化学反应过程原理复习题

2012化学反应工程 复习（工程硕士班）：

1． 推导出一级和二级动力学简单反应在间歇反应器、PFR 和CSTR 三种反应器

中反应时间（停留时间）和转化率关系的积分表达式，并对上述表达式关于不同反应器的类型中，转化率与反应时间的关系进行讨论。

2．根据阿伦尼乌斯方程可以得到方程：i

i r r E

T RT T

∂=∂；

1）对该表达式讨论活化能的工程意义和反应温度水平对反应速率影响； 2）根据上述表达式，请简述在实验过程中，如何通过控制反应温度和转化率获 得准确的本征活化能数据。

3．一级反应A P ，进料温度为150ºC ，活化能为83684 J/mol ，在PFR 反应器中进行反应，反应器体积为V P ，如改为CSTR 反应器，其体积为V m ，为达到同样转化率x A = 0.6和0.9，则V m /V P 之值应如何？讨论所得的结果。

4. 采用N 个体积相等的CSTR 反应器串联进行动力学为一级的简单反应：

A P →；各釜的操作温度均相等。

1. 求证：在经过第N 个釜完成反应后，残余浓度为：

(1)A AN

N

c c k τ=

+

其中N 为CSTR 反应釜数量，τ 为空时，k 为反应动力学常数。

2. 如果已知在某反应温度下的速率常数为10.92k h

-=，原料速率3

010/v m h

=，要求转化率为0.90。计算当串联反应釜分别为1, 3, 10, 100个时的反应器总体积； 3.

如果应用PFR 反应器进行该反应，计算在反应条件和要求完成的转化率相同的情况下所需的反应体积；对问题2, 3的计算结果进行讨论。

5． 自催化反应： 是一个等密度的反应过程，反应速率

，进料量为30.002/v m s =, 302/A c kmol m =，

300/P c kmol m =，0.98A x =。

试计算下列反应器体积。 1）全混流反应器（CSTR ）；

2）两个等体积全混流反应器串联组合反应器；

3）如何实现反应器组合，在完成转化率的前提下使得反应器体积最小。

6．有一均相反应：A B P +→

反应维持在75o C 等温操作，实验测得反应速率方程式为：

()A A B r k c c -=⋅⋅ /()

k m o l l s ⋅ 32.7810/()k l mol s -=⨯⋅, 当反应物A 和B 的初始浓度004/A B c c mol l ==，而A 的转化x A = 0.8时，平均每分钟可处理0.684 kmol 的反应物A ，在反应温度、处理量和要求达到的转化率相同情况下，试比较反应在间歇反应器、PFR 和CSTR 反应器中进行所需的反应体积？辅助时间为20 min, 釜式反应器装填系数为0.8。

7. 在反应过程中，保证化学反应操作定态稳定的条件是什么？如果对于在CSTR 反应器中进行的放热反应过程，为了保持反应的稳定性，如何兼顾换热面积和换热温差？为什么？

8．在管式固定床反应器，对于催化床列管的管径大小的设计有一定的要求，特别是对于放热反应过程。若从反应的热稳定性考虑，证明最大的列管直径为：

12max ()4(/)/t g r D U Q V RT E -=⋅∆⋅

其中：U 为换热面积，()(1)n g r r Q H k c V ε=-∆-⋅⋅⋅∆，∆V r 为催化剂微元体积。

提示：列管微元移热速率为()r t r c Q U a V T T =⋅⋅∆⋅-，a t 为圆管的比表面，T c 为管外冷却介质温度。

A P P P

+→+()A A P r k c c -=⋅⋅3311

10()()k m kmol s ---=

9. 据内部效率因子η2的计算可知，决定内部效率因子的唯一参数是西勒模数Φ，(1) 写出Φ准数表达式，讨论影响内扩散的主要因素；(2) 叙述如何在实验过程中，采用什么手段消除内扩散，并用简图表示实验结论。

10. 有气固相催化反应 A P →，动力学表达式为:

/()0()es E R T n A Aes r k e c ⋅--=⋅ (a)

也可以采用易于反应工程分析的效率因子法处理,其表式为:

0b

E

RT n A Ab r k e

c η-

-=⋅⋅⋅ (b)

其中Aes c 为催化剂表面浓度，Ab c 为主体浓度, η为效率因子。

(1) 试问采用效率因子法动力学表达式 (b) 中的反应级数、活化能和 (a) 式中的反应级数、活化能意义是否相同，为什么？

(2) 在等温反应体系，写出表征外扩散与内扩散的特征参数：达姆科勒准数Da 和西勒模数Φ的表达式；

(3) 如果反应级数为一级，只考虑内、外扩散因素影响，证明总效率因子η的表达式为：

12

1

1

1

1

ηηη=

+

-

其中1η为外扩散效率因子，1g k

k a

η=；2η为内扩散效率因子。

11. 工业生产以C 6H 6 (苯)在V 2O 5作为活性组分的催化剂上进行催化氧化制C 4H 2O 3(顺丁烯二酸酐)是一个由平行反应和串联反应组成的复合反应。

反应的活化能分别为：E1=96.56 kJ/mol, E2=147.14 kJ/mol, E3=67.72 kJ/mol.

为了实现反应过程中目标产物C4H2O3高选择性，如何优化反应温度的控制？为什么？

12. 甲醇合成催化剂的活性来自于零价Cu，其还原活化过程是强放热反应，其主反应为：

CuO + H2 = Cu + H2O △H r = 20.3 kcal/mol

如果采用纯氢气进行催化剂还原，容易造成表面温度升高，导致催化剂单质铜微晶烧结，使催化剂丧失活性。实际生产过程中，为了保证还原过程的正常进行，通常采用高温低浓度的方式进行还原，如还原气组成为氢氮混合气（5%H2 + 95%N2）。

假设该反应受外扩散控制，试估算用纯氢气还原和氢氮混合气还原催化剂的表面温度T s. (T s-T b = 0.66△T ad, △T ad为绝热温升)。已知：还原操作温度为260 o C; 纯氢气热容为：3.45 kcal/(kg. o C), 气体密度为：0.0899 kg/m3; 氢氮混合气热容为：0.41 kcal/(kg. o C), 气体密度为：1.251 kg/m3.