《化学反应工程》期末考试试题及答案

r kSKAPAKBPB

(1 KAPA KBPB＋KRPR)2

二、填空题（每题5分，共30分）

反应的活化能为 52894 J／mol 。 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

lnk2E11 ( ) ln2k1RT1T2

E11 ( ) ln28.314298308

J/mol解： E 52894，

2．一气固催化反应A B R，若本征反应速率方程为：

则该反应可能的反应机理为

A σ Aσ

B2 2σ 2Bσ

kSAσ Bσ Rσ σ (此步为速率控制步骤 ）

Rσ R σ

3．间歇釜反应器中进行如下反应：

A P (1) －rA1＝k1CAa1

A S (2) －rA2=k2CAa2

在CA0和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中CP/CS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CP/CS增大，表明反应级数al、a2的相对大小为 al>a2 。

A．al>a2 B．al<a2 C．活化能El<E2 D．活化能El>E2

2 0.98,反应器可视为 全混流反应器 4．从反应器停留时间分布测定中,求得无因次方差

又若求得无因次方差 0.02,则反应器可视为 活塞流反应器 。 22

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0.520.5P1CACBrQ k2CACB

先，小釜在后，出口转化率为xA1，小釜在先、大釜在后，则出口转化率为xA2，两种情况下，进料流速、进料浓度和反应温度均相同，比较xA1和xA2的相对大小为 xA1<xA2 。

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E1>E2，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E1>E2，则反应温度应采用 高温 。

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)

(2) 哪一段的净转化率最大?哪一段最小? 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 m3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：

H2COCHCH3 H2O H2COHCHOHCH3

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/m3，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：

11ln(1 xAf) ln(1 0.9) 2.35hk0.98

Vr Q0(t t0) Q0(2.35 0.65) 1t

Q0 1/3m3/hk12A B Pk2A 2B Q

Vr 1m3,rA kCA,k 0.98h 1,CA0 2.1kmol/l,XA 0.9

3CX 2.1 0.9 1.89kmol/m丙二醇的浓度=A0A

丙二醇的产量=Q0CA0xAf＝1.89 1/3 0.63kmol/h 15.15kmol/日

(2) 采用定态下连续操作

Q0 0.9Vr 1k(1 XAf)0.98(1 0.9)

所以Q0=0.109m3/h Q0XAf

丙二醇的产量=0.109 1.89 0.2058kmol/h 4.939kmol/日

（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？

2(5)无因次方差 为多少？ （6）轴向扩散模型参数Pe为多少？

t/min

答：

（1）E(t)＝ -1/200(t-20)

(2）F(t)＝ -t2/400+0.1t

（3）V＝ 2 m3

（4）多级串联模型参数N＝ 2

(5)无因次方差

2 2 11 N2 22-2(1-e-Pe) 0.5PePe

（6） Pe 2.56

3．某一级不可逆气固催化反应，在反应温度150℃下，测得kP=5s-1,有效扩散系数DeA=0.2cm2/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？

(1) dP

6kP0.0151 0.00833 DeA60.23

1

(2) 1 11 0.8 tanh3 3

试差，得 ＝0.68

dP

6kPd P

DeA655 dP 0.680.26

cm解：dP 0.816

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 rA KCCACB，如用浓度表示的速率常数为KC，用压力表示的速率常数KP，则KC=(RT)

A( ) KP。 P(主)

3、

平行反应S(副)均为一级不可逆反应，若E主＞E副，选择性Sp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Topt和平衡温度Teq，二者的

Teq Topt

关系为___Teq Topt ERln2E2 E1E1___________。

12、描述流化床的气泡两相模型，以

流化速度U0的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始则全部以气泡的形式通过。 Umf通过，而其余部分U0 Umf

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APS在平推流反应器中，则目的产物P的最大浓度

CP,max _______、topt k1 k ______。 2 [k2/(k2 k1)]ln(k2/k1)

、k2 k1）

K 18、着眼反应组分K的转化率的定义式为_

19

、一级连串反应AnK0 nKnK0_。 PS在间歇式全混流反应器中，则目的产物P的最大浓度

CP,max _______、topt k1 k ______。 2 [k2/(k2 k1)]ln(k2/k1)

、k2 k1）

r KCACACB，20、化学反应速率式为如用浓度表示的速率常数为KC，用压力表示的速率

常数KP，则KC=_______KP。

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。

dQrdQG dTdT 23、全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为QG Qr 、 ,

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。

30、对于气-固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为_聚式流化床_。

31、当前用于描述气-液两相流相间传质的模型有两大类：一是按稳态扩散来处理的_双膜模型_；一是按非稳态扩散处理模型，如_溶质渗透模型_和_表面更新模型_。

32、在建立数学模型时，根据基础资料建立物料衡算式的一般式为_输入量=输出量+反应量+ 累积量_。

33、活化能的大小直接反映了_反应速率_对温度的敏感程度。

34、生成主产物的反应称为_主反应__，其它的均为__副反应__。

35、固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积Vp的球粒子直径，表达式dv=__(6VP/π)1/3_。

三、分析解答题

1、简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系？

空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。（①分）反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。（①分）停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。（①分）由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。（②分）

2、简述阶跃示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？

阶跃示踪法是对于定常态的连续流动系统，（①分）在某瞬间t=0将流入系统的流体切换为含有示踪剂A且浓度为CA0的流体，（①分）同时保持系统内流动模式不变，并在切换的同时，在出口处测出出口流体中示踪剂A的浓度随时

F(t)

间的变化。（①分）对应的曲线为F（t），

3、简述均相反应及其动力学的研究内容？ CACA0。（②分）

答：参与反应的各物质均处于同一个相内进行的化学反应称为均相反应。均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。

4、对于可逆放热反应如何选择操作温度？

答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度； 2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。

5、简述气-液反应的宏观过程：A（g） + bB（l）→ 产物（l）？

1）反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上假定达到气液相平衡； 2）反应物气相组分A从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应； 3）液相内的反应产物向浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散； 4）气相产物向气相主体扩散。

6、简述固定床反应器的优缺点？

1）催化剂在床层内不易磨损； 2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力；

3）固定床中的传热较差； 4）催化剂的更换必须停产进行。

2，rR k1CA，其活化能为E1；rS k2CA，其活化能为E2，A7、

对于反应当E1 ＞E2时如何选择操作温度可以提高产物的收率？ k10rRk10e E1/RT

SR C eA E2/RTrkk20eS20答：对于平行反应E2 E1RTCA，所以，当E1＞E2时

应尽可能提高反应温度，方可提高R的选择性，提高R的收率

8、简述气固流化床反应器气泡两相模型的特点？

1）以U0的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始流动速度Umf通过，而其余部分以（U0-Umf）则全部以气泡的形式通过； 2）床层从流化前的高

度Lmf增高到流化时的高度Lf，完全是由于气泡的体积所造成； 3）气泡相为向上的平推流，大小均一； 4）反应完全在乳相中进行； 5）气泡与乳相间的交换量Q为穿流量q与扩散量之和。

9、简述双膜理论？

该模型设想在气-液两相流的相界面处存在着呈滞流状态的气膜和液膜，而把气液两相阻力集中在这两个流体膜内，而假定气相主体和液相主体内组成均一，不存在传质阻力。组分是通过在气膜和液膜内的稳定的分子扩散过程来进行传质的，通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间的溶于液体且达到平衡。因此，把复杂的相间传质过程模拟成串联的稳定的双膜分子扩散过程的叠加，相间传质总阻力等于传质阻力的加和。

10、简述理想反应器的种类？

通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。

11、简述气固流化床反应器鼓泡床模型的特点？

答：假定床顶出气组成完全可用气泡中的组成代表，而不必计及乳相中的情况，对气泡的组成进行计算便可以达到反应的转化率

12、简述理想反应器的种类。

答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬

间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间