化学反应工程简答题答案——期末考试资料文档

化学反应工程(II) 简答题
1、对于下图所示的典型化学加工过程：化学反应工程的主要研究对象是什么？运用化学反应工程的有关
知识，我们至少可以完成哪些工作？
答：化学反应工程学是一门研究化学反应、工程问题的科学。

既以化学反应作为对象，就必然要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。

从图中化学反应工程的主要研究对象是第②部分物质转化，是生产或加工过程的核心。

运用化学反应工程知识，我们至少可以完成以下三方面的工作：①提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期，降低开发成本，提高工作效率；②对现有反应装置进行性能评价，对其操作工况进行模拟和优化，提高设备效率；③开发环境友好的绿色生产路线和工艺。

2、从学科建立至今，化学反应工程主要包括哪几个发展阶段？各阶段的主要特点(标志)是什么？
答：从学科建立至今，化学反应工程各发展阶段、标志性成果如下：
30年代(萌芽阶段)：深刻认识到扩散、流体流动和传递现象对反应过程的影响；
40年代(系统化):《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散与传热》出版，对学科形成奠定了基础；50年代(学科确立)：学科确立，学科第一次国际性学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语；
60年代(学科大发展)：石油化工的发展要求生产规模的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结合，产品研发周期缩短；
80年代初到90年代中(学科交叉和新技术运用)：计算机和微电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题。

通过与其它学科的交驻形成了一系列新的交叉学科。

此外，反应与分离过程的结合出现了多功能反应器；
90年代后：环境保护意识的深厚感情对化学反应工程学科提出了新的要求、新的环境友好、原子经济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献。

3、什么叫均相反应？均相反应动力学是做什么用的？其研究的最终目标是什么？
答：参与反应的各物质均处于同一个相内，所有的化学反应均在同一个相内进行，这样的化学反应称为均相反应。

均相反应属于最常见、最简单的化学反应。

均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，最终目标是确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。

4、化学计量方程表达了哪些信息？化学计量方程与化学动力学方程之间存在怎样的辨证关系？
答：表示各反应物与生成物在反应过程中量的变化关系的方程。

如氨合成反应 N2 + 3H2 = 2NH3它表明：每反应掉一个摩尔的N2将同时反应掉三个摩尔的H2，并生成两个摩尔的NH3。

通常把反应物的计量系数定为负数，反应产物的计量系数定为正值。

此处必须着重指出的是：
(1)化学计量方程仅是表示由于反应而引起的各个参予反应的物质之间量的变化关系，计量方程本身与反应的实际历程无关。

(2)对化学计量方程乘以一个非零的系数后，可得到一个新的化学计量方程，但不会改变各个反应组份之
间量的变化关系。

为了消除计量系数在数值上的这种不确定性，规定在化学计量方程的计量系数须为正整数，且它们之间不应含有除1以外的其余任何公因子。

(3)只用一个计量方程即可唯一地给出各反应组份之间量的变化关系的反应体系，称之为单一反应；而必须用两个(或更多)计量方程方能确定各反应组份在反应时量的变化关系的反应，则称为复合反应。

5、化学计量系数矩阵法的理论依据是什么？主要用于解决哪些问题？试简述其解题步骤。

答：如果能将反应组分间可能存在的化学反应写出，则可以由化学计量系数矩阵法确定独立反应数。

其理论依据为：设反应物系中n 个组分之间可能进行的m 个化学反应，由线性代数知识可知m 个化学反应即为m 个线性方程，m 个线性方程中线性无关的方程数即独立反应数等于其化学计量系数矩阵的秩。

解题步骤：写出上述反应体系的化学反应计量系数矩阵，然后进行线性变换，确定其秩，即为独立反应数。

6、原子矩阵法的理论依据是什么？适用于哪种场合？试简述其解题步骤。

答：原子矩阵法的理论基础是：在封闭系统中发生的化学反应，虽有各元素的重新组合，但反应过程中每一种元素的原子数目不会改变(恒定)，可进行原子衡算。

反应体系中存在哪些化学反应以及这些化学反应的计量方程不甚清楚时，化学反应计量系数矩阵法就无能为力了。

原子矩阵法只需知道反应体系存在哪些组分。

原子矩阵法确定独立反应可按以下步骤进行：
①列出n 个组分的原子矩阵，求原子矩阵的秩R β。

相应关键组分数或独立反应数为(n - R β)。

②确定关键组分和非关键组分时，应使非关键组分所包含的元素不少于R β个。

③计算每个独立反应的化学计量系数。

7、膨胀因子的物理意义是什么？简述膨胀因子为正、负和零的含义。

膨胀因子的引入，为求解哪类问题提供了便利？
答：定义δK 为化学反应体系对于着眼组份K 的膨胀因子，其物理意义是：每反应掉一个摩尔的组份K 所引起反应物系总摩尔数的变化量。

对于气相化学反应来说，根据状态方程，在一定温度、压力条件下，其摩尔数与体积、分压等参数密切相关。

因此，有必要关注反应前后分子数目的变化情况：当计量方程中计量系数的代数和等于零时(∑ai = 0)，这种反应称为等分子反应，否则称为非等分子反应。

对于求解反应物系体积前后有变化，能给反应速率带来影响的气相反应有帮助。

δ>0 物质的量增加的反应，反应体积增加。

δ<0 物质的量减少的反应，反应体积减小。

δ=0 物质的量不变的反应，反应体积不变。

9、选择性、收率和转化率的物理意义是什么？
答：选择性定义为：转化为目的产物的关键组分量占已转化的关键组分量的比率。

反应选择性说明了主副
反应进行程度的相对大小：
已转化的关键组分量
组分量转化为目的产物的关键=S
收率Y R 是指在反应过程中，由单位原料i 所生成的产物R 的量，是针对反应产率而言的，表达为按化学计量学最大可能生成量的分率，其定义式为： 转化率是一个表示化学反应进行程度的普遍使用的量，是指在给定反应时间内某一反应物转化的百分
率或分率，是针对反应物而言的。

Y=SX
10、简述化学反应速率的定义。

化学反应速率的值可以为正、负或零么？它与化学计量方程具有怎样的关系？
答：对于均相反应，常用单位时间、单位反应容积内着眼点组份(或称关键组份)K 的物质量(摩尔数)变化来定义K 组份的化学反应速率。

因此，对于由下列化学计量方程所示的化学反应：a A A + a B B = a S S + a R R 各组份的反应速率可写成： 在反应物的速率前应冠以负号，避免反应速率出现负值。

各反应组份的反应速率之间应具有如下关系：
11、反应级数可以为正、负或零么？反应级数最高可以达到多少？反应级数越高，反应速率越大，对不？为什么？
答：例如，由化学计量方程式(a A A + a B B = a S S + a R R)所示的化学反应，如果它是不可逆反应，则可用下式来表示反应物A 的反应速率： 幂函数型反应速率方程中，各浓度项上方的指数a 和b 分别是反应对组份A 和B 的反应级数；这些指数的代数和(a + b)称为总反应级数。

由于反应级数是由实验获得的经验值，所以只能在获得其值的实验条件范围内加以应用；它们在数值上可以是整数或分数，亦可以是负数，但总反应级数在数值上很少达到3，更不可能大于3。

反应级数不能独立地预示化学反应速率的大小，它只是表明化学反应速率对各组份浓度的敏感程度。

a 和b 值越大，则A 的浓度和B 的浓度对化学反应速率的影响也越大。

12、化学反应速率的表达形式主要分哪两类？各有什么特点？所谓n 级反应，其反应速率表达式怎样？属于哪类表达形式？
答：通常用于均相反应的速率方程有两类：双曲函数型和幂函数型。

双曲型速率式通常是由所设定的化学反应机理推导出来的。

幂函数型速度方程则是直接由质量作用定律出发推导出来的，是最简单、实用的化学反应速率表达形式。

对于n 级反应，例如，由化学计量方程式(a A A + a B B = a S S + a R R)所示的化学反应，如果它是不可逆反应，则可用下式来表示反应物A 的反应速率： 且有a+b=n ，属于幂函数型速率方程。

13、化学反应速率常数k 是常数吗？试写出Arrhenius 方程，并说明各变量的含义。

答：化学反应速度常数K 不是常数，与温度、压催化剂及其浓度或所用溶剂有关。

在催化剂、溶剂等影响因素固定时，k(包括k C 和k P )就仅是反应温度的函数，并遵循阿累尼乌斯(Arrhenius)方程。

即： R i i R R R a a n n n Y 00-=
该反应物的起始量
某一反应物的转化量=X Vdt dn r A
A -=-Vdt dn r B
B -=-Vdt dn r S
S =Vdt
dn r R
R =S
S R R B B A A a r a r a r a r ==-=-b B
a A C A C C k r =-⎫⎛E
b B
a A C A C C k r =-
式中，k 0称为指前因子或频率因子；E 为反应的活化能，因次为J/mol ；R 为通用气体常数
(R= 8.314J/mol·k)。

严格地说，频率因子k 0也是温度的函数，它与T n 成正比，但它较之于 而言，其受温度的影响就较不显著了，可以近似地看成是与温度无关的常数。

14、建立反应机理式和推导化学反应速率方程时常采用哪些基本假定？
答：在建立反应机理式和推导速率方程时常采用下述一些基本假定：
(1)基元反应假定
假定反应实际上是由一系列反应步骤依次地进行，并最后获得其反应产物，而组成反应机理的每一步反应均为基元反应，可以直接用质量作用定律来确定它们的速率。

(2)速控步假设
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它基元反应慢得多，则它就成为整个反应的速率控制步骤(速控步或决速步)，它的反应速率即代表整个反应的速率。

其它的各基元反应因其速率较快，而视为处于“拟平衡态”。

(3)稳态近似法假设
当构成反应机理的诸个基元反应的速率具有相同数量级时，即不存在速率控制步骤时，可假定所有各步基元反应都处于“拟定常态”。

即假定在构成机理式的诸基元反应中所构成的中间产物的浓度在整个反应过程中恒定。

15、反应机理式确立后，化学反应速率方程也随之确定；化学反应速率方程确立后，反应机理式也随之确定。

这种观点对吗？
答：反应机理式确立后，化学反应速率方程也随之确定；
但是化学反应速率方程确立后，反应机理式还不能确定。

实际反应历程可能是相当复杂的，它可能由一系列依次进行的反应步骤所构成。

化学反应机理并不总是凭空想出来的，也不是先有一套设想再逐步验证的，而是要首先掌握足够的实验实据(数据和资料)，从实验中找出反应速率与浓度的关系，确定反应级数、活化能，以及判定在分解过程中是否有自由基的存在，然后根据这些事实来考虑其历程。

一个反应可能同时有几个机理能满意地拟合数据，反应机理的推理和拟定的步骤：(1)初步的观察和分析，然后进行系统实验；(2)收集定量化数据；(3)拟定反应机理。

16、什么叫简单反应？什么叫复杂反应？如何确定(即通过什么方法)复杂反应的计量方程？
答：只需要用一个独立的化学计量方程就可以描述的反应为简单反应；需要用两个或两个以上独立的化学计量方程来描述的反应即为复合反应。

确定复杂反应的计量方程的方法有原子矩阵法。

17、什么叫平行反应？什么叫串联反应？试简要说明平行反应和串联反应的优化战略。

答：如果几个反应都是从相同的反应物按各自的化学计量关系同时地发生反应，则称为平行反应，可用下
⎪⎭
⎫ ⎝⎛-RT E exp
式表示：A → P ，A →S
，优化战略：
（1） 不可逆平行反应
a ． 平行进行的各反应具有相同的反应级数时A→P （主），A →S （副）
反应的选择性与组分的浓度无关，而仅仅是反应温度的函数。

若主反应的活化能E 1大于副反应的活化能E 2，提高反应温度将有利于提高反应产物的收率和选择性；如果是催化反应，反应速率常数k1及k2还与催化剂有关，所以选择合适的催化剂使主反应的反应速率加快是改善反应选择性的重要手段之一。

b.平行进行的各反应反应级数不同时A→P(主，二级不可逆反应)，A →S （副，一级不可逆反应） C A0愈高，对产物P 的选择愈有利；
若E 1＞E 2，反应温度应尽可能高，对产物P 的选择愈有利；若E 1＜E 2，则温度应尽可能低。

（2）可逆平行反应A ≒P （主），A ≒S （副）
如果几个反应是一次发生地，即前一反应的产物正是后一反应的反应物，这样的复合反应称为串联反应，如下式表示：A →P →S ，优化战略：
以A→P→S （均为一级反应）为例，若目的产物是S ，则只要提高温度便能达到目的；若目的产物是P ，在k 2/ k 1≠1时，应尽可能降低k 2/ k 1的值。

总之，应根据不同的目的产物以及主副反应活化能的相对大小来确定适宜的操作温度。

18、对于已知的动力学方程，常用什么方法确定有关各动力学参数？试结合动力学方程
s S r R 'a A A A C C k kC dt
dC )r (-=-=-进行论述。

A ≒R+S 答：如果正、逆两向反应的级数未知，为了确定其反应级数(及其他动力学参数)，常可采用初始速率法来求得。

实验步骤如下：
(i)在C R0 = C S0 = 0的情况下，改变C A0来测定正向反应的初始速率(-r A )0，因为在这个实验中产物R 和S 的量甚少，逆反应可以忽略。

所以： 根据上式应用前述处理不可逆反应的方法来求得组分A 的反应级数a 和速率常数k(瞬间测速技术)。

(ii)在C A0 = 0及C S 大大过量(相对于C R0) 的情况下，实验过程C S 可视为恒定(等于C S0)，通过改变C R0可求得反应的初始速率。

(iii)同理，在C A0 = 0及C R 大大过量的情况下，实验过程通过改变C S0可求得对应的初始反应速率，进而可求出反应级数s 及速率常数k’。

19、反应器的研究与开发是化学反应工程的核心环节，其基本任务包含哪四个方面内容？
答：反应器的研究与开发是化学反应工程的核心环节，大致包含以下四个基本任务：(1)根据化学反应的动力学特性，选择合适的反应器型式；(2)结合动力学和反应器两方面特性，确定操作方式，优化操作条件；(3)根据给定的产量对反应装置进行优化设计和计算，确定反应器的几何尺寸，并进行必要的经济分析与评价；(4)环境效益评价，实现可持续发展。

20、按投料方式划分，反应器的主要操作模式有哪些？各有什么特点？分别适用哪些场合使用？
()a A A A kC dt
dC r 00=-
=-
答：（1）分批(或称间歇)式操作：是指反应物料全部一次性投入反应器后开始反应，经一定时间后将反应混合物全部取出的操作方式。

用于非产生性的操作时间长，产物的损失和控制费用较大。

（2）连续式操作：反应原料从反应器的入口处连续供给，在出口处连续取出产品的操作方法。

（3）半分批(或称半连续)式操作：反应器中有一些物料是分批地加入或取出的，而另一些则是连续地通过的操作方式。

能够控制反应速率以调控反应的热效应，以便于温度控制，或是有目的地抑制某一反应速率，以期改善反应的产物分布。

对于精细化学品和药物的生产，由于产品的产量小，品种多，一般采用间歇或半连续操作方式。

产品品种比较单一而产量较大，如合成氨、尿素、乙烯等过程装置，基本上都通过连续式操作实现大规模生产。

21、理想反应器包括哪些形式？各有什么显著特点？
答：通常所指两种具有极端流动状况的理想反应器是指：理想混合反应器(又称完全混合反应器)和平推流反应器(又称活塞流反应器或挤出流反应器)。

所谓完全混合反应器是指反应器内的反应流体处于完全混合状态，并意味着反应流体在反应器内的混合是瞬间完成的，反应流体之间进行混合所需的时间可忽略不计。

所以，反应器内的物料具有完全相同的温度和浓度，且等于反应器出口物料的温度和浓度。

换言之，理想混合反应器内的返混为无限大。

所谓平推流反应器是指反应器内反应物料以相同的流速和一致的方向移动，完全不存在具有不同停留时间的物料发生混合(返混为零)，所有物料在反应器内具有相同的停留时间。