《化學(xué)反應(yīng)工程》試題 一、填空題 1. 質(zhì)量傳遞 、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞和化學(xué)反應(yīng) 稱為三傳一反. 2. 物料衡算和能量衡算的一般表達(dá)式為 輸入-輸出=累積。 3. 著眼組分 A轉(zhuǎn)化率xa的定義式為*2=皿0臼3)色0。 4. 總反應(yīng)級(jí)數(shù)不可能大于3。 5. 反應(yīng)速率-rA=kCACB的單位為kmol/m3 - h,速率常數(shù)k的因次為 m3/kmol ? h 。 6. 反應(yīng)速率-rA=kCA的單位為kmol/kg - h,速率常數(shù)k的因次為 m3/kg ? h 。 1/2 1/2 1/2 7. 反應(yīng)速率 -「A=kCA的單位為 mol/L ? s,速率常數(shù)k的因次為(mol) 」 ,s 。 8. 反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系為lgk =_"000+10 2,其活化能為83.14kJ/mol 。 9. 某反應(yīng)在500K時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù) k是400K時(shí)的103倍，則600K時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù) k 時(shí)是400K時(shí)的 105倍。 10. 某反應(yīng)在450c時(shí)的反應(yīng)速率是 400c時(shí)的10倍，則該反應(yīng)的活化能為(設(shè)濃度不變) 11. .3kJ/mol 。 11 .非等分子反應(yīng)2SO2+O2==2SO3的膨脹因子 &so等干 -0.5 。 12 .非等分子反應(yīng) N2+3H2==2NH3的膨脹因子6H 2等于 33 13 .反應(yīng) N2+3H2==2NH3 中（—電） = 1/3 （―電）=1/2 r- 14 .在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)， 應(yīng)器體積增大到n倍時(shí)，反應(yīng)物A的出口濃度為 15 .在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)， 反應(yīng)物初濃度為 CA0,轉(zhuǎn)化率為XA,當(dāng)反 CA0(1-XA)n , 轉(zhuǎn)化率為 1-(1-XA)n 。 反應(yīng)物初濃度為 Cao,轉(zhuǎn)化率為Xa,當(dāng)反 應(yīng)器體積增大到n倍時(shí)，反應(yīng)物A的出口濃度為 一3A—，轉(zhuǎn)化率為 ——nxA—— 1 (n -1)Xa 1 (n -1)Xa 16 .反應(yīng)活化能E越二J,反應(yīng)速率對溫度越敏感。 17 .對于特定的活化能，溫度越低溫度對反應(yīng)速率的影響越 大。 18 .某平行反應(yīng)主副產(chǎn)物分別為 P和S,選擇性Sp的定義為 ⑺上7由/(ng-n^) 。 19 .某反應(yīng)目的產(chǎn)物和著眼組分分別為 P和A其收率①p的定義為 (np-np)/(且0-nA) 20 .均相自催化反應(yīng)其反應(yīng)諫率的豐要特征是隨時(shí)間非單調(diào)變化：存在最大的反應(yīng)諫率 21 .根據(jù)反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常采用的方法有 諫率捽制步驟—、擬平衡態(tài) 。 22 .對于連續(xù)操作系統(tǒng)，定常態(tài)操作是指 溫度及各組分濃度不隨時(shí)間變化。 23 .返混的定義： 不同停留時(shí)間流體微團(tuán)間的混合。 24 .平推流反應(yīng)器的返混為 0;全混流反應(yīng)器的返混為 8 。 25 .空時(shí)的定義為 反應(yīng)器體積與進(jìn)口體積流量之比。 26 .針對著眼組分 A的全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程為 工="。 F A0 - rA 27 .不考慮輔助時(shí)間，對反應(yīng)級(jí)數(shù)大于 0的反應(yīng)，分批式完全混合反應(yīng)器優(yōu)于全混流反應(yīng) 器。 28 .反應(yīng)級(jí)數(shù)＞0時(shí)，多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的反應(yīng)效果 優(yōu)于全混流反應(yīng)器。 29 .反應(yīng)級(jí)數(shù)＜0時(shí)，多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的反應(yīng)效果 差于全混流反應(yīng)器。 30 .反應(yīng)級(jí)數(shù)＞0時(shí)，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)效果 優(yōu)于 全混流反應(yīng)器。 31 .反應(yīng)級(jí)數(shù)＜0時(shí)，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)效果差于 全混流反應(yīng)器。 32 .對反應(yīng)速率與濃度成正效應(yīng)的反應(yīng)分別采用全混流、平推流、多級(jí)串聯(lián)全混流反應(yīng)器 其反應(yīng)器體積的大小關(guān)系為 全混流》多級(jí)串聯(lián)全混流〉平推流; 33 .通常自催化反應(yīng)較合理的反應(yīng)器組合方式為 全混流 + 平推流 。 34 .相同轉(zhuǎn)化率下，可逆放熱反應(yīng)的平衡溫度 高于最優(yōu)溫度。 35 .主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)的平行反應(yīng)，優(yōu)先選擇 平推流 反應(yīng)器。 36 .主反應(yīng)級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)級(jí)數(shù)的平行反應(yīng)，優(yōu)先選擇 全混流 反應(yīng)器。 37 .要提高串聯(lián)反應(yīng)中間產(chǎn)物 P收率，優(yōu)先選擇 平推流 反應(yīng)器。 38 .主反應(yīng)級(jí)活化能小于副反應(yīng)活化能的平行反應(yīng)，宜采用 工溫操作。 39 .主反應(yīng)級(jí)活化能大于副反應(yīng)活化能的平行反應(yīng)，宜采用 上溫操作。 40 .停留時(shí)間分布密度函數(shù)的歸一化性質(zhì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 E E(t)dt =1.0。 0 41 .定常態(tài)連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)， F(0)=_0_; F(8)=—L。 t 42 .定常態(tài)連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，F(xiàn)(t)與E(t)的關(guān)系F (t) =[E(t)dt。 0 oO 43 .平均停留時(shí)間t是E(t)曲線的 分布中心.:與E(t)的關(guān)系為t =[tE(t)dt。 0 cd 44 .方差仃t2表示停留時(shí)間分布的 分散程度.：其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 仃2 = "t—t)2E(t)dt。 0 45 .采用無因次化停留時(shí)間后， 口。)與(。的關(guān)系為E(H)=fE(t)。 46 .采用無因次化停留時(shí)間后， F( 0 )與F(t)的關(guān)系為 F(9尸F(xiàn)(t) 。 2 2 2 2 2 47 .無因次方差0r6與方差0rt的關(guān)系為0re=0rt /t 。 48 .平推流反應(yīng)器的 仃2= 0 ;而全混流反應(yīng)器的 仃：=J。 49 .兩種理想流動(dòng)方式為 平推流和全混流 。 50 .非理想流動(dòng)仃2的數(shù)值范圍是 0~1 。 51 .循環(huán)操作平推流反應(yīng)器循環(huán)比越 大返混越大。 52 .循環(huán)操作平推流反應(yīng)器當(dāng)循環(huán)比 B = 0時(shí)為平推流：當(dāng)3 = 00時(shí)為全混流。 53 .停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)測定中，常用的示蹤方法為 脈沖示蹤 和 階躍示蹤 。 54 .脈沖示蹤法根據(jù)檢測到的濃度變化曲線可以直接得到 E⑴ 曲線。 55 .階躍示蹤法根據(jù)檢測到的濃度變化曲線可以直接得到 F⑴ 曲線。 56 .采用脈沖示蹤法測得的濃度 Ca⑴與E⑴的關(guān)系式為 E(t)= CA(t)/Co。 57 .采用階躍示蹤法測得的濃度 Ca⑴與F⑴的關(guān)系式為 F(t)= Ca(t)/ C” 。 58 . N個(gè)等體積全混釜串聯(lián)的停留時(shí)間分布的無因次方差 仃2= 1/N 。 59 .多級(jí)全混釜串聯(lián)模型當(dāng)釜數(shù) N=L為全混流，當(dāng)N= 8為平推流。 t t 60 .全混流的E(t尸 珍彳；F(t)= 1 -e7 o 61 . 平推流的 E(t)=0 當(dāng) t *f、=8 當(dāng) t=t_； F(t)= 0 當(dāng) t <t、=1 當(dāng) t <t o 62 .軸向分散模型中，Pe準(zhǔn)數(shù)越 小 返混越大。 63 .軸向分散模型中 Peclet準(zhǔn)數(shù)的物理意義是 代表了流動(dòng)過程軸向返混程度的大小 。 64 .對于管式反應(yīng)器，流速越 大 越接近平推流;管子越 長 越接近平推流。 65 .為使管式反應(yīng)器接近平推流可采取的方法有 提高流速和增大長徑比 。 66 .對于 平推流 反應(yīng)器,宏觀流體與微觀流體具有相同的反應(yīng)結(jié)果。 67 .工業(yè)催化劑所必備的三個(gè)主要條件： 選擇性高、活性好和壽命長 。 68 .化學(xué)吸附的吸附選擇性要 高于物理吸附的吸附選擇性。 69 .化學(xué)吸附的吸附熱要 大于物理吸附的吸附熱。 70 .化學(xué)吸附常為 單 分子層吸附,而物理吸附常為 多分子層吸附。 71 .操作溫度越高物理吸附 越弱 .化學(xué)吸附 越強(qiáng) ; 72 .在氣固相催化反應(yīng)中動(dòng)力學(xué)控制包括 表面吸附、表面反應(yīng)和表面脫附 。 73 .氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)指消除 內(nèi)外擴(kuò)散對反應(yīng)速率的 影響測得的動(dòng)力學(xué)。 74 .氣固相催化反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)與宏觀動(dòng)力學(xué)的主要區(qū)別是 前者無內(nèi)外擴(kuò)散的影響。 75 .在氣固相催化反應(yīng)中測定本征動(dòng)力學(xué)可以通過提高氣體流速 消除外擴(kuò)散、通過 減小 催化劑顆粒粒度 消除內(nèi)擴(kuò)散。 76 .固體顆粒中氣體擴(kuò)散方式主要有 一分子擴(kuò)散 和 努森擴(kuò)散 。 77 .固體顆粒中當(dāng)孔徑較大時(shí)—以分子擴(kuò)散為主，而當(dāng)孔徑 較小時(shí)以努森擴(kuò)散為主。 78 .氣固相催化串聯(lián)反應(yīng)，內(nèi)擴(kuò)散的存在會(huì)使中間產(chǎn)物的選擇性 下降。 79 .氣固相催化平行反應(yīng)，內(nèi)擴(kuò)散的存在會(huì)使高級(jí)數(shù)反應(yīng)產(chǎn)物的選擇性 下降。 80 . Thiele模數(shù)的物理意義反映了表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之比。 81 .催化劑的有效系數(shù)為催化劑粒子實(shí)際反應(yīng)速率 /催化劑內(nèi)部濃度和溫度與外表面上的相 等時(shí)的反應(yīng)速率。 82 .催化劑粒徑越大，其 Thiele模數(shù)越大，有效系數(shù)越 小 ； 83 .氣固相非催化反應(yīng)縮核模型中氣相反應(yīng)物 A的反應(yīng)歷程主要有三步，分別是 氣膜擴(kuò) 散、 灰層擴(kuò)散 和 表面反應(yīng) 。 84 .自熱式反應(yīng)是指 利用反應(yīng)自身放出的熱量預(yù)熱反應(yīng)進(jìn)料 。 85 .固定床反應(yīng)器的主要難點(diǎn)是 反應(yīng)器的傳熱和控溫問題。 86 .多段絕熱固定床的主要控溫手段有 段間換熱、原料氣冷激 和惰性物料冷激 。 87 .固定床控制溫度的主要目的是 使操作溫度盡可能接近最優(yōu)溫度線。 88 .固體顆粒常用的密度有堆密度、顆粒密度和真密度，三者的關(guān)系是 真密度＞顆粒密度 ＞堆密度。 89 .對于體積為 VP外表面積為 aP的顆粒其體積當(dāng)量直徑為 3；6Vp /冗、面積當(dāng)量直徑為 、.aP/n、比表面當(dāng)量直徑為6ap/VP。 90 .固定床最優(yōu)分段的兩個(gè)必要條件是 前一段出口反應(yīng)速率與下一段進(jìn)口相等 和 每一段的操作溫度線跨越最優(yōu)溫度線。 二、計(jì)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(jì)算當(dāng) Cb =20 kmol/m3時(shí)，計(jì)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=( Cbo- Cb )/ Cbo=0.8 由 Cao- Ca =( Cbo- Cb )/2 得到：Ca =20 kmol/m3=60 kmol/m3 Xa=( Cao- Ca )/ Cao=0.4 2. 在恒壓條件下，反應(yīng) A+2B==R ,原料氣組成為 CA0 = CBo=100kmol/m3,計(jì)算當(dāng)Cb = 20 kmol/m3時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率xa、xb及各組分的濃度。 解：8 b=(1-1-2)/2=-1; yB0=0.5 n=no(1+ yB0 Sb xb) = no(1-0.5 xb) 在恒壓條件下：V=Vo n/no= Vo(1-0.5xb) Cb =nB/V= nB0(1- xb)/[ Vo(1-0.5xb)]= Cbo(1- xb)/ (1-0.5 xb) xb=8/9 nAo- nA =( nBo- nB )/2 xa=( nAo- nA )/ nA0=( nB0- nB )/(2 nAo)= ( nB0- nB )/(2 nBo)=0.5 xb=4/9 3. 串聯(lián)-平行反應(yīng) A+B==R ,A+R==S ,原料中各組分的濃度為 CA0=2.0mol/L,CBo=4.0 mol/L, Cro=Cs0=0,在間歇反應(yīng)器中恒容操作一定時(shí)間后，得到 CA=0.3mol/L, Cr=1.5 mol/L,計(jì)算 此時(shí)組分B和S的濃度。 解：在恒容條件下： ACai= Cbo-Cb； ACa2= Cs ； Cr= (Cbo-Cb)-Cs； Cao-Ca= A Cai+A Ca2 得到：Cs=( Cao-Ca- Cr)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1 mol/L Cb = Cbo- Cr-Cs=4.0-1.5-0.1=2.4 mol/L 4. 在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行等溫 2級(jí)、1級(jí)、0級(jí)均相反應(yīng)，分別求出轉(zhuǎn)化率由 0至0.9所需 的時(shí)間與轉(zhuǎn)化率由 0.9至0.99所需時(shí)間之比。 解：在間歇反應(yīng)器中: xA2 t=CA0 d-A _r， -A1 A -A 2 0 級(jí)反應(yīng)：t =Cao [dx^nkCAodAZ —Xai)，~^ = v k t0.9~0.99 0.99 -0.9 1級(jí)反應(yīng): xA2 d-A t =CA0 xA1 kCA0(1 -Xa) k 1 , 1 -xA1 =-ln 勺 1 - XA2 t0~0.9 ln y-0^ ； =-1^9 =0.5 t0.9~0.99 ln 1 2.99 2級(jí)反應(yīng): -A2 d-A t =CA0 2 / kC20(1 -xa) xA1 A0 A 2 二1二~ " / kCA0 1 一 XA2 1 一 XA2 t0~0.9 T4r9 - 110 t0.9~0.99 一口199 f =0.1 5.在等溫恒容條件下進(jìn)行下列氣相反應(yīng)： A - 2R其反應(yīng)速率方程為 工也=匹，試推導(dǎo): V dt V (1) 以A組分轉(zhuǎn)化率Xa表示的反應(yīng)速率方程; 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) nA0 d—A nA0 (1 — —A) V dt - V d-A dt 二k(1 - Xa) (2) 6 a=(2-1)/1=1 yA0=0.5 n=n0(1+ yA0 Sa Xa) = n0(1+0.5 Xa) XA=2n/n0-2=2P/P0-2 dP k(1.5F0 -P) dt 6.在間歇反應(yīng)器中進(jìn)彳T等溫二級(jí)反應(yīng) A==B ,反應(yīng)速率：—「a =0.01CAmol/(L -s)當(dāng)Ca0 分別為1、5、10mol/L時(shí)，分別計(jì)算反應(yīng)至 CA=0.01mol/L所需的時(shí)間。 解：在間歇反應(yīng)器中可視為恒容反應(yīng)可視為: dCA dt 一一 一 2 = 0.01CA  t =100白-白 當(dāng) CA0=1mol/L 時(shí)，t=9900s 當(dāng) CA0=5mol/L 時(shí)，t=9950s 當(dāng) CA0=10mol/L 時(shí)，t=9990s 7. 解: 試畫出反應(yīng)速率常數(shù) k與溫度 一，， E 1 ln k = ln k0 - 一 ?一 R T T的關(guān)系示意圖。 8. 某氣相恒容反應(yīng)在 400K時(shí)的速率式為: dpA = 0.37 pA MPa/h , (1)試問反應(yīng)速率 dt 常數(shù)的單位是什么? 2)若速率式寫成—rA = -dnA = kcA kmol/(m 3 ? h),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：(h - MPa)-1 (2)曳父103 =Ca 父103 = — Pa 父106 V RT dPA 3 =10 RT dnA Vdt Pa =IO^RTCA dnA Vdt = 0.37 10,RTCA Ink與1/T作圖為一直線 k =0.37X10J3RT = 0.37 父10工父 8.314 m 400 =1.2m3/( kmol ? h) 等溫下在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)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(dá)到分解率為75%,問需多少反應(yīng)時(shí)間？若反應(yīng)為 2級(jí)，則需多少反應(yīng)時(shí)間? 解：一級(jí)反應(yīng): 1 C rdxA 1 . 1 1 1 ? 、 t =CA0 —— ； =- ln ； = -- ln(1 — XA) 0 kCA0(1 - XA) k 1 -xA k t0.75 ,ln(1 -0.75) =t0.5 ln(1 -0.5) =10min ..一 、 XA 二級(jí)反應(yīng)：t _C dXA 1 工 t Cao 2 2 0」kCAo(1—xa)2 kCA0 1 -XA t0.75 0.75 1 -0.5 ■ 1 -0.75 0.5 二15 min dC 一 一 9 .液相自催化反應(yīng) A==B的速率方程為一醍=——A = KCaCb mol/(L ? h),在等溫間歇 dt 釜中測定反應(yīng)速率, CA0=0.95mol/L , CB0=0.05mol/L ,經(jīng)過1小時(shí)后可測得反應(yīng)速率最大值, 求該溫度下的反應(yīng)速率常數(shù) ko 解：cb=Cao + Cbo-Ca=1-Ca dCA "dT =心(1。) v Vo(1 2Xa) 1 2xa V F A0 Xa =I dxA _ xA dxA - rA 0 kCA 1 2Xa 1 -Xa dx 1；1+2Xa k 011 —XA J dXA 反應(yīng)速率最大時(shí)：d("rA)= k(1 -2CA)-dCA = 0 ,得到 Ca=0.5 mol/L dt dt (1 -Ca)C 對反應(yīng)速率式積分得到 kt = ln | ,代入數(shù)據(jù)得到 k=2.944 L/(mol ? h) :Ca(1 -Cao). 10 .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 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。 dx“ 解：在恒谷條件下 —rA=CA0—A=kCA0(1—xA) dt k(1 - Xa ) dxA dt 8 a=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=no(1+ yA0 8 a xa) = no(1+ xa) XA=n/n0-1 = P/Po-1 dP k(2Po -P) dt 11 .對于氣相反應(yīng)：A-3P其反應(yīng)速率方程為-rA=kCA,在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)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 Vo,初始濃度為Caoo試推導(dǎo)：其反應(yīng)器設(shè)計(jì) 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：Sa=(3-1)/1=2 yA0=1 等溫恒壓：v=vo(1+ yA0 8 a Xa) = Vo(1+2xa) F _Fa_Fao(1-Xa)_c 1-Xa CA 二 二 二 CA0 12 .在一全混流反應(yīng)器中進(jìn)行下列一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng): k1 k2 *S 目的產(chǎn)物為P,反應(yīng)器體積為 V,體積流量為V。，進(jìn)料為純A組分，濃度為Caoo (1)各組分的濃度表達(dá)式; (2)導(dǎo)出產(chǎn)物P的總收率、選擇性表達(dá)式； (3)導(dǎo)出產(chǎn)物P濃度達(dá)到最大所需的空時(shí)，即最優(yōu)空時(shí)。 解：全混流反應(yīng)器中對 A組分作物料衡算 Fao —FA -V ( Ta ) v0 (CA0 -CA)=VkiCA Ca C A0 1kl. 對P組分作物料衡算: Fp -Fpo =Vrp v0CP =V(k1cA -k2CP) CP K.Ca k1 ?C A0 1 k2 (1 k1 )(1 k2 ) CS - CA0 - CA _ Cp = CA0 Cao k〔 -Cao A0 P的總收率：① np - npo nAo — nA 1 kv (1 k1)(1 k2 ) Cp Cao - Ca 1 1 k2 - (1 K )(1 飛) p的總選擇性： Sp = np -np c-=- ns -hso Cs k2- p的濃度達(dá)到最大需滿足： 叫=0得到最優(yōu)空時(shí)：T = — d ■ k1k2 13.某一級(jí)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(jìn)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(jí)反應(yīng)： 辭 -k(1 -xA) xA =1 -eAt =1 -e。5 =0.393 6 a=(2-1)/1=1 n=n0(1+ 6 a yA0XA尸 n0(1+ yAoXA) p=po (1+ yAoXA) (1) 1atm 純 A ： yAo=1 p=po (1+ yAoXA)=1.393atm (2) 10atm 純 A ： yAo=1 p=po (1+ yAoXA)=13.93atm (3) 1atm A 和 9atm 惰性氣體：yAo=o.1 p=po (1+ yAoXA)=1o.393atm 14.某二級(jí)液相反應(yīng) A+B==C ,已知在間歇全混釜反應(yīng)器中達(dá)到 xa=o.99需反應(yīng)時(shí)間為 1omin,問：(1)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，空時(shí) 。為多少？ ( 2)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行 時(shí)，空時(shí)。為多少？ ( 3)若在兩個(gè)等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，空時(shí) 。又為多少？ 解: ddr nkCA kCAo t 1 -Xa 9^=99 1o 1 -o.99 1 I Xa 1 o 99 (1)在平推流反應(yīng)器中： =，M_099_ =1omin kCAo 11—xaJ 9.9 1 - o.99 (2)在全混流反應(yīng)器中： t = XA——2 = "9——2=1ooomin kCAo(1 - Xa)2 9.9 (1 -o.99)2 (3)兩個(gè)等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中: 第一個(gè)釜0.5 .二 a—— kCA0 (1 —xA1) 第二個(gè)釜 0.5. =一xA2 - xA1 2 kCA0(1 - Xa2) 由試差法計(jì)算得到： r =51.5min 15.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(jìn)彳T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(dá)式； (3) 在FA0/(-rA)?心圖上表示各反應(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 (4) 反應(yīng)速率最大點(diǎn)是兩個(gè)反應(yīng)器的分界點(diǎn)。 Ca+Cr= Ca0+Cr0 Cr= Ca0+Cr0-Ca= Cm-Ca -「A - kCA(CM -Ca) 反應(yīng)速率最大時(shí)，d(-「A)/dt=0 Ca=0.5Cm C“ —Ccc ①若CAf > 0.5Cm ,即XAf w3——R0-,僅用一個(gè)全混釜即可 2C A0 v0 (CA0 - CAf ) V0XAf Vm =  = rr - ^― kCACR k(1 - XAf )(CA0XAf Cr0) ②若 CAfV0.5CM,即 xAf >Ca0 -Cr0 2Ca0 全混釜彳^積：立二絲線笠:急皿。-Cm)%(Ca02V0Cr0)2(Ca0 -Cr0) 平推流體積：VP 二一 義工 VP 二一v— In CR0 CA0xAf V0 0.5CM kCACR k(CA0 Cr0) C A0 (1 - xAf ) V=Vm+Vp  16.對于反應(yīng)速率方程為 -口 =kCA的液相反應(yīng)，為達(dá)到一定的生產(chǎn)能力， 試討論當(dāng)n>0、 n=0和n<0時(shí)，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, 并在處~ xA圖上表示反應(yīng)器的體積。 解：當(dāng)n=0時(shí)，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(shí)，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度呈正效應(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(shí)，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度呈負(fù)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。 17. 一級(jí)等溫反應(yīng) A==P ,活化能為83140J/mol,在平推流反應(yīng)器中進(jìn)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(dá)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 ,則全混流反應(yīng)器的 操作溫度應(yīng)為多少？ 解：（1）Vm Vp=din^_ kCA0 1 一 Xa kCA0 1 一 Xa Vm ="^/ln^^ =2.94 Vp 1 -Xa 1 - Xa k x 1 (2) Vm/Vp=1,同樣得到： 」m=——/in = 2.94 E km = koe m kP 1 一 Xa 1 - Xa kp =k0e" e^(不F)=2.94 代入數(shù)據(jù)得到：Tm=440K 18 .等溫二級(jí)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(gè)反應(yīng)器改換次序，問出口轉(zhuǎn)化率為多少？ 解：等溫二級(jí)反應(yīng)得到，平推流 kCA0 1 一 XAout 1 1 一 XAin  全混流：kcA0. = xAout - xAi2 （1 -xAout ） 將平推流反應(yīng)器+全混流反應(yīng)器時(shí)的條件彳t入，計(jì)算得到： kCAo t =61.53 全混流反應(yīng)器+平推流反應(yīng)器：先計(jì)算全混流出口 Xa=0.884 全混流出口 xA就是平推流進(jìn)口 xA,計(jì)算平推流出口 xa=0.986 19 .等溫一級(jí)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(gè)反應(yīng)器改換次序，問出口轉(zhuǎn)化率為多少？ . ?.一 一 .一、 1—■X.- 解：等溫一級(jí)反應(yīng)得到，平推流 k. =ln 1 XAin 1 - XAout 全混流：k. = " - XAin 1 - XAout 將平推流反應(yīng)器+全混流反應(yīng)器時(shí)的條件彳t入，計(jì)算得到： kT =3.175 全混流反應(yīng)器+平推流反應(yīng)器：先計(jì)算全混流出口 Xa=0.760 全混流出口 xA就是平推流進(jìn)口 xA,計(jì)算平推流出口 xa=0.99 20 .液相二級(jí)不可逆反應(yīng) A+B==C , Cao=Cbo,在平推流反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng) t =10min時(shí) xa=0.99,問在相同溫度下為達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率，采用（ 1）在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，空時(shí) t 為多少？ （ 2）若在兩個(gè)等體積串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，空時(shí) 。又為多少？ 21 .在恒溫恒容下進(jìn)行下式所示的自催化反應(yīng)： A+R -2R,其速率方程為-「A = kCACR, 初始濃度分別為 Cao和Cro ,試推導(dǎo)其在間歇釜中達(dá)到最大反應(yīng)速率時(shí)的時(shí)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(jìn)行表示。 22 .平行反應(yīng): 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+ Cao）。 k1 k2 23.等溫一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng) A " R aS,進(jìn)料為純 A濃度為 CA0 ,連續(xù)操作空時(shí)為T ,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。 24 .等溫一級(jí)不可逆平行反應(yīng): P rP=k〔CA S rS=k2CA 進(jìn)料為純A濃度為Cao,連續(xù)操作空時(shí)為 。，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。 25 .試分別在圖上畫出下列流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布函數(shù) F⑴和停留時(shí)間分布密度函數(shù) E(t) 曲線： 舉出與它有相同停留時(shí)間分布的另一種流動(dòng)模型，這說明了什么問題。 26 .液相反應(yīng) 0.6 1.2 R(王反應(yīng))rR=kiCA Cb A+B -* S(副反應(yīng))rs=k2CA2.0CB0.2 從有利于產(chǎn)品分布的觀點(diǎn)，(1)將下列操作方式按優(yōu)一劣順序排列，并說明理由。 反應(yīng)活化能Ei>E2,應(yīng)如何選擇操作溫度? 27 .試采用脈沖示蹤法推導(dǎo)全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)和分布密度函數(shù)。 28 .試采用階躍示蹤法推導(dǎo)全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)和分布密度函數(shù)。 29 .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(shí)間分布密度函數(shù) E⑴和分布函數(shù)F(t) 30 . F( 0 )和E( 0 )分別為閉式流動(dòng)反應(yīng)器的無因次停留時(shí)間分布函數(shù)和停留時(shí)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(oo)； (b)E(oo)； (c)F(0)； (d)E(0)； (e) lE)d(W ； (f) J6E(0)d(0) 31 . 丁烯在某催化劑上反應(yīng)的到丁二烯的總反應(yīng)為 C4H8(A)== C 4H6(B)+ H2(C) 假設(shè)反應(yīng)按如下步驟進(jìn)行: A+ (T = A (T A b U B(T +C B (T U B+ (T 假定符合均勻吸附模型，試分別推導(dǎo)動(dòng)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。 32.乙快與氯化氫在HgCl 2-活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應(yīng) C2H2 (A) + HCl (B)== C 2H3Cl (C) 其動(dòng)力學(xué)方程式可有如下幾種形式： 2 (1) r =k( Pa Pb — pc / K)/(1 + Ka Pa +Kb Pb + KcPc ) ⑵ r = kKA Pa Pb /(1 + KA Pa + Kb Pb) (3) r =kKBPAPB/(1+KbPb+KcP。 試分別列出反應(yīng)機(jī)理和控制步驟 33 .氣固相催化反應(yīng)：A+B==C ,其反應(yīng)機(jī)理如下： A+ (T U A (T B+ (T U B (T A b+BU C b C (T U C+ (T 假定符合Langmuir均勻吸附模型，試分別推導(dǎo)動(dòng)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。 34 .在氣固相催化劑表面進(jìn)行下列氣相可逆反應(yīng)： A+B==R 其反應(yīng)機(jī)理為： A+ (T 1 = A (T 1 B+(T 2 = B b 2 A(T 1+ B b 2- R b 1+ b 2 (速率控制步驟) R (T 1 = R+ b 1 試用Langmuir均勻吸附模型導(dǎo)出該反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)方程。 35 .某氣固相催化反應(yīng)：A==R ,其動(dòng)力學(xué)方程式為 —「A = kKA Pa/(1 +Ka Pa +KrPr)(以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn)) 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/Fao的關(guān)系式 36 .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(dòng)力學(xué)控制和傳遞控制。 37 .試敘述氣固相催化反應(yīng)中 Thiel模數(shù)(()s和有效系數(shù)刀的物理意義；對于本征動(dòng)力學(xué)的測 定應(yīng)如何消除內(nèi)外擴(kuò)散的影響。 38 .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(kuò)散控制，試采用縮核模型推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程( t與Xb的關(guān)系)。提示：氣膜擴(kuò)散方程: 1 dn 4 3 - =kG (C AG — C AS ) ； nB= P mVc=一冗 ％ Rm Sr dt 3 39 .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(dòng)力學(xué)方程( t與xb的關(guān)系)。提示：表面 反應(yīng): 1 dnA Sr dt 4 3 - = ksCAS； nB=p mVc= —嘰以 3 40 .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。 41 .試說明反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行研究。 42 .在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行不可逆放熱反應(yīng)，其放熱 和移熱線如下圖所示： t^(1)指明穩(wěn)定的定常態(tài)操作點(diǎn)，寫出熱穩(wěn)定性的判 據(jù)；(2)實(shí)際生產(chǎn)中如何進(jìn)行開、停車操作，并在圖中 畫出。 標(biāo)明圖中各條線的名稱，根據(jù)最 43 .采用中間冷卻的三段絕熱固定床進(jìn)行氣固相催化反應(yīng), 優(yōu)分段的要求畫出整個(gè)過程的操作線。 44. 一級(jí)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。 CAg CAg CAg CAg 0 CAg CAg 0 Rp 動(dòng)力學(xué)控制 內(nèi)擴(kuò)散控制 外擴(kuò)散控制