化学反应工程试卷及答案

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化学反应工程试卷及答案
一、填空题（共25分,每空1分）
1．化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，
即 ，而且着重研究传递过程对 的影响，研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。

2．反应器按型式来分类可以分为管式反应器、 和 。

3．对于反应D C B A 432+=+，反应物A 的消耗速率表达式为 ；反应产物C 的生成速率表达式为： 。

4．反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、 和 。

5．间歇釜反应器中进行如下反应：
P A → (1) 1
1n A A C k r = 1E S A → (2) 22n
A A C k r = 2E
在Ao C 和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中S p C C /增大，表明活化能1E 与2E 的相对大小为 ；在温度和反应时间保持不变下，增高反应浓度，釜液中S p C C /增大，表明反应级数1n 、2n 的相对大小为 。

6．单位时间内由颗粒外表面传递至气相主体的热量可由牛顿冷却定律表达，其表数学表达式为 。

7．全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为 、 。

8．对催化剂性能影响最大的物理性质主要是 、 和孔体积分布。

9．复合反应包括三个基本反应类型，即并列反应、平行反应和_____________。

10．在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为 。

而停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为 。

11．对于反应级数0<n 的反应，为了降低反应器容积，应选用 反应 器为宜；对于反应级数0>n 的反应，为了降低反应器容积，应选用 反应器为宜。

12．固定床催化反应器主要缺点是 ， 。

13．有效因子物理意义 =η 。

14. 多段绝热式反应器是筒体内放置几次搁板，搁板上放置 ，层与层之间设置气体的 装置。

二、选择题（共20分,每小题2分）
1．对于可逆放热反应，为提高反应速率应( )。

A ．提高压力
B ．降低压力
C ．提高温度
D ．降低温度 2．对于反应sS rR bB aA +→+，则)___(A r r r -=( )。

A. a
r
B. b r
C.r a
D. r a
3． 非等分子反应22222O H N H NO +=+的膨胀因子NO δ等于（ ）
A. 1/2
B. –1
C. –1/2
D. 2 4. 平推流反应器停留时间分布的无因次方差2θσ为（ ）
A. 0.5
B. 2
C. 0
D. 1
5. 多釜串联的反应器，由于釜间无返混，使返混程度减少，当∞
→
N时，多釜串联全混反应器组的操作就相当于 ( )。

A．多釜串联反应器 B. 平推流反应器
C. 全混流反应器
D. 无法确定
6. 等温一级不可逆液相反应，采用下列三种方案进行：
(1)一个间歇反应釜，容积V1(仅考虑反应时间所需)，
(2)一个平推流反应器，容积V2，
(3)二个等体积全混流反应器串联，总容积为V3。

上述三种情况反应温度、物料处理量及转化率均相同，则容积比较为( )
A．V1<V2<V3B．V1=V2<V3
C．V2<V1<V3D．V2<V1=V3
7. 随着流体流量的增加，颗粒受到的曳力也随着增加。

若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这时整个床层称为( )。

A．流化态B．流化床C．固定床D．移动床
８. 对于气液相反应来说，慢反应是指化学反应将在液相主体内发生的，而快反应过程是指反应仅发生在液膜区( )。

A．液相主体，气相主体B．气相主体，液相主体
C．液相主体，液膜区D．液膜区，液相主体
9. 焦姆金吸附模型认为一般吸附活化能随覆盖率的增加而，脱附活化能随覆盖率的增加而 ( )。

A．增大、减小B．减小、增大C．增大、增大D．减小、减小
10.下列关于停留时间分布函数F(t)表述含义正确的是 ( )。

A．表示流过系统的物料中停留时间小于t的流体粒子所占的分率
B.表示流过系统的物料中停留时间大于t的流体粒子所占的分率
C.表示流过系统的物料中停留时间在t和dt
t+之间的流体粒子所占的分率
D.表示流过系统的物料中停留时间为t的流体粒子所占的分率
三、名词解释（共12分,每小题3分）
1．理想置换反应器:
2．体积当量直径：
3．气液相反应过程：
4.浓相段:
四、简答题（共12分,每小题6分）
1．简述反应速率方程的推导过程（步骤）。

2. 简述流化床反应器的特点。

五、计算题（共31分，第1小题11分，第2小题10分，第3
小题10分。

）
1．在K 555及MPa 3.0下，在平推流管式反应器中进行气相反应P A →，已知进料中含A %30（摩尔分数），其余为惰性物料，加料流量为13.6-⋅s mol ，动力学方程式为1327.0--⋅⋅=-s m mol c r A A 为了达到95％转化率，试求：
(1)所需空速为多少? (2)反应器容积大小?
2．有一分解反应
P A →目的产物 A p c k r 1=
S A →目的产物 2
2A S c k r =
其中111-=h k ，11325.1--⋅⋅=h kmol m k ，305-⋅=m kmol c A ，000==S P c c ，体积流率为135-⋅h m ，求转化率为90%时：全混流反应器出口目的产物Ｐ的浓度及所需全混流反应器的体积。

3.在一总长为4m 的填充床中，气体以122500--⋅⋅h m kg 的质量流率通过床层。

床层体安装直径为3mm 的球形催化剂颗粒，空隙率为0.45，气体密度为39.2-⋅m kg ，其粘度为1
1
5
108.1---⋅⋅⨯s m kg 。

求床层的压降。

答案
一、填空题（共25分,每空1分）
1．化学反应动力学、宏观化学反应速率。

2．槽式反应器（釜式反应器）和塔式反应器（先后可以互换） 3．dt dn V r A A 1-
=-、dt
dn V r C
C 1=。

4．物料衡算方程式、热量衡算方程式（先后可以互换） 5．21E E <、21n n >。

6．
)(g S S g T T S a dt
dQ
-=ϕ 7． g r Q Q =、
dT
dQ dT dQ g
r >
8．比表面积、孔体积 9．连串反应或串联反应 10．简单混合、返混 11．全混流、平推流
12．固定床中传热较差，更换催化剂时必须停止生产（或者说更换催化剂麻烦）(前
后都行)
13．反应速率
催化剂内无浓度差时的催化剂内实际反应速率=η
14. 催化剂、冷却（或加热）
二、选择题（共20分,每小题2分）
三、名词解释（共12分,每小题3分）
1．理想置换反应器（平推流反应器）是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，向活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器。

2．体积当量直径：与颗粒具有相同体积的球体的直径称为该颗粒的体积当量直
径
3．气液相反应过程：是指气相中的组分必须进入到液相中才能进行反应的过程。

4. 浓相段:当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度时，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。

(基本点答对就给全分，根据答题情况酌情给分)
四、问答题（共12分,每题6分）
3．简述反应速率方程的推导过程
答：①假定反应机理，即确定反应所经历的步骤；②确定速率控制步骤，该步骤的速率即为反应过程的速率，根据速率控制步骤的类型，写出该步骤的速率方程；③非速率控制步骤均达到平衡。

若为吸附或解析步骤，列出兰格缪尔吸附等温式，若为化学反应，则写出化学平衡式；④利用所列平衡式与1
=+∑
V I θθ，将速率方
程中各种表面浓度变换为气相组分分压的函数，即得所求的反应速率方程。

（每点1.5分，全对6分）。

(基本点答对就给全分，根据答题情况酌情给分)
2. 简述流化床反应器的特点。

（1）颗粒剧烈搅动和混合，整个床层处于等温状态，可在最佳温度点操作； （2）传热强度高，适于强吸热或放热反应过程； (3)颗粒比较细小，有效系数高，可减少催化剂用量； （4）压降恒定，不易受异物堵塞； （5）返混较严重，不适于高转化率过程； （6）为避免沟流、偏流等，对设备精度要求较高。

（每点1分，全对6分）。

(基本点答对就给全分，根据答题情况酌情给分)
五、计算题（共31分，第1题11分，第2题10分，第3题10分。

）
1．在K 555及MPa 3.0下，在平推流管式反应器中进行气相反应P A →，已知进料
中含A %30（摩尔分数），其余为惰性物料，加料流量为13.6-⋅s mol ，动力学方程式为1327.0--⋅⋅=-s m mol c r A A 为了达到95％转化率，试求：
(3)所需空速为多少? (4)反应器容积大小? 解
333
01075.1555314.8103.03.0--⋅⨯=⨯⨯⨯==
m mol RT P c A A ()1R 000
VNO 3
0R 1
11V 95.00A A 95.00A A
A01
330s 131.0075
.11013.015.5553
.015.2730969
.0m 075.110.110969.0s 09.010.11s
10.1195.011ln 27.01127.0d d s m 0969.0300
15.555314.8103.6------=⨯⨯==
=⨯======-=-=-=⋅=⨯⨯⨯=⎰⎰V p p T T V S V V S x x r x c V 标准空速为：
τττ
4．有一分解反应
P A →目的产物 A p c k r 1=
S A →目的产物 2
2A S c k r =
其中111-=h k ，11325.1--⋅⋅=h kmol m k ，305-⋅=m kmol c A ，000==S P c c ，体积流率为135-⋅h m ，求转化率为90%时：全混流反应器出口目的产物Ｐ的浓度及所需全混流反应的体积。

解：全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性 ……1分
分22
211 A
c k c k c k r r p a
S S A A A P
P P +=-==-
分）（）（）
（1]
9.015[5.19.01519.01512
-⨯+-⨯-⨯=
分11.57 =
分257.2)5.05(571.0)(30 --
⋅=-=-=m kmol c c S c A A p P
分3)(7.255
.05.15.01)5.05(5)-(
V V 3
2
00R m r c c A A A =⨯+⨯-⨯=-= 3.在一总长为4m 的填充床中，气体以122500--⋅⋅h m kg 的质量流率通过床层。

床
层体安装直径为3mm 的球形催化剂颗粒，空隙率为0.45，气体密度为39.2-⋅m kg ，其粘度为115108.1---⋅⋅⨯s m kg 。

求床层的压降。

解
()()
21045.01108.136002500
1031Re 5
3B g g
m S m =-⨯⨯
⨯=-=--εμρu d ……3分
Ergun 方程
()()分分4Pa 3296445.045.011039
.29.23600250075.12101503175.1Re 150332
3B
B S g 2
m m =⨯-⨯⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+=∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆-p L d u p εερ。