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1、化学反应工程模拟题答案一、填空题：1. 所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指 质量传递、热量传递和动量传递，“一反”是指 反应动力学 。2. 各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升高有利于活化能 高 的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数 大 的反应的选择性。3. 测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为 脉冲示踪法 和 阶跃示踪法 。4. 在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的两种最主要的方法为 积分法 和 微分法 。5. 多级混合模型的唯一模型参数为 串联的全混区的个数N ，轴向扩散模型的唯一模型参数为
2、Pe（或Ez / uL） 。6. 工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是 活性、选择性 和 稳定性。7. 平推流反应器的E函数表达式为 ，其无因次方差= 0 ，而全混流反应器的无因次方差 1 。8. 某反应速率常数的单位为m3 / (mol hr )，该反应为 2 级反应。9. 对于反应，各物质反应速率之间的关系为 (-rA)：(-rB)：rR 1：2：2 。10. 平推流反应器和全混流反应器中 平推流 更适合于目的产物是中间产物的串联反应。11. 某反应的计量方程为，则其反应速率表达式 不能确定 。12. 物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67 时转化50 需要30 min, 而
3、在80 时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46105 (J / mol ) 。13. 反应级数 不可能 （可能/不可能）大于3。14. 对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑 反应器的大小 ；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是 目的产物的收率 ；15. 完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度 均一 ，并且 等于 （大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。16. 下图是某连串反应在各转化率下的产物浓度分布曲线，那么当转化率达70% 时，中间产物R的化学反应工程定义总收率为 64% ，按炼厂或化工厂惯用的收率和选择性的定义，在
4、该转化率条件下的收率是 45% ，选择性是 64% 。00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0A R SXAC/CA0 二、多项选择题：1关于理想的间歇式反应器、平推流反应器和全混流反应器，下列描述正确的是 A, C, D A. 三者同为理想反应器，但理想的内涵是不同的；B. 理想的间歇式反应器和全混流反应器的理想的内涵是一样的，都是反应器内温度和组成处处相同；C. 理想的间歇式反应器和全混流反应器的理想的内涵是不一样的，虽然都是反应器内温度和组成处处相同，但前者随着时间的变化温度和组成可能都发生变化，而后者则不随时间变化；D. 平推流和全混流反应器都是连续流动式反应器，
5、前者的返混为零，后者为无穷大2 关于积分法和微分法，认识正确的是 A, B A. 积分法和微分法是两种求取动力学参数的数据处理方法，前者对数据的精度要求比后者低；B. 积分法不能处理动力学较为复杂的（反应物和产物不止一种、正反应和逆反应的反应级数不同）可逆反应；C. 积分法得到的动力学参数比微分法可靠3 对于一级恒容和一级变容不可逆反应，下面叙述正确的是 C A. 在同一平推流反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的；B. 在同一全混流反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的；C. 在同一间歇式反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的；D. 在同一平推流反应
6、器或间歇式反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的4 对于瞬时收率和总收率，下列正确的判断是 A, C A. 对于全混流反应器，反应的瞬时收率与总收率相等；B. 对于平推流反应器，反应的瞬时收率与总收率相等；C. 对于平推流反应器，反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系；D. 对于全混流反应器，反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系；5 气相变容反应，原料中混入了一定量的惰性气体（惰性气体与A和B的转化率为零时的初始总摩尔数比为1：1，A与B的比例为计量比），则膨胀率为 C A. -0.5；B. -1/3；C. -1/6；D. -5/66 纯气体A (浓度2 mol / L，摩尔流率1
7、00 mol / min) 在平推流反应器里分解生成一系列产物，其动力学为：，在一个9.8 L的反应器里进行反应所能达到的转化率为 A A. 70%；B. 80%；C. 90%；D. 100%7 关于E函数和F函数，下面正确的是 B, C, D A. F(t)= E(t)；B. ；C. ；D. 8 轴向分散系数与扩散系数，下面论述正确的是 B, C, D A. 两者实质上是相同的，都符合Fick定律；B. 两者实质上是不同的，轴向分散系数的定义实际上是借用了Fick定律的形式；C. 轴向分散系数是与流动有关系的；D. 扩散系数是物质本身的一种属性9 宏观流体和微观流体是流体凝集态的两种极端形式
8、，流体的凝集态不同，对反应结果一般有明显的影响，但对于 A, B 是例外。A. 一级不可逆反应；B. 在平推流反应器内进行反应；C. 在全混流反应器内进行反应；D. 零级反应10 对于一个气固相催化反应，减小外扩散和内扩散影响的措施正确的是 A A. 提高反应器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径；B. 降低反应器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径；C. 降低反应器内气体的流速，增大催化剂颗粒的直径；D. 增加催化剂颗粒的直径，提高反应器内气体的流速11 关于基元反应的认识，正确的是 A, B A. 分子数是针对基元反应的概念；B. 基元反应的计量系数与对应物种的反应级数之间存在一一对应关系；C
9、. 基元反应和意义是一样的；D. 有的基元反应的总反应级数可能是小数12 对于一个均相变容反应，针对反应物A的反应速率，下面表述正确的是 B,D A. ；B. ；C. ；D. 13 对于平行反应，活化能E1 E2，反应级数n1 n2，如果目的产物是R的话，我们应该在 D 条件下操作。A. 高温、反应物A高浓度； B. 高温、反应物A低浓度；C. 低温、反应物A高浓度； D. 低温、反应物A低浓度14 对于化学反应的认识，下面正确的是 B, D A. 化学反应的转化率、目的产物的收率仅与化学反应本身和使用的催化剂有关系；B. 化学反应的转化率、目的产物的收率不仅与化学反应本身和使用的催化剂有关，
10、而且还与反应器内流体的流动方式有关；C. 反应器仅仅是化学反应进行的场所，与反应目的产物的选择性无关；D. 反应器的类型可能直接影响到一个化学反应的产物分布15 对于一个串联反应，目的产物是中间产物，适宜的反应器是 B A. 全混流反应器；B. 平推流反应器；C. 循环反应器；D. 平推流与全混流串联在一起的反应器16 关于非理想流动与停留时间分布，论述正确的是 A, C A. 一种流动必然对应着一种停留时间分布；B. 一种停留时间分布必然对应着一种流动；C. 一种停留时间分布可能对应着多种流动；D. 流动与停留时间分布存在一一对应关系17 是 B A. 平推流的E函数；B. 全混流的E函数；
11、C. 平推流串联全混流的E函数；D. 全混流串联平推流的E函数18 对于轴向分散模型，选择不同的边界条件，计算公式和结果都有所不同，这说明 D A. 边界条件是人为设定的，是为了便于有关公式的推导；B. 边界条件可以自由选取；C. 边界条件决定于操作条件和反应装置的本身；D. 边界条件不同，直接影响到反应器内的流动和反应。19 对于一个气固相催化反应过程，下列属于动力学因素的是 C, D A. 气膜扩散；B. 孔内扩散；C. 反应物的吸附和产物的脱附；D. 表面反应20 Langmuir吸附模型的四个假定：均匀表面、单层吸附、吸附机理相同和无相互作用这几点应该说是非常苛刻的，实际情况很难满足上
12、述要求。然而，对于多数的化学反应，应用这几点假定进行有关的推导，结果一般是可以接受的，其主要原因在于 A A. 实际反应过程中催化剂表面吸附物种的覆盖度很低；B. 实际的催化剂表面一般很平整；C. 实际的催化剂表面上活性位间的距离较远；D. 实际的催化剂表面上活性位的数量有限21 关于指前因子和活化能描述正确的是 B A. 指前因子理论上与温度无关，活化能的取值永远都是正的，活化能大、温度低，反应速率对温度的变化更敏感；B. 指前因子理论上与温度有关，但与指数项相比其随温度的变化可以忽略，活化能的取值永远都是正的，活化能大、温度低，反应速率对温度的变化更敏感；C. 指前因子理论上与温度有关，活
13、化能的取值不可能永远都是正的，活化能小、温度高，反应速率对温度的变化更敏感；22 对于一级不可逆反应，产物R的最大浓度通常 C A. 只与速率常数的大小有关；B. 只与反应温度有关；C. 与A的初始浓度和速率常数的大小有关；D. 只与A的初始浓度有关23 测定停留时间分布常用的方法有脉冲示踪法和阶跃示踪法，关于这两种方法，下列描述正确的是 A，B，D A. 这两种方法都是物理示踪法；B. 根据脉冲示踪法得到的实验数据，可以直接得到E函数；C. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到E函数；D. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到F函数三、计算题：1. 某一级液相反应在一只全混流反应
14、器中进行，转化率为95，如果再串联一只同样的全混流反应器，使转化率仍维持在95，试问处理量应增加多少？【解】： 当反应在一个全混流反应器内进行时，根据全混流反应器的设计方程，有 .(1)当两个等体积全混流反应器串联时，转化率不变，则有 .(2)根据式（1），得=19；根据式（2），得6.94。进料体积流率之比等于空时的反比，即。也就是说，串联后进料体积流率应为原来的5.48倍，即需增加4.48倍。2. 某速率常数为0.15 min-1的一级不可逆反应在一非理想反应器内进行反应，示踪结果表明，和 分别为15 min和0.21。求用多级混合流模型预测的转化率。解：根据多级混合流模型无因次方差与N之
15、间的关系，有 = 4.76 根据一级不可逆反应多级混合流模型转化率的表达式，有 3. 反应物A反应首先生成R (k1 = 6 hr-1)，R进一步反应生成S (k2 = 3 hr-1)和T (k3 = 1 hr-1)。如果浓度为1.0 mol / L的纯A在一个全混流反应器内进行反应，求R浓度达到最大值的空时及R的最大浓度。解：根据一级不可逆串联反应在全混流反应器中进行反应时中间物种最大浓度及达到最大浓度空时的公式，有： 0.2 hr说明：上述两公式也可通过对反应物A和产物R两次应用全混流反应器设计方程，求得产物R的浓度表达式，然后令，求出 topt 和CR, max的值。4某一级恒容反应AP
16、在一平推流和一全混流反应器所组成的串联反应器组中进行，两反应器的有效容积均为Vr，进料为纯A，初始体积流率为v0，试证明最后的总转化率与这两个反应器的串联顺序无关。（假设两反应器的温度相等且保持恒定，反应器被反应物全部充满）解: 反应速率方程：(a) 全混流在前，平推流在后由全混流的设计方程，得：故：由平推流的设计方程得：则：其中（b）平推流在前，全混流在后对平推流： 得：对全混流：得：即：两各反应器的排列顺序不影响反应结果5纯组分A发生下述平行反应， A的起始浓度为2 mol / L，反应在恒温的条件下进行，试确定在如下反应器中目的产物S所能达到的最大浓度。a. 平推流反应器b. 全混流反应
17、器解： (a) 对于平推流反应器：当CA曲线下的面积最大，即A完全转化（CA0）时CS最大，即：= 0.469 mol / L（b）对于全混流反应器：故：令，得：解得：CA1 mol / L故： mol / L6某气相一级不可逆反应：在等温，等压条件下在一间歇反应器中进行，原料中含A 75（mol），8分钟后体积增加了一倍，求A的转化率以及此温度下的速率常数。解：(1) 该反应为变容反应，摩尔比; 0.25 0.75 即： 1/3 1故：i=1/3，即：膨胀率：8分钟后：V2V0 = V0（1A xA）解得：xA = 66.7 %(2) 由间歇式反应器的设计方程，对一级反应，有：则：7用一个1
18、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：得：由已知数据可得下述数据：，minln CAln (- rA)2.512.322.912.51220.403.163.02162.043.724.130.5170.24.225.140.5210.16
19、4.335.35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) ，斜率n=2，故速率方程为：rA = 0.037CA2 mmol / (Lmin)8在某实际反应器内用脉冲输入法测得其出口物料中示踪剂浓度的变化数据如下：t, min012345678910C(t), g /L00356643210试列出相应表格计算各反应时间下所对应的的E(t)值和F(t)值以及平均停留时间 ，并画出E (t) 和F (t) 曲线。解：由于是等时间间隔（
20、Dt = 1min），利用矩形积分法可得到如下公式：根据上述公式列表计算如下：t,min012345678910C(t),g/L00356643210003814202427293030E(t)，min-1000.10.170.20.20.130.10.070.030F(t)000.10.270.470.670.80.90.971.01.04.83E（t）、F（t）曲线图如下：9向某实际反应器入口用脉冲法加入示踪物，在出口测得的示踪物浓度变化如下：t, min048121620242832C(t)，g /L0358107420若在该反应器内进行AP的一级异构化反应，已知反应流体为宏观流体，入口
21、处A的转化率为零，反应速度常数为0.045min-1，试用凝集流模型预测在该反应器出口处所能达到的转化率。（提示：凝集流模型公式 ）解：根据凝集流模型的计算公式：其中，对于一级反应： 对于脉冲示踪法：所以，可利用矩形加和法进行近似积分：列表计算如下：ti, min048121620242832C(ti)，g/L0358107420038162633373939 00.4941.5123.3385.1324.1542.6421.432010在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应： C6H5CH(CH3)2 C6H6 + C3H6若以A、B及R分别表示异丙苯、苯及丙烯，s代表催化剂上的一个活性中心，其反
22、应步骤如下： A + s As As Bs + R Bs B + s若表面反应为速度控制步骤，试由L-H机理和Hougen-Watson模型推导异丙苯分解的等温速度方程式。解：由题意，步骤（2）应为速度控制步骤，设其中的正向、逆向反应速度常数分别为kr 、kr ,有：又由步骤（1）已达平衡，有：由步骤（3）已达平衡，有：而代入原速度表达式，有：（其中k = krKA, K为总化学反应平衡常数）11在直径为6 mm的球形催化剂颗粒上进行某一级不可逆反应AP，已知：催化剂外表面上的反应物A浓度为9.510-5 mol / cm3，温度为350 oC。该反应为放热反应，热效应为 -131800 J/
23、 mol-A，活化能为103600 J/ mol-A。催化剂颗粒的有效导热系数为2.0110-3 J/ cms oC，反应物A在颗粒微孔内的有效扩散系数为0.015 cm2/ s，反应的本征反应速度常数kv = 11.8 s-1。试计算：(1) 颗粒中心与催化剂外表面间可能达到的最大温度差；(2) 在此种情况下（颗粒内部同时存在着浓度梯度和温度梯度）催化剂颗粒的内扩散有效系数。解：（1）（2） 由已知dP = 6 mm，得R = 6 0.1/ 2 = 0.3 cm，查下图可得，h 0.612在500下使用硅铝小球催化剂进行石脑油的催化裂化反应，该反应可近似当作一级不可逆反应处理。已知催化剂的平
24、均孔半径为30 ，颗粒直径为0.31 cm，颗粒密度为1.14 g/cm3，孔体积为0.35 cm3/g，油品的平均分子量为120，反应速度常数kW = 0.25 cm3/sg-cat，曲折因子 t = 2。在反应条件下，催化剂微孔内的扩散主要是努森扩散，温度梯度基本可忽略，试计算此时催化剂的有效系数。注意：此公式中的a 单位为cm 解：化学反应工程名词解释在大型装置中，传热和控温往往是头等难题，甚至根本不可能达到与小装置相同的温度条件，因此，就出现“放大效应”。绝热温升：系统总物料为1mol时，反应物全部转化后绝热状态下所引起的温度升高。间歇式反应器：一次性加料，经过一段时间出料的反应器。积
25、分反应器：指物料一次性通过床层所得的转化率较大的反应器。努森扩散：扩散阻力来自于分子与孔壁产生的碰撞的扩散。理想表面：催化剂表面各处的吸附能力是均一的。临界流化速度：指刚刚能够使粒子流化起来的气体空床流速。反应级数：指动力学方程中浓度项的指（幂）数。吸附等温线：描述一定温度下，气体吸附量与压力之间的关系。真密度：以骨架体积为计算基准的密度。方差：对于平均值的二次矩。膨胀因子：当反应物A（或产物P）每消耗（或生成）1mol时，所引起的整个物系总物质的量（mol）的增加或减少值。膨胀率：表征变容程度的参数，仅适用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况。返混：停留时间不同的流体颗粒之间的混合。平推流
26、：指反应物料以一致的方向向前移动，在整个截面上各处的流速完全相等。全混流：指刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器中的物料能达到瞬间的完全混合，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同，且等于反应物出口物料的温度和浓度。停留时间：指从反应物进入反应器时算起至离开反应器时为止所经历的时间。停留时间分布：由于同时进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，因而形成一个分布。空时：在规定的条件下，进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间。空速：在规定的条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的空积，或单位时间内通过单位反应器的物料体积。宏观流体：全部以离集状态存在，即只
27、有宏观混合的流体微观流体：流体中所有分子都以分子状态均匀分散的流体。工业催化剂所必备的三个主要条件：活性好、选择性高、寿命长。催化剂的物理特性：物理吸附和化学吸附。比表面：每克催化剂的全部表面积。孔容与孔径分布：若干个粒子内的微孔已占有相当的体积比例的疏松介质的颗粒压制成型的一颗组合颗粒，则在单粒与单粒间还有许多较大的空隙存在，它与单粒内微孔体积之和称为粒内的孔容。催化剂颗粒内不同的孔的孔径有大有小，因而形成一个分布。孔容测定中，较精确的方法是氦汞法和氮解析法。对于固定床的反应管，管内径至少应为催化剂粒径的8倍以上，层高至少为粒径的30倍以上，并需充填均匀。临界流化速度：当流达到某一限值，床层
28、刚刚能被流体托动时，床内颗粒就开始流化起来了，这时的流体空床线速被称为临界流化速度。湍动床：随着气速的加大，流化床中的湍动程度也跟着加剧，这种情况叫湍动床。吸附等温线方程类型答：朗缪尔型 弗罗因德利希型（物理化学法）焦姆金型（物理法） BET型（化学法）反应的控制步骤答：气体在催化剂存在下进行化学反应可以设想是由下列步骤组成的反应物从气流主体扩散到催化剂的外表面（外扩散过程）反应物进一步向催化剂的微孔内扩散进去（内扩散过程）反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程）吸附的反应物转化成反应的生成物（表面反应过程）反应生成物从催化剂表面上脱附下来（脱附过程）脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化
29、剂外表面处（内扩散过程）生成物分子从催化剂外表面扩散到主流气流中被带走（外扩散过程）微分反应器与积分反应器的优缺点答：微分反应器优点是可以直接求出反应速率，催化剂用量少，转化率又低，所以容易做到等温，但分析精确度相应的要高很多，这一点往往成为主要困难，另外配料较费事，如有副反应物生成，其量更微，难以考察，此外，由于床层较薄，一旦有沟流，其影响甚大，所以装料时要求均匀。积分反应器结果简单、实验方便，由于转化率高，不仅对取样和分析的要求不高，而且对于产物有阻抑作用和存在反应的情况，也易于全面考察，对于过程开发颇为重要，另一方面，对于热效应很大的情况，管径即使很小，仍难以消除温度梯度而使数据的精确性受到严重的影响，此外，数据处理比较繁琐，也是一个缺点。流化床的优缺点答：优点：传热效能高，而且床内温度易于维持均匀，这对于热效应大而对温度又很敏感的过程是很重要的，因此特别被应用于氧化、裂解、焙烧以及干燥等各种过程大量固体颗粒可方便地往来输送由于颗粒细小，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能缺点：气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气固两相接触不够有效，在要求达到高转化率时，这种状况更为不利颗粒运动基本上是全混式，因此停留时间不一，另外粒子的全混也造成气体的部分反混影响反应速率和造成副反应的增加颗粒的磨损和带出造成催化剂的损失，并要有旋风分离器等颗粒回收系统