带参考答案的反应工程复习题

反应工程复习大纲第一部分：反应工程课程中重要的概念（要求能够理解这些重要概念）化学反应速率：单位时间，单位体积的反应区域，组分A的摩尔量的变化。

注意：不管是反应物还是产物，其反应速率永远为正值。

活化能和反应级数：把一摩尔反应物分子激发到可以反应所需要的能量称为活化能，活化能是反应速率对温度的敏感程度的标志。

反应速率与反应物浓度的关系指数为反应级数。

反应级数是反应速率对浓度的敏感程度的标志。

反应时间：从反应开始到反应结束所经历的时间，用于间歇反应器中。

空时：反应器的反应体积与反应器进口物料的体积流量的比值。

用于连续操作的反应器。

反应动力学：研究化学反应速率与反应物浓度，反应温度和催化剂等因素之间的关系，并用某一数学表达式加以定量描述。

宏观动力学与微观动力学：微观动力学只研究化学反应自身的速率，而宏观动力学除了研究反应自身的速率，还研究反应器内部的扩散和传热过程，对化学反应速率的影响。

工业反应器规模较大时，内部除了发生化学反应，极有可能还存在扩散和传热过程，故设计时应使用宏观动力学方程进行设计。

关键组分：指反应物中不过量的以及价格高的组分。

计算的时候，当反应物有多个的时候，通常用关键组分进行计算。

计算的第一步要确定关键组分。

平推流PR与全混流MR（具体见问答题1）理想的间歇反应釜BR（具体见问答题1）间歇和连续：若反应器是按照批次进行生产，则称谓间歇。

间歇操作通常只在小规模的精细化工生产中使用。

若反应器是连续进料和连续出料，则称为连续。

大规模的化工产品的生产均使用连续操作。

如果一种反应物是间歇，另一种反应物是连续流动，则称为半间歇或者半连续。

反应釜和管式反应器：两种反应器的区别在于外形和构造上的差异。

反应釜的高度和直径大致相等，中间带有搅拌装置。

管式反应器则外观比较细长，长度（或高度）远大于直径。

停留时间：物料粒子从进反应器开始，到流出反应器为止，所经历的时间称为停留时间。

或者称为粒子的寿命。

年龄：表示反应器中的粒子，从进反应器开始到现在，所经历的时间。

所以粒子的年龄大小，处决于进反应器的时间。

先进反应器的粒子是年龄大的，高浓度的反应物粒子，而后进反应器的粒子是年龄小的，低浓度的反应物粒子返混：年龄不同的粒子的混合称为返混。

或者说不同时刻进入反应器的粒子的混合称为返混。

两个定义是等同的。

返混造成了两个现象：反应物浓度下降和停留时间的分布。

停留时间分布函数和停留时间分布密度函数（具体见问答题3）宏观流体（离析流）和微观流体（具体答案见问答题9）反应器的热稳定性：指反应器抵抗外界瞬间干扰的能力，如果反应器受到这种瞬间的扰动后，还能重新回到原来的操作状态，则称其为热稳定的。

反应器的定态（稳态）：如果反应器中，任意一点的浓度和温度均不随时间发生变化，则称反应器达到了定态（稳态）。

如果不特别声明，教材上所有的连续反应器，只讨论定态的情况。

注意：在测定停留时间分布的示踪实验中，示踪剂在连续反应器内，不一定是定态。

比如在阶跃法中，示踪剂流体驱赶反应器内主流体的过程，是有示踪剂累积的，因为反应器内示踪剂流体是在逐渐增多的，示踪剂浓度随时间延长而增大，必然不属于定态。

同时由于示踪剂是惰性的，所以此时有累积无反应。

第二部分：反应工程课程中的重要计算公式（1）关于转化率，收率和选择性的计算。

转化率A x :反应掉的反应物A 的摩尔数，与反应物A 的初始摩尔数之间的比值。

选择性β：生成目标产物消耗的A 的摩尔数，与反应掉的A 的摩尔数之间的比值。

收率Ψ：生成目标产物消耗的A 的摩尔数，与反应物A 的初始摩尔数之间的比值。

注：收率在不同的教材上，有不同的定义。

在考试中，我们暂且使用这一定义。

显然，对于带有副反应的反应体系，选择性和收率越高越好。

（2）BR 即理想间歇反应器的计算公式()()⎰⎰-=-=000 A Af f A C C A A x A A A r dC r dx C t这个公式表示在BR 中，反应物达到一定的转化率A x ，或者最终浓度A C ，与反应时间t 之间的关系。

对简单级数的反应，积分结果有如下规律：一级反应，反应物浓度随时间呈指数型下降零级反应，反应物浓度随时间呈直线型下降二级反应，反应物浓度随时间呈双曲函数一支下降。

对于复杂反应动力学，则积分计算比较复杂，可以参看后面的计算题中比较复杂的动力学。

(3)PR 即平推流反应器的计算公式，在某些教材中，也叫PFR()()⎰⎰-=-==0000 A Af f A C C A A x A A A r dC r dx C v V （恒容时）τ 这个公式表示在PR 中，反应物达到一定的转化率，或者最终浓度，与空时τ之间的关系。

进而可以求取平推流反应器的反应体积V这个计算公式，与BR 的计算公式有惊人的相似！只需要把BR 的反应时间t 换成τ所以在恒容的情况下，与BR 有同样的表达式变容时，浓度的表达式和恒容不一样，则不可套用BR 的公式，因为BR 内的反应通常是恒容的反应，具体变容和恒容有何不同，可看后面的计算题。

（4）MR 即全混流反应器，在某些教材中也叫CSTR()()A A A A A A r x C r C C v V -=--==000 τ全混流反应器内部，反应物的浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口对应组分的浓度和温度。

所以全混流反应器内物料的浓度和温度既不随时间而变，也不随位置而变，称为微分反应器。

因而其计算公式中，不出现任何的积分和微分。

为代数计算。

三种理想反应器的计算公式，全部来源于一个物料衡算式，即：流入=流出+反应消耗+累积对BR ，对整个有反应发生的区域进行衡算，没有流入和流出，反应消耗=累积的量的负值 对PR ，取一个径向的小微元进行衡算，定态，没有累积对MR ，取整个有反应发生的区域进行衡算，定态，没有累积学会从这个大的物料衡算式开始，推导出所有的公式。

（5）停留时间分布的计算脉冲法：在反应器进口输入一个脉冲信号首先得到000000000()()()()()(=()()()()tC t tt tC t tC t tC t dt t tE t dt C t dt C t t t C t C t ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∆∆====∆∆∑∑∑⎰⎰⎰∑∑∑若时间间隔都相等）22222220000022222()()()(()()==0=1t t t C t t t C t t E t dt t t t C t t C t tθθθσσσσσ∞∞∞∞∞∆=-=-=-∆∑∑⎰∑∑若时间间隔都相等）平推流全混流阶跃法：在反应器进口输入一个阶跃信号，首先得到 0()()()C t E t C t dt∞=⎰0()()C t F t C =第三部分：反应工程复习题一. 填空题（10题）1.化学反应速率可以表为()A A dC r dt-=-前提是▁▁▁▁。

（反应体积恒定 考点：反应速率的定义，恒容） 2.化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。

（间歇操作、连续操作、半间歇操作）（理解连续与间歇）3. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。

（a p ）（考点：任何一个化学反应，反应物之间或者反应物和产物之间的反应速率速率之比，等于其化学计量系数之比，反应物加绝对值，是因为我们认为反应物的化学计量系数为负，产物为正）4化学反应速率式为βαB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。

（)()(βα+RT ）（以浓度表示的速率常数与分压速率常数的换算关系） 5在构成反应机理的诸个基元反应中，如果有一个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，该步骤的反应速率即代表整个反应的速率，这一步称为_______，其他基元反应可视为处于_______。

（速率控制步骤，拟平衡态）（考点：理解拟平衡态、速率控制步骤的定义）6如果平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性应_______。

(提高温度)（考点：主反应活化能大于副反应活化能，升温提高选择性，反之则反，还应注意主反应级数高于副反应级数时应采用高浓度操作，对应应该采用什么样的加料方式或什么类型的反应器？）7一级连串反应A S P 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应______12/k k ，对于上述连串反应，反应物A 的浓度越高，则反应的选择性越______。

（降低，高）（考点：提高连串反应选择性的途径。

因为提高第一步的反应速率有利于提高反应的选择性，所以高浓度的A 是有利的。

第一步越快，第二步越慢，则选择性越高）8气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。

物理吸附的吸附热要_______化学吸附热，物理吸附是_______分子层吸附，而化学吸附是_______分子层吸附（范德华力、化学键力、小于、多、单）（考点：比较物理和化学吸附的区别，包括结合力）吸附层数，吸附热等区别） 9气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体饱和吸附量与吸附压力（或吸附物质在气相中浓度）的关系式称为_______。

（吸附等温方程）（吸附等温式的定义，注意是饱和吸附量）10.在轴扩散模型中，彼克莱准数=e P _______，（uL De）Pe 很大时，即扩散系数相对非常小，反应器中物料的流动形态接近______。

（平推流或活塞流）（考点：要深刻理解轴扩散模型的特点，在轴扩散模型中，把返混这种现象，看成了与流动方向相反的一个扩散，其它特征与平推流相同，唯一多出一个与流动方向相反的扩散作为返混，其中De 代表扩散系数，u 为流速，L 为管长）11.在轴扩散模型中，彼克莱准数愈大轴向返混程度就_______。

（愈小）（深刻理解彼可莱准数的意义） 12对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当孔径较大时，扩散阻力是由分子间碰撞所致，这种扩散通常称为_______。

[分子扩散（容积扩散）]13对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约0.1um 时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素，这种扩散称为_______。

（努森扩散）14气—固相催化反应的西勒模数=_______，它是表征内扩散影响的重要参数，其中L 定义为_______。

（（西勒模数的定义，含义，表达了什么？并且注意与坦克莱准数进行深刻对比，记住球形和圆柱形催化剂颗粒的特征长度各为多少）15. 工业催化剂的三个要求是：_______、_______、_______。

（活性好、选择性高、寿命长）16具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。