化学反应工程-模拟题三及答案

一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应P A →，已知反应速率为

2

A A kC r =-，求：

（1）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器改为同体积的PFR ，反应条件不变，则转化率为多少？（9分）

（2）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器体积增大10倍，反应条件保持不变，则转化率为多少？（9分）

二、在一个等温活塞流反应器中，发生不可逆气相基元反应A 2B →。反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，A 的转化率为90%。如果A 的摩尔进料流率减少一半，假设C 的进料流率保持不变，那么A 的转化率为多少？（18分）

三、有如下平行反应：

其动力学方程分别为：8

.15.02B A P C C k r =，3.01B 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 /1500==，均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.5时的瞬时选择性。（5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？（10分）

四、假设某实验室有一非理想化学反应器，请问如何对这个反应器进行分析，如何求该反应器中反应物的转化率？（14分）

五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应P A →，催化剂的粒径为 2.4mm ，气流主体中A 的浓度为1mol/m 3，测得单位床层表观反应速率

(－r A )obs ＝2.77×10-5 mol/(cm 3.s)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝30cm/s 。请问：

（1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5分） （2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10分）

六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据：

B

A +)

(P 主反应)

(S 副反应

（1）在什么条件下外扩散为控制步骤？（3分） （2）在什么条件下内扩散为控制步骤？（3分） （3）在什么条件下反应速率为控制步骤？（6分）

（4）分别求出第4组和第5组实验中的外扩散有效因子？（4分） （5）分别求出第6组和第8组实验中的内扩散有效因子？（4分）

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C (开卷)答案

一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应P A →，已知反应速率为

2

A A kC r =-，求：

（1）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器改为同体积的PFR ，反应条件不变，则转化率为多少？（9分）

（2）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器体积增大10倍，反应条件保持不变，则转化率为多少？（9分）

解：对于液相二级反应，CSTR 反应器的体积 2

200)

1(A A A

A X kC X F V -=

， PFR 反应器的体积)1(2

00A

A A

A X kC X F V -=

（1）当CSTR 中的转化率为0.5时，可推导出2

22002)5.01(5.0A A A A kC F kC F V ⨯=-⨯⨯=

对同体积的PFR ：)

1(2'

20'

0200A A A A A A X kC X F kC F -=⨯，求得667.0'

=A X （2）由于反应条件不变，两个反应器的F A0、C A0和k 相同，所以

1.0)1(/)1(22221121=⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=A A A A X X X X V V ，解得8.02=A X

二、在一个等温活塞流反应器中，发生不可逆气相基元反应A 2B →。反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，A 的转化率为90%。如果A 的摩尔进料流率减少一半，假设C 的进料流率保持不变，那么A 的转化率为多少？（18分） 解：对于不可逆气相基元反应A 2B →，膨胀因子δ＝2-1＝1 对于一级反应，A0

A0

F 1V (1)ln x kC 1x ⎡⎤

=+ε-ε⎢⎥-⎣⎦

第一种情况下：

因为00A C F F =，所以00.5A y =

01*0.50.5===A y εδ

000.5A T T A y P P

C RT RT

=

= 第二种情况下： 因为0'00.5A A F F =，0'00C C A F F F ==所以0'0.33=A y

''0.33*10.33===A y εδ

0''

00.33A A T T y P P C RT RT

==

所以

0'0

0.5A A F F =，

0'0

2

3

A A C C =

A0A0F 1V (1)ln x kC 1x ⎡⎤

=

+ε-ε⎢⎥-⎣⎦

（1） 代入已知量，整理得到：

3.0=A A VkC F 0'''''''01(1)ln 1⎡⎤=+-⎢⎥-⎣⎦

A A F V x kC x εε （2） 把式（1）/式（2），整理得：

'''

'

1(1)ln 41+-=-x x εε 代入'A ε，试差得：'X ＝0.95

可见当A 的摩尔进料流率减少一半，而C 的进料流率保持不变，A 的转化率为95％。

三、有如下平行反应：

其动力学方程分别为：8

.15.02B A P C C k r =，3.01B 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 /1500==，均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.5时的瞬时选择性。（5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？（10分） 解：根据瞬时选择性的定义：5

.15.03.08.115.02

1B 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 ，所以瞬时选择性A C S =

当A 的转化率为0.5，C A ＝C A0（1-0.5）＝7.5mol/l ，S ＝C A ＝7.5；

（2）由于5

.1B 5.0A C C S -=，所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使A

B

A

+)

(P 主反应)

(S 副反应