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 。 反应速率?rA?kCA的单位为mol/L·s，速率常数k的因次为 (mol)1/2·L-1/2·s 。 反应速率常数k与温度T的关系为lgk??1/210000?10.2，其活化能为 mol 。 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） mol 。 11. 非等分子反应2SO2+O2==2SO3的膨胀因子?SO2等于 。 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41. 定常态连续流动系统，F(0)= 0 ；F(∞)= 1 。

t?E(t)dt?1.0。

042. 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?2t44. 方差?表示停留时间分布的 分散程度 ；其数学表达式为?2t??(t?t)2E(t)dt。

045. 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) 。 47. 无因次方差??与方差?t的关系为????t/t。

48. 平推流反应器的??= 0 ；而全混流反应器的??= 1 。 49. 两种理想流动方式为 平推流 和 全混流 。

222222250. 非理想流动??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??= 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)=

1t22e；F(t)=1?e。

?tt?tt61. 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 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

aP/?、比表面=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=

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

xA=( CA0- CA )/ CA0=

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=

n=n0(1+ yB0δB xB) = n0 xB) 在恒压条件下：V=V0 n/n0= V0 CB =nB/V= nB0(1- xB)/[V0]= CB0(1- xB)/ xB=8/9

nA0- nA =( nB0- nB )/2

xA=( nA0- nA )/ nA0=( nB0- nB )/(2 nA0)= ( nB0- nB )/(2 nB0)= 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=L，CB0= mol/L，

CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=L，CR= 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= mol/L

CB = CB0- CR-CS= 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至所

需的时间与转化率由至所需时间之比。 解：在间歇反应器中： t?CA0xA2dxA ??rAxA10级反应：t?CxA2A0xA1?t0.9?0dxA?10 ?kCA0(xA2?xA1)，0~0.9?t0.9~0.990.99?0.9k1级反应：t?C?0ln11dxA11?xA1，t0~0.9?0.9?1?0.9?0.5 ?lnA0?tln1?0.99kCA0(1?xA)k1?xA20.9~0.99xA1xA22级反应：t?C5.

xA2A0xA1?dxA1?11?，t0~0.9?????2?1?x?tkC2(1?x)kC1?x0.9~0.99AA0?A2A2?A011?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 ?kA0VdtV（2）δA=(2-1)/1=1 yA0= n=n0(1+ yA0δA xA) = n0(1+ xA)

xA=2n/n0-2=2P/P0-2 6.

?rA?0.01CAmol/(L?s)在间歇反应器中进行等温二级反应A==B，反应速率：

2当CA0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至CA=L所需的时间。 解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：?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 ?0.01CAdt试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。

lnk lnk与1/T作图为一直线

1/T