《新鄉(xiāng)學(xué)院《化學(xué)反應(yīng)工程》試題和答案.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《新鄉(xiāng)學(xué)院《化學(xué)反應(yīng)工程》試題和答案.doc（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、《化學(xué)反應(yīng)工程》試題 二、計算分析題 1. 在恒容條件下，反應(yīng)A+2B==R，原料氣組成為CA0=CB0=100kmol/m3，計算當(dāng)CB =20 kmol/m3時，計算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率xA、xB及各組分的濃度。 解：在恒容條件下：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. 在恒壓條件下，反應(yīng)A+2B==R，原料氣組成為CA0=CB0=100kmol/m3，計算當(dāng)CB = 20 kmol/m3時，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率xA、xB及各組分的濃

2、度。 解：δB=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5 n=n0(1+ yB0δB xB) = n0(1-0.5 xB) 在恒壓條件下：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. 串聯(lián)-平行反應(yīng)A+B==R，A

3、+R==S，原料中各組分的濃度為CA0=2.0mol/L，CB0=4.0 mol/L，CR0=CS0=0，在間歇反應(yīng)器中恒容操作一定時間后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5 mol/L，計算此時組分B和S的濃度。 解：在恒容條件下：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. 在間歇反應(yīng)器中進行等溫2級、1級、0級均相反應(yīng)，分別

4、求出轉(zhuǎn)化率由0至0.9所需的時間與轉(zhuǎn)化率由0.9至0.99所需時間之比。 解：在間歇反應(yīng)器中： 0級反應(yīng)：， 1級反應(yīng)：， 2級反應(yīng)：， 5. 在等溫恒容條件下進行下列氣相反應(yīng)：A→2R其反應(yīng)速率方程為，試推導(dǎo)： （1） 以A組分轉(zhuǎn)化率xA表示的反應(yīng)速率方程； （2） 以總壓P表示的速率方程。 假定原料組分為50%A和50%惰性氣體，氣體為理想氣體。 解：（1） （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 6. 在

5、間歇反應(yīng)器中進行等溫二級反應(yīng)A==B，反應(yīng)速率：當(dāng)CA0分別為1、5、10mol/L時，分別計算反應(yīng)至CA=0.01mol/L所需的時間。 解：在間歇反應(yīng)器中可視為恒容反應(yīng)可視為： 當(dāng)CA0=1mol/L時，t=9900s 當(dāng)CA0=5mol/L時，t=9950 當(dāng)CA0=10mol/L時，t=9990s lnk 1/T 7. 試畫出反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系示意圖。 解： lnk與1/T作圖為一直線 8. 某氣相恒容反應(yīng)在400K時的速率式為：MPa/h，（1）試問反應(yīng)速率常數(shù)的單位是什么？（2）若速率式寫成 kmol/(m3h)，

6、試問此反應(yīng)的速率常數(shù)為多少？ 解：（1）反應(yīng)速率常數(shù)的單位：(hMPa)-1 （2） m3/( kmolh) 9. 等溫下在間歇反應(yīng)器中進行一級不可逆液相分解反應(yīng)A==B+C，在5min內(nèi)有50%的A分解，要達到分解率為75%，問需多少反應(yīng)時間？若反應(yīng)為2級，則需多少反應(yīng)時間？ 解：一級反應(yīng)： 二級反應(yīng)： 10. 液相自催化反應(yīng)A==B的速率方程為mol/(Lh)，在等溫間歇釜中測定反應(yīng)速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L，經(jīng)過1小時后測得反應(yīng)速率最大值，求該溫度下反應(yīng)速率常數(shù)k。 解：CB=CA0+CB0-C

7、A=1-CA 反應(yīng)速率最大時：，得到CA=0.5 mol/L 對反應(yīng)速率式積分得到，代入數(shù)據(jù)得到k=2.944 L/(molh) 11. 對于氣相反應(yīng)：A→3P 其反應(yīng)速率方程為-rA=kCA，試推導(dǎo)在恒容條件下以總壓P表示的反應(yīng)速率方程。假定原料為50%A和50%惰性組分，氣體符合理想氣體。 解： 在恒容條件下 δA=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0δA xA) = n0(1+ xA) xA=n/n0-1=P/P0-1 12. 對于氣相反應(yīng)：A→3P 其反應(yīng)速率方程為-rA=kCA，在一平推

8、流反應(yīng)器中進行等溫恒壓反應(yīng)。已知反應(yīng)器體積為V，原料體積流量為v0，初始濃度為CA0。試推導(dǎo)：其反應(yīng)器設(shè)計方程，并以A組分轉(zhuǎn)化率xA表示成易積分的形式。假定原料為純A，氣體符合理想氣體。 解：δA=(3-1)/1=2 yA0=1 等溫恒壓：v=v0(1+ yA0δA xA) = v0(1+2xA) k1 k2 A P S 13. 在一全混流反應(yīng)器中進行下列一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)： 目的產(chǎn)物為P，反應(yīng)器體積為V，體積流量為v0，進料為純A組分，濃度為CA0。 （1）各組分的濃度表達式； （2）導(dǎo)出產(chǎn)物P的總收率、選擇性表達式； （3

9、）導(dǎo)出產(chǎn)物P濃度達到最大所需的空時，即最優(yōu)空時。 解： 全混流反應(yīng)器中對A組分作物料衡算 對P組分作物料衡算： P的總收率： P的總選擇性： P的濃度達到最大需滿足： 得到最優(yōu)空時： 14. 某一級氣相反應(yīng)A==2P，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.5min-1，按下列條件進行間歇恒容反應(yīng)，1min后反應(yīng)器內(nèi)的總壓為多少？反應(yīng)條件：(1)1atm純A；(2) 10atm純A；(3)1atm A和9atm惰性氣體。 解：一級反應(yīng)： δA=(2-1)/1=1 n=n0(1+δA yA0xA)= n0(1+ yA0xA) P=P0 (1+ yA0xA) (1) 1

10、atm純A：yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=1.393atm (2) 10atm純A：yA0=1 P=P0 (1+ yA0xA)=13.93atm (3) 1atm A和9atm惰性氣體：yA0=0.1 P=P0 (1+ yA0xA)=10.393atm 15. 某二級液相反應(yīng)A+B==C，已知在間歇全混釜反應(yīng)器中達到xA=0.99需反應(yīng)時間為10min，問：（1）在平推流反應(yīng)器中進行時，空時τ為多少？（2）在全混流反應(yīng)器中進行時，空時τ為多少？（3）若在兩個等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進行時，空時τ又為多少？ 解： （1）在平推流反應(yīng)器中： （2）在全混流反應(yīng)器中：

11、 （3）兩個等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中： 第一個釜 第二個釜 由試差法計算得到：τ=51.5min 16. 自催化反應(yīng)A+R→2R其速率方程為：-rA=kCACR （1） 在等溫條件下進行反應(yīng)，已知CA0和CR0，要求最終轉(zhuǎn)化率為xAf。為使反應(yīng)器體積最小。試問：最合適的理想反應(yīng)器組合方式； （2） 此最小反應(yīng)器總體積表達式； 3、在FA0/(-rA)～xA圖上表示各反應(yīng)器的體積。 解：（1）最合適的理想反應(yīng)器組合方式：全混釜反應(yīng)器串聯(lián)平推流反應(yīng)器 （2）反應(yīng)速率最大點是兩個反應(yīng)器的分界點。 CA+CR= CA0+CR0 CR= CA0+CR0-CA= CM-C

12、A 反應(yīng)速率最大時，d(-rA)/dt=0 CA=0.5CM ①若CAf≥0.5CM，即，僅用一個全混釜即可 ②若CAf＜0.5CM，即 全混釜體積： 平推流體積： V=Vm+VP FA0/(-rA) VP Vm 0 xAf 17. 對于反應(yīng)速率方程為的液相反應(yīng)，為達到一定的生產(chǎn)能力，試討論當(dāng)n＞0、n=0和n＜0時，如何選擇型式（平推流或全混流）使反應(yīng)器體積最小，并簡單說明理由，并在圖上表示反應(yīng)器的體積。 解：當(dāng)n=0時，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān)，故與反應(yīng)器型式無關(guān)。 當(dāng)n＞0時，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度呈

13、正效應(yīng)，而平推流反應(yīng)器的濃度水平明顯高于全混流型式，故選擇平推流反應(yīng)器。 當(dāng)n＜0時，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度呈負效應(yīng)，而平推流反應(yīng)器的濃度水平明顯高于全混流型式，故選擇全混流反應(yīng)器。 n=0 FA/(-rA) xA FA/(-rA) xA FA/(-rA) n=0 n＞0 xA 18. 一級等溫反應(yīng)A==P，活化能為83140J/mol，在平推流反應(yīng)器中進行反應(yīng)，反應(yīng)溫度為420K，反應(yīng)器體積為Vp，如改為全混流反應(yīng)器，其體積為Vm，為達到相同的轉(zhuǎn)化率xA=0.6，（1）若反應(yīng)操作溫度相同，則Vm/Vp之值應(yīng)為多少？（2）若Vm/Vp=1，則全混流反

14、應(yīng)器的操作溫度應(yīng)為多少？ 解：（1） （2）Vm/Vp=1，同樣得到： 代入數(shù)據(jù)得到：Tm=440K 19. 等溫二級反應(yīng)，依次經(jīng)過體積相等的平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器，出口轉(zhuǎn)化率為0.99，若將兩個反應(yīng)器改換次序，問出口轉(zhuǎn)化率為多少？ 解：等溫二級反應(yīng)得到，平推流 全混流： 將平推流反應(yīng)器+全混流反應(yīng)器時的條件代入，計算得到：kCA0τ=61.53 全混流反應(yīng)器+平推流反應(yīng)器：先計算全混流出口xA=0.884 全混流出口xA就是平推流進口xA，計算平推流出口xA=0.986 20. 等溫一級反應(yīng)，依次經(jīng)過體積相等的平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器，出

15、口轉(zhuǎn)化率為0.99，若將兩個反應(yīng)器改換次序，問出口轉(zhuǎn)化率為多少？ 解：等溫一級反應(yīng)得到，平推流 全混流： 將平推流反應(yīng)器+全混流反應(yīng)器時的條件代入，計算得到：kτ=3.175 全混流反應(yīng)器+平推流反應(yīng)器：先計算全混流出口xA=0.760 全混流出口xA就是平推流進口xA，計算平推流出口xA=0.99 21. 液相二級不可逆反應(yīng)A+B==C，CA0=CB0，在平推流反應(yīng)器進行試驗，當(dāng)τ=10min時xA=0.99，問在相同溫度下為達到相同轉(zhuǎn)化率，采用（1）在全混流反應(yīng)器中進行時，空時τ為多少？（2）若在兩個等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進行時，空時τ又為多少？ 22.

16、 在恒溫恒容下進行下式所示的自催化反應(yīng)：A+R→2R，其速率方程為，初始濃度分別為和，試推導(dǎo)其在間歇釜中達到最大反應(yīng)速率時的時間和A組分的濃度，若采用連續(xù)操作，應(yīng)采用何種理想反應(yīng)器組合方式，可使反應(yīng)器總體積最小，并用示意圖進行表示。 23. 平行反應(yīng)： A P rP=1 S rS=2CA T rT=CA2 其中P為目的產(chǎn)物，在等溫操作中，證明：采用全混流反應(yīng)器最大產(chǎn)物濃度CPmax=CA0；采用平推流反應(yīng)器最大產(chǎn)物濃度CPmax= /(1+ CA0)。 24. 等溫一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)ARS，進料為純A濃度為CA0，連續(xù)操作空時為τ，試分別推導(dǎo)出反應(yīng)器

17、出口各組分的濃度：（1）平推流反應(yīng)器；（2）全混流反應(yīng)器。 A P rP=k1CA S rS=k2CA 25. 等溫一級不可逆平行反應(yīng)： 進料為純A濃度為CA0，連續(xù)操作空時為τ，試分別推導(dǎo)出反應(yīng)器出口各組分的濃度：（1）平推流反應(yīng)器；（2）全混流反應(yīng)器。 Vm PFR CSTR Vp v0 26. 試分別在圖上畫出下列流動模型的停留時間分布函數(shù)F(t)和停留時間分布密度函數(shù)E(t)曲線： 舉出與它有相同停留時間分布的另一種流動模型，這說明了什么問題。 27. 液相反應(yīng) R(主反應(yīng)) rR=k1CA0.6CB1.2 A+B

18、 S(副反應(yīng)) rS=k2CA2.0CB0.2 A B B A A B A B ① ② ③ ④ 從有利于產(chǎn)品分布的觀點，（1）將下列操作方式按優(yōu)→劣順序排列，并說明理由。（2）若反應(yīng)活化能E1>E2，應(yīng)如何選擇操作溫度？ 28. 試采用脈沖示蹤法推導(dǎo)全混流反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)和分布密度函數(shù)。 29. 試采用階躍示蹤法推導(dǎo)全混流反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù)和分布密度函數(shù)。 30. 畫出平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器、平推流和全混流反應(yīng)器串聯(lián)及全混流和平推流反應(yīng)器串聯(lián)的停留時間分布密度函數(shù)E(t)和分布函數(shù)F(t)

19、 31. F(θ)和E(θ)分別為閉式流動反應(yīng)器的無因次停留時間分布函數(shù)和停留時間分布密度函數(shù)。 （1）若反應(yīng)器為平推流反應(yīng)器，試求： (a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2) （2）若反應(yīng)器為全混流反應(yīng)器，試求： (a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2) （3）若反應(yīng)器為一非理想反應(yīng)器，試求： (a)F(∞)；(b)E(∞)；(c)F(0)；(d)E(0)；(e)；(f) 32. 丁烯在某催化劑上反應(yīng)的到丁二烯的總反應(yīng)為 C4H8(A)

20、== C4H6(B)+ H2(C) 假設(shè)反應(yīng)按如下步驟進行：A+σAσ AσBσ+C BσB+σ 假定符合均勻吸附模型，試分別推導(dǎo)動力學(xué)方程： （1） A吸附控制； 2 B脫附控制； 3 表面反應(yīng)控制。 33. 乙炔與氯化氫在HgCl2-活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應(yīng) C2H2 (A) + HCl (B)== C2H3Cl (C) 其動力學(xué)方程式可有如下幾種形式： （1） （2） （3） 試分別列出反應(yīng)機理和控制步驟 34. 氣固相催化反應(yīng)：A+B==C，其反應(yīng)機理如下： A+σAσ

21、B+σBσ Aσ+B Cσ CσC+σ 假定符合Langmuir均勻吸附模型，試分別推導(dǎo)動力學(xué)方程： （1） A吸附控制；2 、C脫附控制； 3 表面反應(yīng)控制。 35. 在氣固相催化劑表面進行下列氣相可逆反應(yīng)： A+B==R 其反應(yīng)機理為： A+σ1＝Aσ1 B+σ2＝Bσ2 Aσ1+ Bσ2→Rσ1+σ2 (速率控制步驟) Rσ1＝R+σ1 試用Langmuir均勻吸附模型導(dǎo)出該反應(yīng)的本征動力學(xué)方程。 36. 某氣固相催化反應(yīng)：

22、A==R，其動力學(xué)方程式為 （以催化劑質(zhì)量為基準） 試導(dǎo)出平推流式的等溫積分反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率xA與W/FA0的關(guān)系式 37. 試列出氣固相催化反應(yīng)通常所經(jīng)歷的步驟，并區(qū)分動力學(xué)控制和傳遞控制。 38. 試敘述氣固相催化反應(yīng)中Thiel模數(shù)φs和有效系數(shù)η的物理意義；對于本征動力學(xué)的測定應(yīng)如何消除內(nèi)外擴散的影響。 39. 40. 某非催化氣固相反應(yīng)：A(g)+2B(s)==R(g)+S(s)，假定固體反應(yīng)物為球型顆粒，若過程為氣膜擴散控制，試采用縮核模型推導(dǎo)其動力學(xué)方程（t與xB的關(guān)系）。提示：氣膜擴散方程：；nB=ρmVc= 41.

23、某非催化氣固相反應(yīng)：A(g)+2B(s)==R(g)+S(s)，假定固體反應(yīng)物為球型顆粒，若過程為非反應(yīng)核表面反應(yīng)控制，試采用縮核模型推導(dǎo)其動力學(xué)方程（t與xB的關(guān)系）。提示：表面反應(yīng)：；nB=ρmVc= 42. 試列出氣固相非催化反應(yīng)中縮核模型的反應(yīng)歷程，并說明與縮粒模型的差別。 Q Qr Qg T 1 2 3 試說明反應(yīng)器設(shè)計中產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因；為提高放大的可靠性，應(yīng)如何應(yīng)用反應(yīng)工程知識對系統(tǒng)進行研究。 43. 在全混流反應(yīng)器中進行不可逆放熱反應(yīng)，其放熱和移熱線如下圖所示： 試(1)指明穩(wěn)定的定常態(tài)操作點，寫出熱穩(wěn)定性的判據(jù)；(2)實際生

24、產(chǎn)中如何進行開、停車操作，并在圖中畫出。 44. 采用中間冷卻的三段絕熱固定床進行氣固相催化反應(yīng)，標明圖中各條線的名稱，根據(jù)最優(yōu)分段的要求畫出整個過程的操作線。 T0 xA T xAf 0 45. 一級可逆反應(yīng)A==B，對不同控制步驟繪出反應(yīng)物A在催化劑顆粒內(nèi)部與氣膜中的濃度分布。其中：主體濃度為CAg；顆粒表面濃度為CAs；顆粒中心濃度為CAi；平衡濃度為CAe。 主體 氣膜 粒內(nèi) CAg CAg Rp 0 內(nèi)擴散控制 主體 氣膜 粒內(nèi) CAg CAg Rp 0 外擴散控制 主體 氣膜 粒內(nèi) CAg CAg Rp 0 動力學(xué)控制