高等反应工程pdf

高等反应工程试题,2011.10

计算题

1.某一级不可逆气-固催化反应,其反应速率为 -rA kcA 10 6mol/s.cm3

当cA 10 3mol/L0133MPa,400℃时,若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响,问催化剂历经如何改变。已知De=10-3cm2/s。

10 6

10 1s 1 解： -rA kcA 2 310 10

若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，即

0.95, 1 RP 3k 0.1cm 1mm 1,即RP 110De

2.用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为yA=0.5，操作压力p=0.10133MPa，反应温度T=500℃。已知单位体积床层的反应速率常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m/h，试计算：

1）催化剂内部效率因子为多少？内扩散影响是否严重？

2）催化剂外表面浓度为多少？外扩散影响是否严重？

3）计算表观反应速率。

解：1） RPk0.333 0.3 4.51 0.5De(1 )0.00296

1 0.52 th

显然内扩散影响严

高等反应工程试题,2011.10

计算题

1.某一级不可逆气-固催化反应,其反应速率为 -rA kcA 10 6mol/s.cm3

当cA 10 3mol/L0133MPa,400℃时,若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响,问催化剂历经如何改变。已知De=10-3cm2/s。

10 6

10 1s 1 解： -rA kcA 2 310 10

若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，即

0.95, 1 RP 3k 0.1cm 1mm 1,即RP 110De

2.用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为yA=0.5，操作压力p=0.10133MPa，反应温度T=500℃。已知单位体积床层的反应速率常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m/h，试计算：

1）催化剂内部效率因子为多少？内扩散影响是否严重？

2）催化剂外表面浓度为多少？外扩散影响是否严重？

3）计算表观反应速率。

解：1） RPk0.333 0.3 4.51 0.5De(1 )0.00296

1 0.52 th

显然内扩散影响严

第二章 均向反应动力学

1.在473K等温及常压下进行气相反应：

（1）A?3R （2）A?2S

rR?1.5CA rS?0.5CA

A （3）A?T T式中CA为反应物A的浓度（kmol/l），原料中A和惰性气体各为一半（体积比），试求当A的转化率达85%时，其转化速率是多少？

r?2.1C解：先求出总摩尔变化数?A，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：

11rAR?rR?0.5CArAS?rS?0.25CAr?rT?2.1CA 32 AT总反应速率为：RA?rAR?rAS?rAT?2.85CA

以一摩尔反应物A为基准，总摩尔变化数为：

0.50.252.1?A??3??2??1?0.4392.852.852.85

Py0.1013?0.5CA0?0A0??1.288?10?2kmol/l?3RT8.314?10?473初始浓度为：

CA0(1?XA)1.288?10?2?0.15CA???1.628?10?3kmol/l1??AyA0XA1?0.5?0.439?0.85则有：

RA?2.85CA?2.85?1.628?10?3?4.640?10?3kmol/(l.min)

??，已知c?0.5km

1 绪 论

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O 2CH3OH?3O2?2CO2?4H2O

进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算

（1） （1） 反应的选择性；

（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：

S?Y?0.629?0.9611?96.11%X0.720

（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），

当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 组分 摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol) CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：

nA=nA0(1-XA)=7.672 mol

对于可逆放热反应如何选择操作温度？

1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；（②分）

2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；（②分）

3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。（

2.(5)简述寻求停留时间分布的实验方法及其分类？

通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线。（①分）所谓物理示踪是指采用一种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统，通过观测该示踪物质在系统出口的浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布。（②分）根据示踪剂输入方式的不同大致分为四种：脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入法。（②分

1、 反应进度 21、方差 2、 转化率 22、沟流 3、 关键组分 23、短路 4、 单程转化率与全程转化率 24、循环流 5、 收率

第二章

1．在一管式反应器中等温下进行甲烷化反应：

催化剂体积为10ml,原料气中CO含量为3％，其余为N2、H2,气体，改变进口原料气 流量Q0 进行实验，测得出口CO 的转化率为：

83.3 67.6 50.0 38.5 29.4 22.2

X/% 20 30 40 50 60 70

试求当进口原料气体流量为50ml/min 时的转化速率。 解：是一个流动反应器，由（2.7）式可知其反应速率为 rA=－dFA/dVr

FA= FA,0(1－XA)=Q0CA0(1－XA) dFA=－Q0CA0dXA 故反应速率可表示为：

rA= Q0CA0dXA/dVr=CA0dXA/d（Vr/ Q0）

用XA－Vr/ Q0作图，过Vr/ Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dXA/d（Vr/ Q0）值a

Vr/ Q0 min 0.12 XA % 20 0.148 30 0.2 40 0.26 50 0.34 60 0.45 70

由（2.6）式可知 rA=－dCA/dt=－d{CA0（1－xa）/ dt= CA0 dXA/ dt 代入速率方程式

CA0 dXA/

1-6 试根据下列实验数据确定rmax、Km和KI值，并说明该酶反应是属于竞争性抑制还是属于非竞争性抑制。

cS×10 /(mol/L) 1.0 1.5 2.0 5.0 7.5

1-7 某一酶反应Km=4.7×10-5 mol/L，rmax=22 μmol/(L·min)，cS=2×10-4 mol/L，cI=5×10-4 mol/L，KI=5×10-5 mol/L。试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。

4rS0 / (μmol/(L·min)) 无抑制剂 28 36 43 65 74 有抑制剂， cI=2.2×10-4 μmol/L 17 23 29 50 61 - 1 -

1-8 Eadie测量了存在和不存在某种抑制剂情况下乙酰胆碱在某酶作用下进行水解反应的初始速率，数据如下：

底物浓度 / (mol/L) 0.0032 0.0049 0.0062 0.0080 0.0095 初始反应速率 / (mol/(L·min)) 无抑制剂 0.111 0.148 0.153 0.166 0.200 有抑制剂 0.059 0.071 0.091 0.111 0.125 （1）判断该抑制作

化学反应工程习题（第五章）

5.1乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应

C2H2?HCl?C2H3Cl

(A) (B) (C)

其动力学方程式可有如下种种形式：

(1) r??(pApB?pC/K)/(1?KApA?KBpB?KCpC)2 (2) r??KAKBpApB/(1?KBpB?KCpC)(1?KApA) (3) r??KApApB/(1?KApA?KBpB)

(4) r??KBpApB/(1?KBpB?KCpC)

试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。

解：（1） A???A?

B???B?

A??B??C??? （控制步骤） C??C??

（2） A??1?A?1

B??2?B?2A?1?B?2?C?2??1（控制步骤） C?1?C??1 （3） A???A?

B???B?

A??B?C?? （控制步骤）

（4） B???B?

A?B??C? （控制步骤） C??C??

经验：①看分母，含有哪些物质的吸附平衡常数，可以确定哪些物质有吸附或脱附过程；

②看分母，含有几个式子相乘，就有几个活性中心参与反

生物反应工程的定义

生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。

生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究； 生物反应过程的四个组成部分

①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；

生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学

生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。 基本内容：

1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。

1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素

生物反应工程的定义

生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。

生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究； 生物反应过程的四个组成部分

①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；

生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学

生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。 基本内容：

1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。

1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素