工大化工原理试卷

2008 /2009学年第 2 学期 化学反应工程 课 B 卷答案

2在一定温度下，有一个一级不可逆连串液相反应A →B →R ，B 为目的产物，两步反应的活化能E 1=80kJ/mol 和E 2=120kJ/mol ，当k 1/k 2=2时，求最佳的反应时间和最大的收率值。若提高目的产物收率值反应温度应如何调节？（10分） 答： 最大的收率值Y=C B /C A0=(k 1/k 2)

k2/(k2-k1)

=2

1/(1-0.5)

=4

此时的最佳时间为tm=ln(k 2/k 1)/(k 2-k 1)

因为E 1=80kJ/mol 小于E 2=120kJ/mol ，若提高目的产物收率，应降低反应温度。 3、在平推流反应器中进行纯丙烷的等压常压气相裂解反应：C 3H 8 →C 2H 4+ CH 4 ,该反应在772℃等温条件下进行，丙烷消耗动力学方程为r A =kC A ，mol/(L.h),k=0.4(h -1),体积进料量为800L/h(772℃,0.1Mpa),当转化率为0.5时需要多大体积的平推流反应器？（10分） 解：；利用一级变容公式：

()()

εετA Af Af A x x k ⋅--+-=1ln 1

式中：膨胀率为1，转化率为0.5，速率常数k=0.4(h -1)，

代入公式得：

空时为2.215小时，平推流反应器的体积为2.215×800=1772L=1.772m 3

8.给出拟均相一维模型的物质衡算和热量衡算的微分方程和数值计算催化剂体积的方法与计算机框图？（10分）

答：物料衡算方程：dl d r dx F t A B A A )4

)(

(20π

ρ= （A ）

热量衡算方程：

()()()s t

pm pm A A B T T d c G Kq

c G H r dl dT --

∆-=4ρ （B ） 计算催化剂体积方法是：用初始值计算入口反应速率，在取微元高度后，认为此段的速率不

变，恒速下用公式（A ）和（B ）计算一段出口转化率和温度，连续取微元高度，前端的出口参数即为下一段的参数，计算出口转化率和温度，以此类推，最后校核转化率和温度符合与否。

第一步，用入口的温度计算入口处的反应速率。第二步，取微小步长Δl ，用第一步的反应速率当Δl 内的常数，用（A ）和（B ）方程联立计算一段出口的转化率和温度。第三步，取同样微小步长Δl ，再用第一段出口的反应速率当二段Δl 内的常数，用（A ）和（B ）方程联立计算二段出口的转化率和温度，以此类推。第四步，比较每步的出口转化率是否大于或等于要求转化率，满足时，计算结束，每步长度的和即为床高，最后的温度与最大耐温值比较应小于催化剂的最大使用温度。第五步，输出每段的反应速率、转化率和温度数值。

2008 /2009学年第 2 学期 化学反应工程 课 A 卷答案

5.试图解说明已知动力学反应的等体积多级釜反应器的设计原理和方法？（20分）

答：利用r i =1/τi C Ai-1-1/τi C Ai

纵坐标为反应速率线r i

横坐标为反应物浓度C A 两釜间的操作线，斜率为负（-1/τi ）

，从第一釜开始向左上方作

直线相交于反应速率线于一点，再从改点向横坐标做垂线交于一点，再从改点起做操作线再交反应速率线于一点，以此类推，当斜率（流量和釜体积）确定后，到出口浓度时交点的个数就为釜数；当釜数先给定后（一般是两个或三个釜串联），试做两条斜线到出口浓度，求其斜率，就可确定给定生产能力V0时釜的体积。

6.给出确定简单反应动力学方程的方法和步骤？（20分）

答：可用间歇反应器来做动力学，也可用全混釜，以间歇反应器为例。

第一步，加入初始浓度的反应物，升温搅拌，计时间，在一定时间下取样，用色谱分析样品；

第二步，做浓度与时间的曲线；

第三步，确定数学方法，积分法和微分法，可积分的整级数用积分法较好，准确，不能积分的用微分法；

第四步，对于积分法要对积分后的方程线性化，代入数据验证假设是否符合直线，否则重新假设；对于微分法要求不同时间下的浓度与时间的曲线斜率，对于速率方程取对数线性化，代入反应速率与时间数据，可直接利用直线的斜率和截距确定级数和速率常数。

2009 /2010学年第 2 学期化学反应工程课 A卷答案

1、醋酸和乙醇的反应为二级反应，在间歇反应器中进行，5min转化率可达50%，问转化

率75%需要增加多少时间。（10分）

答：因为，k t C

A0=x

A

/ (1- x

A

)

所以，5kC

A0

=0.5/(1-0.5)=1

k t C

A0

=0.75/(1-0.75)=3

因此，转化率75%需要时间为5/ t =1/3 ， t =15min

需增加15-5=10分

2009 /2010学年第 2 学期化学反应工程课 B答案

1、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？（10分）

答：因为，k t C

A0=x

A

/ (1- x

A

)

所以，5kC

A0

=0.5/(1-0.5)=1

k t C

A0

=0.75/(1-0.75)=3

因此，转化率75%需要时间为5/ t =1/3 ， t =15min

需增加15-5=10分

2．某反应的活化能为70000J/mol，在其它条件不变时，问650℃的反应速度要比500℃时快多少？（10分）

答：r2(650)/ r1(500)=k2(600)/ k1(500)=exp[E(T2-T1)/RT1T2]

= exp[70000 J/mol (650-500)K/8.314 J/mol K*500*650K2]

=48.7倍

3、在全混釜中进行液相均相反应：

A+B→R(目的) r R=1.6C A kmol/(m3h (4×5=20分)