.9??10

t0.9~0.990.99?0.9k?0ln1dxA11?xA1，t0~0.9?0.9?ln?1?0.5 1?0.9kCA0(1?xA)k1?xA2t0.9~0.99ln1?0.991级反应：t?CxA2A0xA1?2级反应：t?C5.

xA2A0xA1?dxA1?22kCA0(1?xA)kCA0?11?，t0~0.9?????1?x1?xA2?A2??t0.9~0.9911?0.911?0.991?1?0?0.1 1?1?0.9在等温恒容条件下进行下列气相反应：A→2R其反应速率方程为

?rA??n1dnA?kA，试推导：

VdtV（1） 以A组分转化率xA表示的反应速率方程； （2） 以总压P表示的速率方程。

假定原料组分为50%A和50%惰性气体，气体为理想气体。 解：（1）

n(1?xA)nA0dxA ?kA0VdtVdxA?k(1?xA) dt（2）δA=(2-1)/1=1 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0δA xA) = n0(1+0.5 xA)

xA=2n/n0-2=2P/P0-2

dP?k(1.5P0?P) dt6.

在间歇反应器中进行等温二级反应A==B，反应速率：

2?rA?0.01CAmol/(L?s)当CA0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至CA=0.01mol/L

所需的时间。

解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：? t?100C1A?C1A0当CA0=1mol/L时，t=9900s 当CA0=5mol/L时，t=9950s 当CA0=10mol/L时，t=9990s 7.

解：k?k0eE?RTdCA2?0.01CA dt??试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。

lnk?lnk0?E1? RTlnk lnk与1/T作图为一直线 8.

1/T ?某气相恒容反应在400K时的速率式为：

dpA2?0.37pAMPa/h，（1）dt试问反应速率常数的单位是什么？（2）若速率式写成?rA??试问此反应的速率常数为多少？ 解：（1）反应速率常数的单位：(h·MPa)-1 （2）

dnA2?kCA kmol/(m3·h)，VdtdPdnnA1?103?CA?103?PA?106 A?10?3RTA PA?10?3RTCA VRTdtVdtdn2?A?0.37?10?3RTCA Vdtk?0.37?10?3RT?0.37?10?3?8.314?400?1.2m3/( kmol·h)

等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A==B+C，在5min内有50%的A分解，要达到分解率为75%，问需多少反应时间？若反应为2级，则需多少反应时间？ 解：一级反应：t?CxAA0dxA111?ln??ln(1?xA) ?kCA0(1?xA)k1?xAk0t0.75?t0.5二级反应：t?CxAA0ln(1?0.75)?10min

ln(1?0.5)?kC02dxAx1??A 2kCA01?xA(1?xA)A0t0.75?t0.59.

0.751?0.5??15min

1?0.750.5液

相

自

催化反

应

A==B

的速

率

方

程为

?rA??dCA?kCACBmol/(L·h)，在等温间歇釜中测定反应速率，CA0=0.95mol/L，dtCB0=0.05mol/L，经过1小时后可测得反应速率最大值，求该温度下的反应速率常数k。 解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA ?rA??反应速率最大时：

dCA?kCA(1?CA) dtd(?rA)dCA?k(1?2CA)?0，得到CA=0.5 mol/L dtdt对反应速率式积分得到kt?ln?10.

?(1?CA)CA0??，代入数据得到k=2.944 L/(mol·h)

C(1?C)A0??A对于气相反应：A→3P 其反应速率方程为-rA=kCA，试推导在恒容

条件下以总压P表示的反应速率方程。假定原料为50%A和50%惰性组分，气体符合理想气体。

解： 在恒容条件下?rA?CA0dxA?kCA0(1?xA) dtdxA?k(1?xA) dtδA=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0δA xA) = n0(1+ xA)

xA=n/n0-1=P/P0-1

dP?k(2P0?P) dt11.

对于气相反应：A→3P 其反应速率方程为-rA=kCA，在一平推流反应

器中进行等温恒压反应。已知反应器体积为V，原料体积流量为v0，初始浓度为CA0。试推导：其反应器设计方程，并以A组分转化率xA表示成易积分的形式。假定原料为纯A，气体符合理想气体。

解：δA=(3-1)/1=2 yA0=1

等温恒压：v=v0(1+ yA0δA xA) = v0(1+2xA)

CA?FAFA0(1?xA)1?xA ??CA0vv0(1?2xA)1?2xAxAV?FA01??k12.

dxA???rA0xAdxA??kCA0xA1?1?2xA??????dxA kC1?xA0?A?0xA?1?2xA????1?x??dxA

A?0?在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应： A

k1

P k2

S

目的产物为P，反应器体积为V，体积流量为v0，进料为纯A组分，浓度为CA0。 （1）各组分的浓度表达式；

（2）导出产物P的总收率、选择性表达式；

（3）导出产物P浓度达到最大所需的空时，即最优空时。 解： 全混流反应器中对A组分作物料衡算

FA0?FA?V(?rA) v0(CA0?CA)?Vk1CA CA?对P组分作物料衡算：

CA0

1?k1?FP?FP0?VrP v0CP?V(k1CA?k2CP) CP?k1?CA0k1?CA ?1?k2?(1?k1?)(1?k2?)CS?CA0?CA?CP?CA0CA0k1?CA0k1k2?2CA0 ???1?k1?(1?k1?)(1?k2?)(1?k1?)(1?k2?)P的总收率：ΦP?nP?nP0CP1 ??nA0?nACA0?CA1?k2?nP?nP0CP1 ??nS?nS0CSk2?dCP?0 得到最优空时：??d?P的总选择性：SP?P的浓度达到最大需满足：13.

1 k1k2某一级气相反应A==2P，反应速率常数k=0.5min-1，按下列条件进行

间歇恒容反应，1min后反应器内的总压为多少？反应条件：(1)1atm纯A；(2) 10atm纯A；(3)1atm A和9atm惰性气体。 解：一级反应：

dxA?k(1?xA) xA?1?e?kt?1?e?0.5?0.393 dtδA=(2-1)/1=1 n=n0(1+δA yA0xA)= n0(1+ yA0xA) P=P0 (1+ yA0xA) (1) 1atm纯A：yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=1.393atm (2) 10atm纯A：yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=13.93atm

(3) 1atm A和9atm惰性气体：yA0=0.1 P=P0 (1+ yA0xA)=10.393atm 14.

某二级液相反应A+B==C，已知在间歇全混釜反应器中达到xA=0.99

需反应时间为10min，问：（1）在平推流反应器中进行时，空时τ为多少？（2）在全混流反应器中进行时，空时τ为多少？（3）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时τ又为多少？ 解：?dCA1?xA?10.992??kCA kCA0??????9.9 ??dtt?1?xA?101?0.99（1）在平推流反应器中：??1kCA0?xA?10.99??????1?x?9.91?0.99?10min A??（2）在全混流反应器中：??xA0.99??1000min 22kCA0(1?xA)9.9?(1?0.99)（3）两个等体积串联全混流反应器中： 第一个釜0.5??xA1xA2?xA1 第二个釜 0.5??kCA0(1?xA1)2kCA0(1?xA2)2由试差法计算得到：τ=51.5min 15.

自催化反应A+R→2R其速率方程为：-rA=kCACR

（1） 在等温条件下进行反应，已知CA0和CR0，要求最终转化率为xAf。为使反应器体积

最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；

（2） 此最小反应器总体积表达式；

（3） 在FA0/(-rA)～xA图上表示各反应器的体积。

解：（1）最合适的理想反应器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器 （2）反应速率最大点是两个反应器的分界点。

CA+CR= CA0+CR0 CR= CA0+CR0-CA= CM-CA

?rA?kCA(CM?CA)

反应速率最大时，d(-rA)/dt=0 CA=0.5CM ①若CAf≥0.5CM，即xAf?CA0?CR0，仅用一个全混釜即可

2CA0Vm?v0(CA0?CAf)kCACR?v0xAfk(1?xAf)(CA0xAf?CR0)CA0?CR0

2CA0

②若CAf＜0.5CM，即xAf?全混釜体积：Vm?v0(CA0?CA)2v02v0?(2C?C)?(CA0?CR0) A0M2kCACRkCMk(CA0?CR0)2CAfCR0?CA0xAfVPdCAv0??平推流体积： VP? ln?v0kCCk(C?C)C(1?x)ARA0R0A0Af0.5CMV=Vm+VP

FA0/(-rA) 16.

n对于反应速率方程为?rA?kCA的液相反应，为达到一定的生产能

Vm 0 VP xAf 力，试讨论当n＞0、n=0和n＜0时，如何选择型式（平推流或全混流）使反应器体积最小，并简单说明理由，并在

FA0~xA图上表示反应器的体积。 ?rA解：当n=0时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器型式无关。

当n＞0时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择平推流反应器。

当n＜0时，反应速率与反应物浓度呈负效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择全混流反应器。

FA/(-rA) FA/(-rA) FA/(-rA) 17.

xA xA xA n＞0 n=0 n=0 一级等温反应A==P，活化能为83140J/mol，在平推流反应器中进行

反应，反应温度为420K，反应器体积为Vp，如改为全混流反应器，其体积为Vm，为达到相同的转化率xA=0.6，（1）若反应操作温度相同，则Vm/Vp之值应为多少？（2）若Vm/Vp=1，则全混流反应器的操作温度应为多少？ 解：（1）Vm?FA0xF1 ?A VP?A0lnkCA01?xAkCA01?xAVmxA1?/ln?2.94 VP1?xA1?xA（2）Vm/Vp=1，同样得到：

E?RTkmxA1?/ln?2.94 kP1?xA1?xApkm?k0e18.

m kp?k0eE?RT eE1(?1)RTPTm?2.94 代入数据得到：Tm=440K

等温二级反应，依次经过体积相等的平推流反应器和全混流反应器，

出口转化率为0.99，若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？

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