《化学反应工程》习题

《化学反应工程》习题答案

一、填空题

1. 质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一反.

2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累积 。

3. 着眼组分A 转化率x A 的定义式为 x A =(n A0-n A )/n A0 。

4. 总反应级数不可能大于 3 。

5. 反应速率-r A =kC A C B 的单位为kmol/m 3·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kmol ·h 。

6. 反应速率-r A =kC A 的单位为kmol/kg ·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kg ·h 。

7. 反应速率2

/1A A kC r =-的单位为mol/L ·s ，速率常数k 的因次为 (mol)1/2·L -1/2·s 。 8. 非等分子反应2SO 2+O 2==2SO 3的膨胀因子2SO δ等于 。 9.

非等分子反应N 2+3H 2==2NH 3的膨胀因子2H δ等于 –2/3 。

10. 反应N 2+3H 2==2NH 3中（2N r -）= 1/3 （2H r -）= 1/2 3NH r 11. 反应活化能E 越 大 ，反应速率对温度越敏感。

12. 对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越 大 。

13. 某平行反应主副产物分别为P 和S ，选择性S P 的定义为 (n P -n P0)/ (n S -n S0) 。 14. 某反应目的产物和着眼组分分别为P 和A 其收率ΦP 的定义为 (n P -n P0)/ (n A0-n A ) 。 15. 返混的定义： 不同停留时间流体微团间的混合 。 16. 平推流反应器的返混为 0 ；全混流反应器的返混为 ∞ 。 17. 空时的定义为 反应器体积与进口体积流量之比 。 18. 针对着眼组分A 的全混流反应器的设计方程为

A

A A r x F V

-=0。 19. 不考虑辅助时间，对反应级数大于0的反应，分批式完全混合反应器优于全混流反应器。 20. 反应级数>0时，多个全混流反应器串联的反应效果 优于全混流反应器。 21. 反应级数<0时，多个全混流反应器串联的反应效果 差于 全混流反应器。 22. 反应级数>0时，平推流反应器的反应效果 优于 全混流反应器。 23. 反应级数<0时，平推流反应器的反应效果差于 全混流反应器。

24. 对反应速率与浓度成正效应的反应分别采用全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器体积的大小关系为 全混流＞多级串联全混流＞平推流 ；

25. 通常自催化反应较合理的反应器组合方式为 全混流 + 平推流 。 26. 相同转化率下，可逆放热反应的平衡温度 高于 最优温度。

27. 主反应级数大于副反应级数的平行反应，优先选择 平推流 反应器。

28. 主反应级数小于副反应级数的平行反应，优先选择 全混流 反应器。 29. 要提高串联反应中间产物P 收率，优先选择 平推流 反应器。 30. 主反应级活化能小于副反应活化能的平行反应，宜采用 低 温操作。 31. 主反应级活化能大于副反应活化能的平行反应，宜采用 高 温操作。

32. 停留时间分布密度函数的归一化性质的数学表达式⎰

∞

=0

0.1)(dt t E 。

33. 定常态连续流动系统，F (0)= 0 ；F (∞)= 1 。

34. 定常态连续流动系统，F (t)与E (t)的关系⎰=

t

dt t E t F 0

)()(。

35. 采用无因次化停留时间后，E (θ)与E (t) 的关系为)()(t E t E =θ。 36. 采用无因次化停留时间后，F (θ)与F (t) 的关系为 F (θ)=F (t) 。

37. 无因次方差2θσ与方差2t σ的关系为2

22/t t σσθ=。

38. 平推流反应器的2θσ= 0 ；而全混流反应器的2

θσ= 1 。 39. 两种理想流动方式为 平推流 和 全混流 。 40. 非理想流动2

θσ的数值范围是 0~1 。 41. 循环操作平推流反应器循环比越 大 返混越大。

42. N 个等体积全混釜串联的停留时间分布的无因次方差2

θσ= 1/N 。 43. 多级全混釜串联模型当釜数N= 1 为全混流，当N= ∞ 为平推流。 44. 平推流的E (t)=0 当t t ≠、=∞当t t = ；F (t)= 0 当t t <、=1当t t ≤。 45. 工业催化剂所必备的三个主要条件：选择性高 、活性好 和 寿命长 。 46. 化学吸附的吸附选择性要 高于 物理吸附的吸附选择性。 47. 化学吸附的吸附热要 大于 物理吸附的吸附热。

48. 化学吸附常为 单 分子层吸附，而物理吸附常为 多 分子层吸附。 49. 操作温度越高物理吸附 越弱 ，化学吸附 越强 ；

50. 在气固相催化反应中动力学控制包括 表面吸附 、 表面反应 和 表面脱附 。 51. 固体颗粒中当孔径 较大时 以分子扩散为主，而当孔径 较小时 以努森扩散为主。 52. 气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择性 下降 。 53. 气固相催化平行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的选择性 下降 。 二、计算分析题

1. 在恒容条件下，反应A+2B==R ，原料气组成为C A0=C B0=100kmol /m 3，计算当C B =20 kmol /m 3时，计算反应转化率x A 、x B 及各组分的浓度。

解：在恒容条件下：x B =( C B0- C B )/ C B0=

由C A0- C A =( C B0- C B )/2得到：C A =20 kmol /m 3=60 kmol /m 3

x A =( C A0- C A )/ C A0=

2. 等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A==B+C ，在5min 内有50%的A 分解，要达到分解率为75%，问需多少反应时间若反应为2级，则需多少反应时间 解：一级反应：)1ln(1

11ln 1)1(0

00

A A x A A A A x k x k x kC dx C t A --=-=-=⎰ 二级反应：A

A A x A A A x x kC x kC dx C

t A

A -•=-=⎰11)

1(002

200 3. 在间歇反应器中进行等温二级反应A==B ，反应速率：)/(01.02

s L mol C r A A ⋅=-当C A0分别为1、5、10mol/L 时，分别计算反应至C A =L 所需的时间。 解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：2

01.0A

A C dt

dC =-

当C A0=1mol/L 时，t =9900s 当C A0=5mol/L 时，t =9950s 当C A0=10mol/L 时，t =9990s

4. 某一级气相反应A==2P ，反应速率常数k =，按下列条件进行间歇恒容反应，1min 后反应器内的总压为多少反应条件：(1)1atm 纯A ；(2) 10atm 纯A ；(3)1atm A 和9atm 惰性气体。 解：一级反应：

)1(A A

x k dt

dx -= 393.0115.0=-=-=--e e x kt A δA =(2-1)/1=1 n =n 0(1+δA y A0x A )= n 0(1+ y A0x A ) P =P 0 (1+ y A0x A )

(1) 1atm 纯A ：y A0=1 P =P 0 (1+ y A0x A )= (2) 10atm 纯A ：y A0=1 P =P 0 (1+ y A0x A )=

(3) 1atm A 和9atm 惰性气体：y A0= P =P 0 (1+ y A0x A )=

(4) 一级等温反应A==P ，活化能为83140J/mol ，在平推流反应器中进行反应，反应温度为420K ，反

应器体积为V p ，如改为全混流反应器，其体积为V m ，为达到相同的转化率x A =，（1）若反应操作温度相同，则V m /V p 之值应为多少（2）若V m /V p =1，则全混流反应器的操作温度应为多少 解：（1）A A A A m x x kC F V -•=

100 A

A A P x kC F V -=11

ln 00 （2）V m /V p =1，同样得到：

94.211

ln /1=--=A

A A P m x x x k k m

RT

E

e

k k m -=0 p

RT

E e

k k p -=0 94.2)

(11

=-m

T P T R E e

代入数据得到：T m =440K

5. 平行反应：

其中P 为目的产物，在等温操作中，证明：采用全混流反应器最大

A

P r P =1

S r S =2C A T r T =C A 2