武汉科技大学《化学反应工程》期末试卷及答案

武汉科技大学化学反应工程期末自测试卷

I.填空题 1.(1)

化学反应工程是一门研究______________的科学。

2.(1)

化学反应速率式为β

αB A C A C C K r =-，如用浓度表示的速率常数为C K

，用压力表示的速率常数P K ，则C K

=_______P K 。

3.(2)

平行反应

A

P(主)

S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是

_______的函数。

4.(1)

对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。

5.(3)

对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。

6.(1)

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_______。

7.(2)

流体的混合程度常用_______、_______来描述。

8.(2)

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_______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_______失活。

9.(1)

对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约_______时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素。

10.(1)

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_______模型来计算。

11.(1)

对于可逆的放热反应，存在着使反应速率最大的最优温度opt

T 和平衡温度

eq

T ，二者的关系为

______________。

12.(1)

描述流化床的气泡两相模型，以

U 的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始流化速度

mf

U 通过，而其余部分_______则全部以气泡的形式通过。

13.(2)

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_______相为平推流，而对_______相则有种种不同的流型。

14.(1)

多相反应过程是指同时存在_______相态的反应系统所进行的反应过程。

II.单项选择 1.(2)

一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优空时=

opt τ_______。

A. 1212)/ln(K K K K -

B. 1221)

/ln(K K K K - C. 2

112)/ln(K K K K D. 211K K

2.(2)

全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A χ的增大而减小，此时该反应的反应级数n_______。

A. ＜0

B. =0

C. ≥0

D. ＞0

3.(2)

当反应级数n_______时，微观流体具有比宏观流体高的出口转化率。

A. =0

B. =1

C. ＞1

D. ＜1

4.(2)

轴向分散模型的物料衡算方程的初始条件和边界条件与_______无关。

A. 示踪剂的种类

B. 示踪剂的输入方式

C. 管内的流动状态

D. 检测位置

5.(2)

对于气-液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用_______装置。 A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜

6.(2)

催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为d

m i d C k dt d ψψ

=-

，当平行失活对反应物有

强内扩散阻力时，d 为_______。

A. ≈0

B. =1

C. →3

D. ≈1

7.(2)

不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。 A. 粒子与流体间有温度差 B. 粒子与流体间无温度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层轴向有温度梯度

8.(2)

不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是_______。 A. 粒子与流体间有浓度差 B. 粒子与流体间无浓度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层径向有浓度梯度

9.(2)

下列哪一项不属于流化床反应器按深度而分的第Ⅱ级模型的特点_______。 A. 各参数均为恒值 B. 参数值不随床高而变 C. 参数值与气泡大小无关 D. 参数值与气泡大小有关

10.(2)

流化床反应器中的操作气速0U

是根据具体情况定的，一般取流化数mf U U 0在_______范围内。 A. 0.1～0.4 B. 1.5～10 C. 10～15 D. 0.4～1.5

III.简答题 1.(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？

2.(5)

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？

3.(5)

简述气-液反应的宏观过程：A （g ） + bB （l ）→ 产物（l ）？

4.(5)

简述固定床反应器的优缺点？

5.(5)

简述气固流化床反应器气泡两相模型的特点？

6.(5)

简述双膜理论？

IV.计算题 1.(10)

醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二氧化碳：

O

H CO CH COOH CH k 2231

+=?→?

2

432

CO CH COOH CH k +?→?

已知在916℃时1

21

174.3,65.4--==s k s k ，试计算：

1） 99%的醋酸反应掉的时间；(6分)

2）在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。（4分）

2.(10)

有一级不可逆反应A →P ，在85℃时反应速率常数为3.45h -1

，今拟在一个容积为10m 3

的釜式反应器中进行，若最终转化率为95.0=A x ，设该反应的处理量为1.82m 3

/h ，今若改用两个容积相等的串联釜操作，求反应器的总容积？

3.(10)

(A) (P) (S)

66H C ?→?k 1Cl H C 56?→?k 3246Cl H C

反应速度A A C k dt dC 1=-；P

A P C k C k dt dC 21-=，在恒温恒容下求等容积的两釜串联全混流反

应器内进行这一反应时,求目的产物P 的选择性P S ，其中)(0.11

1

-=h k ,)(5.012-=h k ，),(10h v V ==τ000==S P C C ,

l

mol C A /10=。

4.(10)

有一个反应器测其方差

min

15,min 5.11222==t t σ，如果这个反应器可以用等体积多釜串联

模型来描述，并在这个反应器中进行液相反应A + B → 2R ，已知B A A C kC r =-，

l

mol C C B A /1200==，min /1?=mol l k ，求反应器的出口转化率？

5.(5)

用多级全混流串联模型来模拟一管式反应装置中的脉冲实验，已知

971

.82=t σ，187.62

=t

，

15.0=k 求

1） 推算模型参数N ；（3分）

2）推算一级不可逆等温反应的出口转化率。（2分）

化学反应工程期末自测试卷答案

1.(1)

化学反应的工程问题

2.(1) )()(βα+RT

3.(2) 浓度、温度

4.(1)

平推流

5.(3)

平均停留时间、反应时间、空时

6.(1)

微观流体

7.(2)

调匀度S 、流体的混合态

8.(2)

物理、化学

9.(1)

0.1um

10.(1)

拟均相一维

11.(1)

1

2

12ln E E E E R

T T T T opt

eq opt eq -=

?-

12.(1)

mf

U U -0

13.(2)

气、乳

14.(1)

两个或更多

1.(2)

D

2.(2)

D

3.(2)

D

4.(2)

C

5.(2)

C

6.(2)

C

7.(2)

A

8.(2)

A

9.(2)

C

10.(2)

B

1.(5)

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.(5)

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

A C 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 的浓度随时间的变化。（①分）对应的曲线为F （t ），0

)(A A C C t F

。

（②分）

3.(5)

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分 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；①分 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；①分 4）气相产物向气相主体扩散。①分

4.(5)

凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。（①分） 1）催化剂在床层内不易磨损；（①分）

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；（①分） 3）固定床中的传热较差；（①分） 4）催化剂的更换必须停产进行。（①分）

5.(5)

1）以U 0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U mf 通过，而其余部分以（U 0-U mf ）则全部以气泡的形式通过；①分

2）床层从流化前的高度L mf 增高到流化时的高度L f ，完全是由于气泡的体积所造成； ①分 3）气泡相为向上的平推流，大小均一； ①分

4）反应完全在乳相中进行； ①分

5）气泡与乳相间的交换量Q 为穿流量q 与扩散量之和。①分

6.(5)

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，（①分）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（①分）。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（①分）。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（①分），相间传质总阻力等于传质阻力的加和（①分）。

1.(10)

解：设在时间t 时乙烯酮和甲烷的浓度分别为x 和y ，初始为

A C ，则

)(01y x C k dt dx

A --= ①分 )(02y x C k dt dy

A --= ①分 相加得 ))(()

(021y x C k k dt y x d A --+=+ ①分 将其积分dt

k k y x C y x d A )()()

(210+=+-+

t

k k y x C C A A )()(ln

2100

+=+- ②分

1） 当转化率为99%时

99.0A C y x =+ ①分

s

t 549.099.011ln 74.365.41=-+=

①分

2） 瞬时选择性为dy dx S P =

①分 积分得

74.365

.421=

=k k y x ②分

%4.55==

y x

S ①分

2.(10)

解：由于两等体积釜串联，则

21ττ= ①分

N

i A N A k C C )1(0

,τ+=

②分

∴

2

2)1(A A i C C

k =+τ ①分

而95

.010

2020=-=-=

A A A A A A C C

C C C x ②分

即

h

k i i 006.120)1(2=?=+ττ ①分

由

300

83.182.1006.1m v V v V i i i

i =?==?=

ττ ②分

反应器的总容积为

3

66.32m V V i == ①分

3.(10)

解：等容积釜串联应有21τττ+= h 5.02/121===τττ ①分

对第二个全混流反应器作物料衡算

2

21210)(V C k C C V A A A =-

①分

∴2

10211

2)1(1K C k C C A A A +=

+=

τ 5.021111===ττk k K ①分 对于P:

)()(22212210P A A A C k C k V C C V +=-

①分

∴

)1()1(221012K K C K C A P ++=

+2210

1)1)(1(K K C K A ++ 25.0222==τk K ②分 l mol C A /444.0)5.01(12

2

=+= ①分

222)25.01)(5.01(5

.0)25.01()5.01(5.0+++

++=

P C ①分

∴

0.165m ol/l

0.391)(0.444-12=+==S C ①分

37.2165

.0391

.022==S P C C ①分

4.(10)

解：

5.0155

.1122

22

2

==

=

t t σσθ ①分

2

1

2=?=N N θσ ②分

则每个反应器的停留时间为min

5.7215

===N t τ ①分

对第一个釜进行物料衡算

1

2

111110)(ττA A A A A kC C r C C +=-+= ①分

整理得

015.712

1=-+A A C C ①分 解得l mol C A /30.01= ①分

同理对第二个釜进行物料衡算

22

222221)(ττA A A A A kC C r C C +=-+= ①分

解得l mol C A /144.02= ①分

%

6.851

144

.01020=-=-=

A A A A C C C x ①分

5.(5)

解：1）

234

.0

187

.6

971

.8

2

2

2

2=

=

=

t

t

σ

σ

θ

①分27

.4

1

2

=

=

θ

σ

N

①分

取N=4 ①分

2）

566

.0

)

1(

1

1=

+

-

=

N

A

N

t k

x

②分