反应工程期中考试自测题2011秋季.doc

2011秋季CRE期中考试自测题一、填空题（20 Points）1.化学反应器按操作方式分类，分为_、_、_。（间歇反应器，连续反应器，半间歇反应器）2. 化学反应器按传热条件分类，分为_、_、_。（等温反应器，绝热反应器，非等温、非绝热反应器）3温度升高10K反应速率增加一倍的经验规则（the rule of thumb) 只适用于对给定的活化能在特定的温度条件。经验规则成立时活化能与温度之间的关系为_ （写成E=f(T)的形式)。忽略浓度随温度的变化。（ ）.4.着眼关键反应组分A的转化率的定义式为_。（）5.当计量方程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_，否则称为_。（等分子反应，非等分子反应）6. 气态等分子转化，或液相反应中，溶剂占主要体积，溶质反应对溶液的密度影响不明显，反应进行时反应体系的体积可看成不变，则该系统称为_（恒容或恒密度系统）。7.在构成反应机理的诸个基元反应步骤中，如果有一个基元反应步骤的速率较之其他基元反应步骤慢得多，该反应步骤被称为_（决速步），其速率即代表整个反应的速率，其他基元反应步骤可视为处于_。（拟平衡常态）8. 活化能的大小直接反映了_对温度的敏感程度。（反应速率）9.生成主产物的反应称为_，其它的均为_。（主反应、副反应）10.多重反应或复合反应包括_、_、_（平行反应、连串反应、并列反应）三个基本类型。其中，_又称独立反应。11. 如果平行反应均为一级不可逆反应，若，提高选择性应_ _。(提高温度)12. 一级连串反应在平推流反应器中，为提高目的产物P的收率，应_的值。（提高）13.理想反应器是指_、_。理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流）反应器14.具有良好搅拌装置的釜式反应器（CSTR）按_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_反应器处理。（理想混合反应器、平推流）15.全混流反应器的空时是_与_之比。（反应器的有效体积、进料流体的体积流速）16.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_、_。（、）17.对于恒容的平推流管式反应器的平均停留时间、反应时间、空时_。（一致）18对于循环操作的平推流反应器，当循环比0时为_反应器，而当时则相当于_反应器。（平推流、全混流）19. 对于反应级数n0的反应，为降低反应器容积，应选用_反应器为宜。（全混流）； 对于反应级数n0的反应，为降低反应器容积，应选用_反应器为宜。（平推流）20. 对于自催化反应，最合适的反应器为_。（全混流反应器串联平推流反应器）21.对一级不可逆液相反应，反应速率方程为rA=kCA,CA0=0。若物料通过n个串联体积相等的理想CSTR反应，每个反应釜空时都为，则总转化率(第n釜出口处的转化率) XAn=_（ ）22. 在等温间歇釜式反应器中进行下列连串反应APQ ，r1=k1CA, r2=k2CP P为目的产物，即第一个反应为主反应，第二个反应为副反应，A的初浓度为CA0，为使目的产物P的收率最大，则最优反应时间为_（ ）二、选择题(20 Points)1.下列属于均相反应的是_。（A）A. 乙酸乙酯水解 B. CuO的还原 C. 加氢脱硫 D. 电石水解2.下列属于均相反应的是_。（C）A. 催化重整 B. 催化裂解 C. HCl与NaOH的中和 D. 水泥制造3.下列属于非均相反应的是_。（D）A. 乙酸乙酯水解 B. 氢气燃烧 C. HCl与NaOH的中和 D. 催化裂解4.下列属于非均相反应的是_。（B）A. 乙酸和乙醇的酯化 B. 加氢脱硫 C. 氢气燃烧 D. 烃类气相裂解5.气相反应4A + B 3R + S进料时无惰性气体，A与B以31的摩尔比进料，则膨胀因子=_。（C）A. 1/4 B. 2/3 C. 1/4 D. 2/36.气相反应A + B 3P + S进料时无惰性气体，A与B以11摩尔比进料，则膨胀因子=_。（D）A. 2 B. 1 C. 1 D. 27.气相反应2A + B 3P + S进料时无惰性气体，A与B以21摩尔比进料，则膨胀因子=_。（C）A. 1 B. 1/2 C. 1/2 D. 18.反应，则反应级数n=_。（B）A. 0 B. 1 C. 2 D. 39.反应A + B C，已知，则反应级数n=_。（B）A. 0 B. 1 C. 2 D. 310.反应3A P，已知，则反应级数n=_。（A）A. 0 B. 1 C. 2 D. 311.下列属于平行反应的是_。（C）A. A + B P B. C. D.A + B P = R + S11.连串反应A P（目的）R + S，目的产物P的收率_。（B）A. B. C. D. 12.连串反应A P（目的）R + S，目的产物P选择性=_。（A）A. B. C. D. 13.如果平行反应均为一级不可逆反应，若，提高选择性应_。（B）A. 提高浓度 B. 提高温度 C. 降低浓度 D. 降低温度14. 如果平行反应均为一级不可逆反应，若，提高收率YP应_。（C）A. 提高浓度 B. 降低浓度 C. 提高温度 D. 降低温度15.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项_。（B）A. 加料时间 B. 反应时间 C. 物料冷却时间 D. 清洗釜所用时间16.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为_。（A）A. 空时 B. 反应时间t C. 停留时间t D. 平均停留时间17.对于_的反应器在恒容反应过程的平均停留时间、反应时间、空时是一致的。（D）A. 间歇式反应器 B.全混流反应器 C. 搅拌釜式反应器 D. 平推流管式反应器18.对于自催化反应，最合适的反应器为_。（D）A. 全混流反应器 B. 平推流反应器C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器19.对于反应级数n0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_。（B）A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器20.对于反应级数n0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_。（A）A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器21.对于可逆放热反应，为提高反应速率应_。（C）A. 提高压力 B. 降低压力 C. 提高温度 D. 降低温度22.对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为_。（A）A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器三、简答题(15 Points)1简述理想反应器的种类？ 答：通常所指的理想反应器有两类：完全混合反应器（理想CSTR）和活塞流（PFR）反应器。所谓完全混合流反应器是指反应器内的反应流体瞬间达到完全混合，反应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反应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。2.简述分批式操作反应器？ 答：反应物料一次性投入反应器内，在反应过程中，不再向器内投料，也不出料，待达到反应要求的转化率后，一次性出料，每批操作所需生产时间为反应时间与非生产性时间之和，非生产性时间包括加料、排料和物料加热、冷却等用于非反应的一切辅助时间。3.简述理想CSTR（又称全混流反应器）的特点？答：物料在反应器内充分返混；反应器内各处物料参数均一；反应器的出口组成与反应器内物料组成相同；连续、稳定流动，是一定态过程。4.简述PFR（又称活塞流反应器）的特点？答：由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。5.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？ 答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。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。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。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。6.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。7.对于平行反应，；，当时，应该选择何反应器及操作条件以提高产物P的收率？ 答：（1）主反应（生成P的反应）反应级数大于副反应的级数，反应器选择PFR，间歇反应器，及选择A的浓度高，惰性稀释剂少的操作条件。（2）主反应活化能大于副反应的活化能(E1E2)，升高温度有利于提高主反应的选择性。8简述理想吸附模型的基本假定？ 答：理想吸附模型的基本假定为（1）吸附剂表面能量均匀各吸附位能量相同；（2）被吸附分子间的作用力可忽略不计；（3）单分子层吸附。9.列出间歇反应器、CSTR、PFR基本设计方程？答：间歇反应器基本设计方程：dNA/dt=-rAVCSTR基本设计方程：V=(FA0-FA)/rAPFR基本设计方程：dFA/dV=-rA其它形式的设计方程可由上述三式导出。四、计算题（45 Points）1.某气相一级反应A2R+S在等温、等压的实验室反应器内进行，原料含A75%，惰性气体25%（mol分数），经8min后其体积增加了一倍，求此时的转化率及该温度下的速率常数。解答：解：V=V0 （1+XA）（P0/P)（T/T0) A=A* yA0 = 2*0.75=1.5 根据等温、等压及V=2V0的条件，得2V0=V0（1+1.5XA） XA=66.7%间歇反应器中，一级恒容反应，转化率与反应时间的关系为t =(1/k)ln1/（1-XA）所以k= (1/t)ln1/（1-XA）=(1/8)ln1/（1-0.667）=0.137(min-1)2.环氧乙烷在450的气相分解反应如下：C2H4O（g)CH4(g)+CO(g),已知在此温度下的反应的速率常数为0.0212min-1,反应在恒温恒容的容器中完成，初始压力为2.026x105Pa。试求在反应时间为50min时反应器的总压力。解答：考虑间歇反应器内恒温恒容反应 C2H4O（g)CH4(g)+CO(g) , rA=kCAyA0=1,=2-1=1A=yA0A=1x1=1CA0=PA0/RT=P0/RTCA=CA0（1-XA）P=P0(1+AXA)=P0(1+XA) （恒温恒容体系）rA=kCA0 (1-XA)间歇反应器设计方程NA0dXA/dt=VrA= V0 kCA0(1-XA) (直接用恒容反应器设计方程rA=CA0dXA/dt=kCA0(1-XA)亦可）化简，分离变量，得dXA/(1-XA)= kdtt=0 t;XA=0XA,积分得ln(1/(1-XA)=kt最后得 XA=1-exp(-kt) （1题和2题注意重要结论：一级恒容反应，转化率与反应时间的关系）t=50min时XA=1-exp(-0.0212x50)=0.654P=P0(1+XA)=2.026x105x(1+0.654) =3.35x105 (Pa)3为下列反应建立表达每个物质的浓度与转化率XA的关系式。（所有已知量如A，A，yA0等都要赋值。） （1）气相裂解 C2H6C2H4+H2纯乙烷6atm 和1100K进入流动反应器。 （2）气相催化氧化反应 C2H4+1/2O2C2H4O,乙烯与空气按化学进料比进料，进料压力为6atm,260 。解答：j物质浓度的一般表达式为:Cj=CA0(j+jXA)/(1+AXA）(P/P0)(T0/T)对于恒温恒压过程，Cj=CA0(j+jXA)/(1+AXA）（1）C2H6C2H4+H2 A B +CCA0=PA0/(RT)=6/(0.082x1100)=0.0665 (mol/L)A=1+1-1=1yA0=1A=AyA0=1x1=1B=CB0/CA0=0C=CC0/CA0=0CA= CA0(1-XA)/(1+AXA）=0.0665(1-XA)/(1+XA） mol/LCB= CA0(B+vBXA)/(1+AXA）=0.0665XA)/(1+XA） mol/LCC= CA0(C+vCXA)/(1+AXA）=0.0665XA)/(1+XA） mol/L(2) C2H4+1/2O2C2H4OA + 1/2B CI代表N2，由题意知，进料中A，B，I mol比为1:0.5:（0.5*0.79/0.21）=1:0.5:1.88yA0=1/(1+0.5+1.88)=0.3CA0=yA0P0/(RT)=0.3*6/(0.082*533.15)=0.0406 (mol/L)B=FB0/FA0=0.5C=FC0/FA0=0A=1-1-0.5=-0.5A=AyA0=-0.5x0.3=-0.15CA= CA0(1-XA)/(1+AXA）=0.0406(1-XA)/(1-0.15XA） mol/LCB= CA0(B+vBXA)/(1+AXA）=0.0406(0.5-0.5XA)/(1-0.15XA） mol/L =0.0203(1-XA)/(1-0.15XA） mol/LCC= CA0(C+vCXA)/(1+AXA）=0.0406XA)/(1-0.15XA） mol/L（注意气体常数R的取值与压力P、体积V及浓度单位的对应关系）4.气相反应 2A+B2C在等温等压的条件下进行。反应对A是一级，对B也是一级。等摩尔 A和B进料，A的进料浓度为0.5mol/dm3。反应速率常数k=4.0dm3/(mols) 。试写出反应速率rA与转化率XA的关系。评价所有的参数。解答：2A+B2C， A+1/2BC ， rA=kCACBCA0=0.5yA0=yB0=0.5B=yB0/yA0=1C=yC0/yA0=0A=1-1-0.5=-0.5A=yA0A=0.5x(-0.5)=-0.25CA= CA0(1-XA)/(1+AXA）=0.5(1-XA)/(1-0.25XA） mol/LCB= CA0(B+vBXA)/(1+AXA）=0.5(1-0.5XA)/(1-0.25XA） mol/LrA=kCACB=4*0.5(1-XA)/(1-0.25XA）*0.5(1-0.5XA)/(1-0.25XA）=(1-XA)(1-0.5XA)/(1-0.25XA)2 mol/（dm3s）5. 考虑恒温恒压间歇反应器内反应 A3C ，rA=kCA2。 A,C是理想气体，纯A进料，且初始浓度为CA0。试推导转化率与时间的关系（写成t=h(XA)的形式）。解答：yA0=1,A=3-1=2,A=yA0=1x2=2CA=CA0（1-XA）/(1+AXA)=CA0(1-XA)/(1+2XA)V=V0(1+AXA)=V0(1+2XA)rA=kCA02 (1-XA)2/(1+2XA)2NA0dXA/dt=VrA = V0(1+2XA) kCA02 (1-XA)2/(1+2XA)2 =V0 k CA02(1-XA)2/(1+2XA)又CA0=NA0/V0上式化简,分离变量得： dXA(1+2XA)/(1-XA)2= kCA0dtXA从0开始，t从0开始积分，得 6.第5题中的反应如果是恒容间歇反应器内进行的反应，其它条件相同，转化率与时间的关系又如何？解答：对间歇恒容体系中的二级反应，rA=kCA2=kC A02 (1-XA)2反应时间为或：（5题注意重要结论：二级恒容反应，转化率与反应时间的关系）7.已知一级反应在PFR中进行，出口转化率为0.9，现将该反应移到CSTR中进行，如果两反应器的体积相同，且操作条件保持不变，在CSTR的出口处转化率是多少?解答：在PFR中（与间歇反应器中的反应时间有相同的表达式）在CSTR中，由于两反应器体积相同，且其它条件一样（所以进料体积流率一样）故 PFR=CSTR得到解得 8、气体按下式进行反应：A2B。已知该反应为一级分解反应，在等温等压的PFR中进行，试推导物料的空间时间与停留时间，并作比较说明。假设反应气体为理想气体。解答：等温等压PFR反应器内气相变分子一级反应， A2BA=2-1=1，A=yA0xA=1x1=1rA=kCA=kCA0(1-XA)/(1+AXA) =kCA0(1-XA)/(1+XA) 对一级反应，PFR空时变容体系体积流率v=v0(1+AXA)停留时间计算t由于所以对于体积膨胀的气相反应，停留时间要小于空时。9.对于自催化反应AB，速率方程 r=kCACB,初始浓度为CA0，CB0=0.(a)理想的反应器组合是什么样的？反应器之间的最佳产物浓度是多少？(b)如果CA0=1mol/L,且k=0.25L/(molmin), 转化率为90%时，最佳组合反应器的空时是多少？解答：(a) 理想的反应器组合为CSTR+PFR:CSTR在前，PFR在后。先利用CSTR在最大速率下反应，然后用PFR反应至设定的转化率。(b) CA=CA0（1-XA）CB=CA0(B+BXA) B=CB0/CA0=0B=1CA0=1 mol/Lk=0.25L/(molmin) rA=kCACB=kCA02(1-XA)XAdrA/dXA=kCA02(1-2XA)=0时速率最大，解得此时转化率 XAm=1/2 CSTR的空时PFR的空时组合反应器空时 =8+8.79=16.79(min)10. 在流动反应器中在进行下列绝热放热不可逆反应气相反应 2A+B2C，A和B等mol比进料。A的转化率XA与FA0/rA关系如下图。（1） 求体积膨胀系数A。（2） 达到80%转化率PFR的体积。（3） 达到80%转化率CSTR体积。（4） 达到80转化率最佳组合反应器的总体积。解答（1）等mol A和B进料，A是限制性反应物。取A为关键反应物。yA0=0.5,A=1-1-0.5=-0.5A= yA0A =0.5*（-0.5）=-0.25（2）XA从0到0.5梯形面积S1=（100+500）*0.5/2=150(dm3)XA从0.5到0.8梯形面积S2=（100+500）*0.3/2=90(dm3)所以PFR体积（2） CSTR体积为XAf=0.8时矩形的面积。V=FA0XAf/rA=0.8*500=400(dm3)(4)最佳反应器组合：先用CSTR在最大速率下反应，由题图可知此时对应的转化率XAm=0.5；接着用PFR将反应进行至目标转化率XAf=0.8。CSTR的体积V1=FA0XAm/rA=100*0.5=50dm3PFR的体积V2=S2=90dm3组合反应器的体积为V=V1+V2=50+90=140 dm311.对于反应 AB，r1=k1, AC，r2=k2CA,在CSTR中，空时为1min,CA0=2mol/L,A的转化率为75%时，目标产物B的选择性为67%.(1)在PFR中，=1min时，进料条件不变的情况下求反应的选择性与转化率(2)求出在CSTR中选择性为99%的空时和转化率解答：由题给条件计算平行反应的速率常数k1, k2 CSTR中的恒容过程，=1min, CA0=2mol/L, XA=75%时，SB=67%.rA=r1+r2=k1+k2CArB=r1=k1rC=r2=k2CA恒容过程空时表达式 =（CA0-CA)/rA=(CA0-CA)/(k1+k2CA)=0.75CA0/(k1+0.25k2CA0) (a)=（CB-CB0)/rB=CB/k1 (b)SB=CB/（CA0-CA）=CB/0.75CA0=0.67 (c)解得 CB=0.67x0.75 x 2=1(mol/L) 由(c) k1=CB/=1/1=1 (mol/Lmin) 由(b) k2=1 (min-1) （1）PFR中的恒容过程，空时=1min,CA0=2mol/L, k1=1 mol/Lmin ，k2=1 (min-1) XA=？，SB=？ 速率表达式 rA=k1+k2CA rB=k1 rC=k2CA 空时表达式(微分形式) -dCA/d=k1+k2CA (d) dCB/d=k1 (e)(d)式积分得 由(e)式积分得 CB=k1=1mol/LA的转化率为 XA=(CA0-CA)/CA0 =(2-0.104)/2 =0.95B的选择性 SB=CB/(CA0-CA) =1/(2-0.104) =0.523 计算表明，PFR有利于反应级数高的反应，对于生成目标产物反应级数低的反应，宜采用CSTR、循环反应器或半连续式反应器以保持A的低浓度，有利于提高目标产物B的选择性和收率。（3） CSTR中的恒容过程，CA0=2mol/L, k1=1 mol/Lmin ，k2=1 (min-1),SB=0.99=?,XA=?=(CA0-CA)/(k1+k2CA)=(2-CA)/(1+CA) (f)=（CB-CB0)/rB=CB/k1= CB (g)SB=CB/（CA0-CA）=CB/(2-CA)=0.99 (h)联立(f)(g)(h)三式得CA=1-1/0.99=0.010=(2-CA)/(1+CA)=(2-0.01)/(1+0.01)=1.97minXA=(CA0-CA)/CA0=(2-0.01)/2=99.95% 12.用一个1升的全混流反应器来确定某反应的动力学方程，A的液相溶液分别以不同的流率和不同的初始浓度加入反应器，并测定A的出口浓度，得到如下表所示的数据。v0L / minCA0mmol / LCAmmol / L0.449.1418.340.564.4023.601103.2041.142153.2068.102180.8075.72假设反应速率只与A有关，求反应速率方程式。解：根据全混流反应器的设计方程,对于液相体系有： 及由已知数据表可得下述数据表：，min（VR/v0）ln CAln (rA)2.512.322.912.51220.403.163.02162.043.724.130.5170.24.225.140.5210.164.335.35假设：rA= k CAn, 得：ln (rA) = ln k + n lnCA以ln (rA) 对ln CA做图，得一直线，截距 ln k = -3.3，得：k = 0.037 L / (mmolmin) ，ln (rA)斜率n=2，故速率方程为：rA = 0.037CA2 mmol / (Lmin)13.在等温间PFR反应器中进行下列连串反应 APQ ，r1=k1CA, r2=k2CP P为目的产物，即第一个反应为主反应，第二个反应为副反应，A的初浓度为CA0，（1） 试推导A,P,Q的浓度与空时的关系。（2） 求最优空时及P的最大浓度与最大收率。解答：（1）与（间歇反应器）相似，写出A,P,Q的衡算方程 dCA/d=r1=k1CA dCP/d=r1-r2=k1CA-k2CP dCQ/d=r2=k2CP上三式分离变量积分得（2）令dCP()/d=0,得最优空时为代回CP()的表达式得P的最大浓度为最大收率为方格坐标附录：常用积分表