《化学反应工程》期末考试试题及答案解读

二、填空题（每题5分，共30分）1．一不可逆反应，当反应温度从25℃升高到35℃时，反应速率增加一倍，则该反应的活化能为 52894 J ／mol 。

解：mol J E E T T R E k k /528942ln )30812981(314.82ln )11(ln 2112=∴=-==-=，2．一气固催化反应R B A →+，若本征反应速率方程为：则该反应可能的反应机理为σR R σσR σB σA σB σσB A σσA S k +⇔+−→−+⇔+⇔+）此步为速率控制步骤 ( 2223．间歇釜反应器中进行如下反应：P A → (1) －r A1＝k 1C A a1S A → (2) －r A2=k 2C A a2在C A0和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中C P /C S 增大，表明活化能E1与E2的相对大小为 E1<E2 ；在温度和反应时间保持不变下，增高反应浓度，釜液中C P /C S 增大，表明反应级数al 、a2的相对大小为 al>a2 。

A ．al>a2B ．al<a2C ．活化能El<E2D ．活化能El>E2 4．从反应器停留时间分布测定中,求得无因次方差98.02=θσ,反应器可视为 全混流反应器 又若求得无因次方差02.02=θσ,则反应器可视为 活塞流反应器 。

5．有两个有效容积不等的全混流反应器串联操作，反应为二级不可逆反应A →P ，若大釜在先，小釜在后，出口转化率为x A1，小釜在先、大釜在后，则出口转化率为x A2，两种情况下，进料流速、进料浓度和反应温度均相同，比较x A1和x A2的相对大小为 x A1<x A2 。

6. 在固定床反应器中，分别进行一级和二级不可逆气固催化反应，试比较a 、b 两处的η值大小（a 处靠近反应器的进口，b 处靠近反应器的出口），并说明理由。

（1）一级放热反应，绝热操作；ηa >ηb（2）二级反应，等温操作。

ηa <ηb 三、问答题（每题6分，共12分）1.液相复合反应, 若为使目的产物P 的选择性高，应选择：(1) 若采用间歇反应釜，其加料方式为？(2) 若采用管式反应器，其进料方式为？(3) 若E 1>E 2，则反应温度应尽可能采用高温或低温？答：为使目的产物P 的选择性高，应选择：(1)若采用间歇反应釜，其加料方式为 A 一次性加入，B 连续滴加 ；(2)若采用管式反应器，其进料方式为 A 从反应器进口处加入，B 沿管长多处加入 ；(3)若E 1>E 2，则反应温度应采用 高温 。

Q B A PB A k k −→−+−→−+212225.025.021B A Q B A P C C k r C C k r ==2)1(R R B B A A BB A A S P K P K P K P K P K k r ＋++=2. 在四段绝热式固定床反应器中进行n 级不可逆反应,各段的催化剂量相同,且控制进入各段的反应物料温度相等.若n>0,试问(1) 哪一段的净转化率最大?哪一段最小?(2) 若段间采用冷激方法进行降温,试问第一段与第二段之间和第二段与第三段之间哪处需加入的冷激剂量多?为什么?解:(1)虽然各段进口温度相等,在催化剂量相同的情况下,净转化率也按1至4段的顺序递减,第一段最大,第二段次之, 第三段再次之，第四段最小.(2)因第一段反应量大于第二段反应量,所以1-2段间要取出的热量比2-3段间要取出的热量大,因而1-2段间需要的冷激量也大于2-3段间需要的冷激剂量.四、计算题：（第1，2题均为12分，第3题为14分，共38分）1.在反应体积为1 m 3的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2： 23223+→H COCHCH H O H COHCHOHCH该反应对环氧丙烷为一级，对水为零级，反应温度下反应速率常数等于0.98h -1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m 3，环氧丙烷的最终转化率为90%。

（1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h ，则丙二醇-1，2的日产量是多少？（2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？解：（1） 一级不可逆反应： hm Q Q t t Q V h x k t r Af /3/11)65.035.2()(35.2)9.01ln(98.01)1ln(130000==+=+==--=--=3101,,0.98, 2.1/,0.9-=====r A A A A V m r kC k h C kmol l X丙二醇的浓度=30 2.10.9 1.89/=⨯=A A C X kmol m丙二醇的产量=Af A00xC Q ＝1.891/30.63/15.15/⨯==日kmol h kmol(2) 采用定态下连续操作 000.91(1)0.98(10.9)⨯===--Afr Af Q X Q V k X 所以Q 0=0.109m 3/h丙二醇的产量=0.109 1.890.2058/ 4.939/⨯==日kmol h kmol（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反应速率慢，故产量低。

2.对一闭式反应器进行停留时间分布实验测定，在Q ＝300L/min 下，得到E(t)～t 关系如下图所示。

由于该图放置已久，纵坐标模糊不清。

试根据E(t)函数性质确定并计算：（1）E(t)（2）F(t) （3）该反应器体积为多少？ （4）多级串联模型参数N 为多少？ (5)无因次方差2θσ为多少？ （6）轴向扩散模型参数Pe 为多少？0 10 20 t/min答：（1）E(t)＝ -1/200(t-20)(2）F(t)＝ -t 2/400+0.1t（3）V ＝ 2 m 3（4）多级串联模型参数N ＝ 2(5)无因次方差2112==σθN （6） 2.56Pe 5.0)e -(1Pe2-Pe 2Pe -22=∴==σθ3．某一级不可逆气固催化反应，在反应温度150℃下，测得k P =5s -1,有效扩散系数D eA =0.2cm 2/s 。

求：（1） 当颗粒直径为0.1mm 时，内扩散影响是否已消除？（2） 欲保持催化剂内扩散有效因子为0.8，则颗粒直径应不大于多少？ 解：cmd d d D k d 1 (2)1D k d P P PeA P PeA P P816.068.0652.056668.08.0313tanh 13100833.02.05601.06)1(≤====φφ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛φ-φφ=η≈η∴<<===φ＝试差，得二、填空题1、化学反应工程是一门研究 化学反应的工程问题 的科学。

2、化学反应速率式为βαB 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P K ，则C K =)()(βα+RT P K 。

3、平行反应A P(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与 浓度 无关，仅是 温度 的函数。

4、对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用 平推流 反应器为宜。

5、对于恒容的平推流管式反应器 平均停留时间、反应时间、空时 一致。

6、若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_微观流体_。

7、流体的混合程度常用 调匀度S 、 流体的混合态 来描述。

8、催化剂在使用过程中，可能因晶体结构变化、融合等导致表面积减少造成的_物理 失活，也可能由于化学物质造成的中毒或物料发生分解而造成的_化学_失活。

9、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 努森扩散 。

10、绝热床反应器由于没有径向床壁传热，一般可以当作平推流处理，只考虑流体流动方向上有温度和浓度的变化，因此一般可用拟均相一维模型来计算。

11、对于可逆的放热反应，存在着使反应速率最大的最优温度opt T 和平衡温度eq T ，二者的关系为___1212ln E E E E R T T T T opt eq opteq -=⋅-___________。

12、描述流化床的气泡两相模型，以0U 的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始流化速度mf U 通过，而其余部分mfU U -0则全部以气泡的形式通过。

13、描述流化床的数学模型，对于气、乳两相的流动模式一般认为_气_相为平推流，而对___乳__相则有种种不同的流型。

14、多相反应过程是指同时存在 两个或更多 相态的反应系统所进行的反应过程。

15、 三传一反 是化学反应工程的基础。

16、不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称_数学模型_。

17、一级连串反应A S P 在平推流反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C _______、=opt t ______。

)]/([21122k k k k k -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛、1212)/ln(k k k k -）18、着眼反应组分K 的转化率的定义式为_00K K K K n n n -=χ_。

19、一级连串反应A S P 在间歇式全混流反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C _______、=opt t ______。

)]/([21122k k k k k -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛、1212)/ln(k k k k -）20、化学反应速率式为βαB 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P K ，则C K =_______P K 。

21、理想反应器是指 全混流反应器、平推流反应器 。

22、具有良好搅拌装置的釜式反应器按 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 平推流 反应器处理。

23、全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为r G Q Q = 、 ,dT dQ dT dQ G r 〉 24、平推流反应器的返混为____0___。

25、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_初始速率法_法来求反应级数。

26、分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_平均生产速率 最大_、_生产经费最低_为目标进行优化的。

27、轴向分散模型的数学期望值 __ ___，方差 _ _。

28、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__扩散阻力_，使反应在动力学区域内进行。

29、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_温度_梯度和_浓度_梯度。