09-10化学反应过程及设备试卷A

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二O0九～ 二O 一O 学年第二学期期末考试
《化学反应过程与设备》试卷A
一、填空题:（每小题1分，共30分）
1.化学反应过程与设备研究的主要目的在于使化工生产中的反应过程最优 化。

2．在-γA =kC a A
C
b B
中，各浓度项上方的指数a 和b 分别是反应对组分A 和
B 的反应级数；这些指数的代数和称为总反应级数。

3．化学反应过程与设备最优化的主要技术目标可以归纳为化学反应的速率最优 、 化学反应的选折性最优 、 能量消耗最低、安全清洁生产。

4．化学反应器有三种操作方式，分别为间歇式、连续式、半间歇半连续式（半连续式。

5．对于一级不可逆反应采用多釜串联全混流反应器时，其最优容积比为为1：1，也就是说，对于一级不可逆反应采用等容积的全混流反应器进行串联操作可使总体积最小但对于二级不可逆反应不适用。

6.连续釜式反应器定常态稳定操作的条件是Qc==Qr 、 dT
dQr
dT dQc >。

7.搅拌设备内流体的流型可以归纳为三种，即轴向流 、径向流、切线流这三种流型不是孤立的，常常同时存在两种或三种流型。

8.工业上较为常用的搅拌器的形式有桨式搅拌器、涡轮式搅拌器 、推进式搅拌器、锚式搅拌器、螺带式和螺杆式搅拌器。

9.具有良好搅拌装置的釜式反应器按理想混合流动（全混流）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理想置换（平推流）反应器处理。

10.对于同一简单反应，在连续操作、相同初始条件下，为达到相同的转化率，理想连续管式操作反应器所需有效体积最小，而理想连续釜式操作反应器所需有效体积为最大。

二、名词解释：（每小题2分，共10分）
1．基元反应：
如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反
应为基元反应。

2．理想混合反应器：
指反应器内的反应流体处于完全混合状态，由于强烈的搅拌作用，在瞬间反应器内物料参数达到完全均一，返混程度达到最大。

3．空隙率：
颗粒物料层中，颗粒与颗粒间的空隙体积与整个颗粒物料层体积之比称为空隙率。

4．返混：
返混又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，逆向是指时间概念上的逆向。

5．装料系数：
设备中物料所占体积即反应器有效体积V R 与设备实际体积即反应器体积V 之比称为转了系数，用符号ϕ表示。

三、选择题。

（每小题3分，共15分）
1.
气相反应CO + 3H 2CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以
1∶2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=A 。

A. –2
B. -1
C. 1
D. 2
2.化学反应速率式为β
αB A C A C C K r =-，如用浓度表示的速率常数为C K ，用压力表示的
速率常数为P K ，则C K =B P K 。

A. )
()(βα+-RT B. )
()(βα+RT C. )
()(βα-RT D. β
α+-)(RT
3.下列属于非均相反应的是D 。

A. 乙酸乙酯水解
B. 氢气燃烧
C. HCl 与NaOH 的中和
D. 催化裂解 4.反应A + B → C ，已知s L mol k ⋅=/1.0，则反应级数n=A 。

A. 0
B. 1
C. 2
D. 3 5.对于D 在恒容反应过程的平均停留时间、反应时间、空时是一致 的。

A. 间歇式反应器
B.全混流反应器
C. 搅拌釜式反应器
D. 平推流管式反应器
题号 一 二 三 四 五 六 七 八 总分 得分
得分 评卷人
得分 评卷人
得分 评卷人
班 级
姓 名
学 号
· · · · · · · · · · 密 · · · · · · · · 封 · · · · · · · · · 线 · · · · · · · · ·
2
四、计算题：（每小题15分，共45分）
1、某一级液相可逆反应R A ⇔,已知0A C =0.5mol/L ，0R C =0。

当此反应在间歇反应器中进行时，经过8分钟后，A 的转化率为33.3％，而平
衡转化率为66.7％，求此反应的动力学方程式。

解：假设动力学方程式为 221215.0)()(k C k k C k C k r A R A A -+=-=- 积分，得
τ)(5.0)(5.0)(ln
212
212
021k k k C k k k C k k A A +=-+-+ ①
平
衡
时
，
有
R A C k C k 21=,
3/20
=A R
C C ,0A R A C C C =+,0A C =0.5mol/L,21k k = ②
②代入①，并代入条件min 8=τ 3/1)1(0=-=A A A x C C ，得 110577.0-=s k 120289.0-=s k
该动力学方程式为R A A C C r 0289.00577.0)(-=-
2、乙酸酐按下式水解为乙酸：(CH 3CO)2O + H 2O--→2CH 3COOH ，实验测定该反应为一级不可逆反应A A kC r =-)(，在288K 时，反应速率常数k 为0.0806min －1。

现设计以理想反应器，每天处理乙酸酐14.4m 3，乙酸的初始浓度0A C 为95mol/m 3，试问（1）当采用连续操作釜式反应器，乙酸酐转化率为90％时，反应器的有效体积是多少？（2）若用连续操作管式反应器，转化率不变，求反应器有效体积。

（3）若先用两个体积相同的连续操作釜式反应器串联操作，使第一釜的转化率为68.4％，第二釜的转化率仍为90％，求反应器总有效体积。

解：已知 L=4m,d s =d p =3mm=3×10-3
m,B ε=0.45,
G=25000Kg/m 2·h=6.94 Kg/m 2·s,μ=1.80×10-5mPa ·s=1.80×10-5 Kg/m ·s
当在Rem>1000的充分湍流区用Ergun 式计算，其结果较安全。

）
）（）（（B
B L ds
m P εερμ-∆13
2 ＝1.75 ∴ P ∆≈1.75（））（（
31B
B ds L εε-2
m
ρμ 假定常压操作，令ρ＝1.25 Kg/m 3
，又G=ρ
m μ
P ∆≈1.75）
）（（
31B
B s d L
εε-2G /ρ ≈1.75））（（
－3
345
.045.011034-⨯(2
94.6/1.25) ≈5.53Kg/cm 2
(P ∆太大,不合理)
若在高压下操作，例如P=10Kg/cm 2,则可设ρ＝12.5 Kg/m 3
,
则 P ∆≈1.75））（（－3
345
.045.011034-⨯(294.6/12.5)＝0.55Kg/cm 2 (此值更合理一些)
3．试计算直径为3mm 、高6mm 的固体粒子的当量直径d V 、d a 、d s 气和形状系数Φs 。

解：根据实测，流化床中单个气泡的平均上升速度u br 可取
u br ＝0.711（gd b ）1/2=0.711(980×8)1/2
＝62.95cm/sec 在u br > u f (= u mf / εmf ),
62.95 > 4/0.50 62.95 > 8 cm/sec
亦即气相中的真实气速时，气泡内外由于气体环流而形成的气泡云变得明显起来，其相对厚度可按下式作近似估算：
f
br f br R R u u u u b
c -+=
2)3
（
cm u u R u u k f
br b
f br c 34.4)
5.0/4(59.62)2/8()5.0/4(259.62)2(333
3
=-⨯+=-+=
气泡云厚度
cm R R b c 34.0434.4=-=-＝δ
得分 评卷人。