化学反应工程-模拟题一及答案

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A (开卷)答案

一、在体积为2.5m 3的理想BR 反应器中进行液相等温一级基元反应A P →， k ＝2.78×10-3 s -1，进口摩尔流率F A0＝11.4 mol/s ，反应物A 初始浓度04/A C mol L =，求：

（1）当反应器中A 的转化率为80％，求所需的时间？（6分）

（2）若将反应移到CSTR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）

（3）若将反应移到PFR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分） 解：

（1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：

31111ln ln 579()1 2.78*1010.8

t s k x -===-- （2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：

003011.40.84100.7()(1) 2.78104(10.8)

-⨯====--⨯⨯⨯-A A A A A A A F X

F X V L r kC X （3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：

00030000111.4ln ln51650()(1)(1) 2.78104

-=====---⨯⨯⎰

⎰A A X X A A A A A A A A A A dX F dX F V F L r kC X kC X 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：C B A →+2，该反应对A 和B 均是一级。反应器的入口体积流率为2.5L/min ，进料为等摩尔的组分A 和B 。入口温度和压力分别是727℃和10atm 。在此温度下的反应速率常数k ＝4L/mol ·min 。求：

（1）反应器入口处（即X A =0时）A 的浓度？ （4分）

（2）反应器入口处（即X A =0时）的反应速率？（4分）

（3）当A 的转化率为40%时的浓度？（4分）

（4）当A 的转化率为40%时的反应速率？（6分）

解：对于反应C B A →+2，2211-=--=δ

入口处：F A0＝F B0，则y A0＝0.5，所以10-=⨯=δεA y

（1）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为：

A0A0y P 0.510atm C 0.061(mol /L)RT 0.082(L atm /mol K)(727273)K

⨯===⋅⋅⨯+ （2）入口处的反应速率：

2

23A A0B0A0r kC C kC 40.0610.061 1.4910(mol /dm L)--===⨯⨯=⨯⋅

（3）当A 的转化率为40%时A 的浓度为：

A A0A0A01X 1X C C C C 0.061(mol /L)1X 1X --⎛⎫⎛⎫==== ⎪ ⎪+ε-⎝⎭⎝⎭

（4）当A 的转化率为40%时B 的浓度为：

B B A0A0A0b 2X 1X 12X 10.8a 1

C C C C 0.0610.0203(mol /L)1X 1X 1X 10.4⎛⎫⎛⎫Θ-- ⎪ ⎪--⎛⎫====⨯= ⎪ ⎪ ⎪+ε---⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

3A A B r kC C 40.0610.0203 4.9610(mol /L min)--==⨯⨯=⨯⋅

三、有如下平行反应：

其动力学方程分别为：3.01B A P C C k r =，8.15.02B 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 /2000==，A 和B 均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.9时的瞬时选择性。（6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？（8分） 解：根据瞬时选择性的定义：5.15.08.13.05.012

1---===B 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 ，

当A 的转化率为0.9，选瞬时选择性A C S /1=，C A ＝C A0（1-0.9）＝2mol/l ，S ＝0.5；

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

当A 的转化率为0.8，选瞬时选择性A

0.9S C =，C A ＝C A0（1-0.8）＝1.36mol/l ，S B A +)(P 主反应→)

(S 副反应→

＝1.32；

（2）由于5.15.0-=B A

C C S ，所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使A 的浓度尽可能高，而B 的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法：

·用管式反应器，连续将B 注入反应器

·用一系列的CSTR 反应器串联，在第一个反应器中注入A ，在每一个反应器中注入B ，这样进入下一个反应器之前B 基本反应完。

四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中，哪些点是稳定操作点，哪些点是不稳定操作点，并分析其原因？（12分）

解：

（1）在同一操作条件下，反应器可能存在多个定常操作态，即反应器既可能在低温、低转化率下操作，也可能在高温、高转化率下操作，还可能在中等温度、中等转化率下操作，这种现象称为多态现象。（4分）

（2）对于C 点，体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量小于移热速率随温升的增量，体系内生成热量少，移出热量多，温度下降，重新回到C 点。如果体系温度稍微降低，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热R(T),G(T)