(完整word版)化学反应工程-模拟题一及答案

中国石油大学(北京）远程教育学院
模 拟 考 试 卷
化学反应工程 试卷A (开卷）答案
一、在体积为2.5m 3的理想BR 反应器中进行液相等温一级基元反应A P →，
k ＝2.78×10-3 s —1，进口摩尔流率F A0＝11。

4 mol/s ，反应物A 初始浓度04/A C mol L =，求： （1）当反应器中A 的转化率为80％，求所需的时间?（6分）
（2）若将反应移到CSTR 中进行,其它条件不变，求所需反应器体积？（6分） （3）若将反应移到PFR 中进行，其它条件不变,求所需反应器体积？(6分） 解:
（1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：
31111ln ln 579()1 2.78*1010.8
t s k x -=
==-- （2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：
003
011.40.8
4100.7()(1) 2.78104(10.8)
-⨯=
===--⨯⨯⨯-A A A A A A A F X F X V L r kC X （3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：
003
0111.4
ln ln51650()(1)(1) 2.78104
-=====---⨯⨯⎰
⎰
A
A
X X A A A A A A A A A A dX F
dX F V F L r kC X kC X
二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：C B A →+2，该反应对A 和B 均是一级.反应器的入口体积流率为2.5L/min ，进料为等摩尔的组分A 和B 。

入口温度和压力分别是727℃和10atm.在此温度下的反应速率常数k ＝4L/mol ·min 。

求： （1）反应器入口处（即X A =0时)A 的浓度？ （4分） （2）反应器入口处（即X A =0时）的反应速率？（4分) （3）当A 的转化率为40％时的浓度？(4分） （4)当A 的转化率为40％时的反应速率？（6分）
解：对于反应C B A →+2,2211-=--=δ
入口处：F A0＝F B0,则y A0＝0.5，所以10-=⨯=δεA y （1）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为:
A0A0y P 0.510atm
C 0.061(mol /L)RT 0.082(L atm /mol K)(727273)K
⨯=
==⋅⋅⨯+ （2)入口处的反应速率：
223
A A0B0A0r kC C kC 40.0610.061 1.4910(mol /dm L)--===⨯⨯=⨯⋅
(3）当A 的转化率为40%时A 的浓度为：
A A0A0A01X 1X C C C C 0.061(mol /L)1X 1X --⎛⎫⎛⎫==== ⎪ ⎪+ε-⎝⎭⎝⎭
（4)当A 的转化率为40%时B 的浓度为：
B B A0A0A0b 2X 1X 12X 10.8a 1
C C C C 0.0610.0203(mol /L)1X 1X 1X 10.4⎛⎫⎛⎫Θ-- ⎪ ⎪--⎛⎫====⨯= ⎪ ⎪ ⎪
+ε---⎝⎭ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
3A A B r kC C 40.0610.0203 4.9610(mol /L min)--==⨯⨯=⨯⋅
三、有如下平行反应：
3.01B A P C C k r =，8
.15.02B A S C C k r =,其中121==k k ，
(1)当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /2000==，A 和B 均从反应器入口加入,计算A 的转化率为0.9时的瞬时选择性。

(6分）
（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？（8分） 解：根据瞬时选择性的定义：5
.15.08.13.05.012
1---===
B A B A S P
C C C C k k r r S （1）由于A 和B 的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程中C A ＝C B ,
B
A +)
(P 主反应)
(S 副反应
当A 的转化率为0.9，选瞬时选择性A C S /1=，C A ＝C A0（1—0.9)＝2mol/l ，S ＝0.5； 当A 的转化率为0.5,选瞬时选择性A C S =,C A ＝C A0（1-0。

5）＝7。

5mol/l ，S ＝C A ＝7。

5； 当A 的转化率为0.8，选瞬时选择性A
0.9S C =，C A ＝C A0(1—0。

8）＝1.36mol/l,S ＝1。

32；
（2）由于5
.15.0-=B A C C S ,所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使A 的浓度尽可能高，而
B 的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法： ·用管式反应器，连续将B 注入反应器
·用一系列的CSTR 反应器串联,在第一个反应器中注入A ，在每一个反应器中注入B ，这样进入下一个反应器之前B 基本反应完。

四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中,哪些点是稳定操作点,哪些点是不稳定操作点,并分析其原因?（12分）
解:
(1）在同一操作条件下,反应器可能存在多个定常操作态，即反应器既可能在低温、低转化率下操作,也可能在高温、高转化率下操作，还可能在中等温度、中等转化率下操作，这种现象称为
R(T),G(T)
多态现象.(4分）
（2）对于C点，体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量小于移热速率随温升的增量,体系内生成热量少，移出热量多,温度下降，重新回到C点。

如果体系温度稍微降低，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多，移出热量少，温度升高,重新回到C点。

所以在C点，温度略升、略降,系统自动恢复到原来的热平衡状态，所以C点属于稳态操作点.（3分）
(3)对于B点，如果体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多,移出热量少，体系温度持续升高,直到到达C点；如果体系温度稍微降低，体系内移出热量多，生成热量少，体系温度持续下降，直到到达A点。

所以，在B 点,温度稍微的变化，系统不能恢复到原来的热平衡状态,B点为不稳定操作点。

（3分）
（4）对于A点，变化情况同C点,在A点,温度略升、略降，系统自动恢复到原来的热平衡状态,所以A点属于稳态操作点。

（2分）
五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A→P,当空时为25min时,A的转化率达62％。

将反应器放大进行中试,反应器型式为管式，其停留时间分布的实测结果如表所示，反应器的平均停留时间为43 min，方差为233min2。

求（1）停留时间小于40 min的物料所占的分率约为多少？(6分）
（2）在与小试相同的温度及空时下操作，分别采用多釜串联模型预测反应器出口A的转化率.（12分）
解：（1) 40
10
()(04*02*0.006934*0.030.0283)0.54 3
E t dt=++++=
⎰
停留时间小于平均停留时间的物料所占的分率约为0.54。

（2）多釜串联模型
首先根据实验室结果求出操作温度下的反应速率常数值。

对于一级反应:1k X k τ
τ
=
+ 10.62
0.06526min (1)(10.62)*25
x k x τ-=
==--
222
1
43*43
7.94233
t
m
t n σσΘ
=
=
=
= 7.94
11
110.91(1)(143*0.06526/7.94)n
i X k τ=-
=-
=++
六、用直径为1mm 的球形颗粒进行一级不可逆反应P A →，气流主体中A 的浓度为40mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝400kmol/(m 3.h ），组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.002778 cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝50m/h 。

请问：
(1）外扩散对反应过程是否有影响？如果有影响,求外扩散有效因子。

（4分） （2）内扩散对反应过程是否有影响?如果有影响，求内扩散有效因子。

（10分） （3）当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？（6分） 解：（1）由Mears 判据得：
15.01.0)
/(04.0)/(501
)(001.021
))./((400)(33<=⨯⨯⨯⨯=-m km ol h m m h m km ol C k Rn r AG G obs A 可见外扩散无影响。

(2)由Weisz —Prater 判据得：
由于外扩散无影响，所以C AS ＝C AG
()15.2)
/(04.0)/(001.0))(001.021
())./((4003
22
32
21>=⨯⨯⨯=-==m km ol h m m h m km ol C D R obs r C As e A WP
ηφ 可见内扩散有影响。

()1coth 3
112
1
-=
φφφη
21 2.5ηφ＝
计算得：1 1.72φ＝，0.845η＝
可见，当颗粒粒径为1mm 时内扩散有效因子为0。

845。

（3）当0.95η≥时，内扩散基本消除
当'0.95η＝，1
'0.9φ＝
''
11R R
φφ＝，'1*0.90.521.72R mm =
= 可见,当颗粒粒径为0。

52mm 时才能基本消除内扩散阻力.
七、 学完《化学反应工程》这门课后,你认为该门课在实际工业生产中将起到什么作用？（9分） 答:通过本课程的学习，我们了解了化学反应工程是研究化学反应的工程问题的科学，它研究工业化学反应器的基本原理,对反应器中所进行的化学反应过程特征进行分析，结合具体的反应装置,综合研究反应器中的反应过程和物理传递过程。

因此，该门课在实际工业生产中，可为正确选择反应器的型式和确定最经济的工艺路线和操作条件，对反应器进行最佳设计和最优控制，以及为工业反应过程的开发和反应器的放大提供技术依据.。