化学反应工程期末自测试卷5

化学反应工程期末自测试卷
( 5 )
科目:化学反应工程适用对象:化学工程与工艺本科
2004-7-6
I.填空题
1.(1)
在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。

2.(2)
生成主产物的反应称为_______，其它的均为_______。

3.(1)
一个可逆的均相化学反应，如果正、逆两向反应级数为未知时，采用______________法来求反应级数。

4.(2)
分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。

5.(2)
具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______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_______反应器处理。

6.(2)
轴向分散模型的数学期望值=θ_______，方差=2θσ_______。

7.(1)
停留时间分布的密度函数在t ≥0时，E （t ）_______。

8.(1)
对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约0.1um 时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素，这种扩散称为_______。

9.(1)
测定气-液相反应速率的方法与均相反应时不同之点是实验时要排除气相和液相中的_______，使反应在动力学区域内进行。

10.(1)
固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积P V 的球粒子直径，表达式
V
d =_______。

11.(2)
颗粒的形状系数S
ϕ对于球体而言，=S ϕ_______，对于其他形状的颗粒S ϕ
_______。

12.(2)
在流化床中为了传热或控制气-固相间的接触，常在床内设置内部构件，但很少使用
水平构件，它对颗粒和气体的上下流动起一定的阻滞作用，从而导致床内产生明显
的_______梯度和_______梯度。

13.(1)
对于气-固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气
泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床
称为_______。

14.(3)
当前用于描述气-液两相流相间传质的模型有两大类：一是按稳态扩散来处理的
_______；一是按非稳态扩散处理模型，如_______和_______。

II.单项选择
1.(2)
的增大而减小，此时该反应的反全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A
应级数n_______。

A. ＜0
B. =0
C. ≥0
D. ＞0
2.(2)
在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为_______。

A. 空时τ
B. 反应时间t
C. 停留时间t
D. 平均停留
t 3.(2)
当反应级数n_______时，宏观流体具有比微观流体高的出口转化率。

A. =0 B. =1 C. ＞1 D. ＜1 4.(2)
阶跃示踪法测定停留时间分布0C C A
对应曲线为_______。

A. E （t ）曲线
B. F （t ）曲线
C. I （t ）曲线
D. y （t ）曲线 5.(2)
气固催化反应的内扩散模数e
m S V L D C k L /1
-=φ，其中L 为特征长度，若颗粒为球
形则L=_______。

A. 厚度/2
B. R
C. R/2
D. R/3 6.(2)
催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为d
m i d C k dt d ψψ
=-
，当平行失活对
反应物无内扩散阻力时，d 为_______。

A. ≈0
B. =1
C. →3
D. ≈1
不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。

A. 粒子与流体间有温度差 B. 粒子与流体间无温度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层轴向有温度梯度 8.(2)
不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。

A. 粒子与流体间有浓度差 B. 粒子与流体间无浓度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层径向有浓度梯度 9.(2)
流化床反应器中的操作气速0
U 是根据具体情况定的，一般取流化数t u U 0在_______
范围内。

A. 0.1～0.4
B. 1.5～10
C. 10～15
D. 0.4～1.5 10.(2)
流化床反应器中的操作气速0
U 是根据具体情况定的，一般取流化数mf
U U 0在
_______范围内。

A. 0.1～0.4
B. 1.5～10
C. 10～15
D. 0.4～1.5
III.简答题
对于可逆放热反应如何选择操作温度？ 2.(5)
停留时间分布函数F （t ）的含义？ 3.(5)
简述气-液反应的宏观过程：A （g ） + bB （l ）→ 产物（l ）？ 4.(5)
简述气-固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点？ 5.(5)
简述气固流化床反应器鼓泡床模型的特点？ 6.(5)
简述双膜理论？
IV.计算题 1.(10)
由A 和B 进行均相二级不可逆反应α
A A+α
B
B = α
S
S ，速率方程：
A γ-==
-
dt
dC A
B A
C kC 。

求： （1）当
B A
B A
C C αα=0
时的积分式 （5分）
（2）当B A
AB B A C C ααλ≠=0
时的积分式（5分）
2.(10)
现有一有效容积为0.75m 3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m 2的冷却盘管。

欲利用改反应器来进行A →R 的一级不可逆的液相反应，其速率常数
)(9.5525ex p 100788.119-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=h T k ，反应热molA J H r /20921)(=∆-，原料液中A 的
浓度
l
mol C A /2.00=，但不含反应产物R 。

此原料液的密度ρ=1050g/l ；定压比热
929.2=P C （J/g ·℃）。

要求原料液的进料流率为h m v /330=，反应器出口的反应
液中l mol C A /04.0=。

总传热系数U=209.2（KJ/m 2·h ·℃）。

所用的冷却介质的温度为25℃。

试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T 0。

3.(10)
应用管径为D=12.6cm 的管式反应器来进行一级不可逆的气体A 的热分解反应，其计量方程为A=R+S ；速率方程为A A kC r =-；而k=7.8×109exp[-19220/T](s -1),原料为纯气体A,反应压力P=5atm 下恒压反应,T=5000C 。

9.0=A x ,h kmol F A /55.10=,求所需反应器的管长L,停留时间t ，空时τ（理想气体）。

4.(10)
应用脉冲示踪法测定一容积为12 l 的反应装置，进入此反应器的流体流速
m in
/0.80l v =，在定常态下脉冲的输入80克的示踪剂A ，并同时测其出口物料中A 的
浓度C A 随时间的变化，实测数据如下： t （min ） 0 5 10 15 20 25 30 35 C A （g/l ） 0
3
5
5
4
2
1
试根据实验数据确定E （t ）曲线的方差2
t σ和
2
θσ。

5.(5)
某一液相分解反应，若已知其反应动力学为A A kC r =-，1
min 307.0-=k ，当平均停
留时间为15min 时，当多级全混流模型可用时，其211
.02=θσ，求其最终转化率为多
少？
化学反应工程期末自测试卷答案
( 2 )
1.(1)
累积量=输入量-输出量
2.(2)
主反应、副反应
3.(1)
初始速率法
4.(2)
平均生产速率R Y最大、生产经费最低
5.(2)
理想混合反应器、平推流 6.(2)
e P 21+
，2
)1
(8)1(2e e
P P + 7.(1) ＞0 8.(1) 努森扩散 9.(1) 扩散阻力 10.(1)
3/1)/6(πP V
11.(2)
=1、均小于1 12.(2) 温度、浓度 13.(1) 聚式流化床 14.(3)
双膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型1.(2)
D
2.(2)
A
3.(2)
C
4.(2)
B
5.(2)
D
6.(2)
B
7.(2)
A
8.(2)
A
9.(2)
A
10.(2)
B
1.(5)
1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；（②分）
2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；（②分）
3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。

（①分）
2.(5)
在定常态下的连续稳定流动系统中（①分），相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体（①分），在出口流体中停留时间小于t的物料所占的分率为F（t）（②分）。

⎰=t dt t E t
F
0)(
)(
（①分）。

3.(5)
1）反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上假定达到气液相平衡；②分
2）反应物气相组分A从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应；①分
3）液相内的反应产物向浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散；①分
4）气相产物向气相主体扩散。

①分
4.(5)
凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置为固定床反应器（①分），拟均相二维模型是忽略床层中粒子与流体间温度与浓度的差别（②分），同时考虑流体在轴向和径向上的温度梯度和浓度梯度（②分）。

5.(5)
假定床顶出气组成完全可用气泡中的组成代表（②分），而不必计及乳相中的情况（①分），对气泡的组成进行计算便可以达到反应的转化率（②分）。

6.(5)
该模型设想在气-液两相流的相界面处存在着呈滞流状态的气膜和液膜，（①分）而把气液两相阻力集中在这两个流体膜内，而假定气相主体和液相主体内组成均一，不存在传质阻力（①分）。

组分是通过在气膜和液膜内的稳定的分子扩散过程来进行传质的，通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间的溶于液体且达到平衡（①分）。

因此，把复杂的相间传质过程模拟成串联的稳定的双膜分子扩散过程的叠加（①分），相间传质总阻力等于传质阻力的加和（①分）。

1.(10)
解：（1）C
A 与C
B
之比保持恒定B
A
B
A
B
A
C
C
C
C
α
α
=
=
①分
所以
A B
A B C C αα= ①
分
⎰
=0
A A
C C B
A A C C dC kt ①
分
⎰
⎰
=⇒=0
2'2
A A
A A
C C C C A
A
A A
B A
C dC t k C dC kt αα
k
k A B
αα=
' ①分
积分得
0'11A A C C t k -
=
①分
写成转化率时
)1(1
0'A
A A C t k χχ-=
（2） )
1(0A A A C C χ-= ①
分
)
1()1(100
0A B A B A B A B B C C C C C χαχαα-=-
= ①分
式中：
AB
A
B
B A A B
C C λααααα==
001 ①分
积分得
⎥
⎦⎤⎢⎣⎡---=
A A
B
C kt χχαα11ln )1(110
1 ②
分 2.(10)
解：1)计算反应温度T
τk C C A A +=
11
0 ②
分
18)375
.0()104.022.0(
)1(0
=-=-=
τ
A
A C C k ②分
根据
]9
.5525exp[100788.19T k -
⨯=
K T 6.308= ②分
2）]
)())((00P
m r A c v T T UA H r V T T ρ--∆---
= ②分
K
T 2.306929.210503)
16.2986.308(52.2092092175.004.0186.3080=⨯⨯-⨯⨯+⨯⨯⨯-
= ②分
3.(10)
解：反应气体的进料体积流速为：
)/(66.195773
082.055.1300h m P RT F v A =⨯⨯==
①分
反应流体在管内的体积流速为：
P RT x y F P FRT
v A A A /)1(00δ+==
①分
此处：00A F F =（纯气体）；0.10=A y ，
1
112=-=
A δ，P RT C A =01 ①分
∴0
0/)1(A A A C x F v += ①分
而
)1()1()1()1(0
000A A A A A A A A A A x C x x F C x F v F C +-=+-==
①分
⎰-+=
=
A x A A A x dx x k v V 00)1()1(1τ ①分
∴)
(0083.0)(88.29]11ln 2[1h s x x k A A ==--=τ ①分 )(0.13)126.0(14.388.291046.54442
3202m D v D V L =⨯⨯⨯⨯===πτπ ①分
)(57.1811
ln 1110s x k x dx k t A
x A A A =-=-=
⎰ ②分
4.(10)
解：首先对实验数据进行一致性检验，此时应满足：
1008
.080000
====
⎰
∞
C v M dt C A ①分
100
)]0253(4)145(20[35
=+++++++=⎰
∞
dt C A ①分
∴实验数据的一致性检验是满足的。

∵
2
22)(t dt t E t t -=⎰∞
σ ②分
其中
(min)158.0120===
v V t ①分
由数据计算得如下表： ②分 t （min ）
5 10 15 20 25 30 35 E （t ）=C A /C 0 0 0.03 0.05 0.05
0.04
0.02 0.01 0 t 2E （t ）
0 0.75
5
11.25 16
12.5
9
263
)]05.1225.1175.0(4)9165(20[35
)(0
2=+++++++=⎰
∞
dt t E t ①分
∴
38
)15(26322=-=t σ ①分
169.01538
2
2
2
2
==
=
t t σσθ ①分
5.(5)
解：
76.4211.01
1
2
==
=
θσN ①分
取N=4 ①分
047.0)]4/15(307.01[1)1(14
0=+=+=N A A k C C τ ②分
%3.95953.0047.011)1(0
0==-=-
=⇒-=A A
A A A A C C x x C C ①分。