化学反应工程-模拟题三及答案
一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应 A P ,已知反应速率为
r A kC A2,求:
(1)当CSTR 中的转化率为0.5 时,若将反应器改为同体积的PFR,反应条件不变,则转化率为多少?(9 分)
(2)当CSTR 中的转化率为0.5时,若将反应器体积增大10倍,反应条件保持不变,则转化率为多少?(9 分)
二、在一个等温活塞流反应器中,发生不可逆气相基元反应 A 2B 。反应物 A 和稀
释剂 C 以等摩尔比加入, A 的转化率为90%。如果 A 的摩尔进料流率减少一半,假设C的进料流率保持不变,那么 A 的转化率为多少?(18分)
、有如下平行反应:
P(主反应)
AB
S(副反应)
其动力学方程分别
r P k2C A0.5C B1.8,r S k1C A C B0.3,其中k1k21
为:
(1)当A和B的初始浓度为C A0 C B0 15mol / L ,均从反应器入口加入,计算
A 的转化率为0.5 时的瞬时选择性。(5 分)
(2)对该平行反应,采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性?(10 分)
四、假设某实验室有一非理想化学反应器,请问如何对这个反应器进行分析,如
何求该反应器中反应物的转化率?(14 分)
五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应 A P ,催化剂的粒径为 2.4mm,气流主
体中 A 的浓度为1mol/m3,测得单位床层表观反应速率
(-r A)obs=2.77×10-5 mol/(cm3.s),组分 A 在颗粒内有效扩散系数为
0.15cm2/s,外部传质系数为K G=30cm/s。请问:
(1)外扩散对反应过程是否有影响?可通过什么途径来消除该影响?(5 分)(2)内扩散对反应过程是否有影响?可通过什么途径来消除该影响?(10 分)
六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据:
1)在什么条件下外扩散为控制步骤?( 3 分)
2)在什么条件下内扩散为控制步骤?( 3 分)
3)在什么条件下反应速率为控制步骤?( 6 分)
4)分别求出第4组和第5组实验中的外扩散有效因子?(4分)
5)分别求出第6组和第8组实验中的内扩散有效因子?(4分)
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模拟考试卷
化学反应工程试卷 C (开卷)答案
、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应 A P ,已知反应速率为r A kC A2,
求:
(1)当 CSTR 中的转化率为 0.5 时,若将反应器改为同体积的 PFR ,反应条件 不变,则转化率为多少?( 9 分)
(2)当 CSTR 中的转化率为 0.5时,若将反应器体积增大 10倍,反应条件保持 不变,则转化率为多少?( 9 分)
解:对于液相二级反应, CSTR 反应器的体积 V
V 2
(1 X
X A1A1
)2 / (1 X
X A2A2
)2 0.1,解得X A2 0.8
二、在一个等温活塞流反应器中,发生不可逆气相基元反应 A 和稀释剂 C 以等摩尔比加入, A 的转化率为 90%。如果 A 的摩尔进
料流率减少 一半,假设 C 的进料流率保持不变,那么 A 的转化率为多少?( 18分)
F A0X A
,
2 2
,
kC 2
A0 (1 X A )2
PFR 反应器的体积 V
F A0X A
2
kC A 2
0(1 X A )
1)当 CSTR 中的转化率为 0.5 时,可推导出 V F A0
kC A 2
0 (1
0.5 2
2
2
0.5)2
F A0 kC A0
F A0 X A 对同体积的 PFR :2 kC A
2A 00
kC 2A0
A (10 A
X 'A
) ,求得X A '
0.667
2)由 于反 应条 件不变, 两个 反应 器的 F A0 、 C A0 和 k 相 同, 所以
V 1 2B 。反应物 A 解:对于不可逆气相基元反应 2B ,膨胀因子 =2-1=1
对于一级反应, V kC
A0A0
(1
)ln
1 x
1x
第一种情况
下: 因为 F A0 F C0
,所以 y A0 0.5 y A0 1*0.5 0.5
y A0P T
RT
第二种情况
下:
C A0
0.5
R P T T
因为 F '
A0
0.5F A0 , F C0
F C 0
F A0 所以 y 'A0
0.33
y A0
0.33*1 0.33
C'A0y A0P T 0.33P T
RT RT
F'C'2
所A0 0.5 ,A0
F A0C
A03
V FA0(1)ln 11x(1)
kC A01x
代入已知量,整理得到:VkCA03.0
F A0
F A0 1 ' '
V'
A0(1')ln'x(2)
kC A0 1 x'
把式(1
)/式
(2
),
整理得:
(1')ln1'x'4
1x
代入',试差得:X'=0.95
可见当 A 的摩尔进料流率减少一半,而 C 的进料流率保持不变, A 的转化率为95%。
、有如下平行反应:
P(主反应)
AB
S(副反应)
其动力学方程分别为:r P k2C A C B ,r S k1C A C B ,其中k1 k2 1
(1)当A和B的初始浓度为C A0 C B0 15mol / L ,均从反应器入口加入,计算
A 的转化率为0.5 时的瞬时选择性。(5 分)
(2)对该平行反应,采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性?(10 分)
解:根据瞬时选择性的定义:S rP k1
C
A
.5 1
C
1
B
.8 0.3
CA
0.5
C
1
B
.5
r S k2
(1)由于 A 和 B 的初始浓度相同,而且反应过程二者的反应量相同,所以在整个反应过程中C A=C B,所以瞬时选择性S C A
当A 的转化率为0.5,C A=C A0(1-0.5)=7.5mol/l,S=C A =7.5;
(2)由于S C A0.5C1B.5,所以在反应过程中,为了使S 尽可能大,需要使A
的浓度尽可能低,而 B 的浓度尽可能高,为此可以采用以下方法:·用管式反应器,
连续将 A 注入反应器
·用一系列的CSTR反应器串联,在第一个反应器中注入B,在每一个反应器
中注入A,这样进入下一个反应器之前 A 基本反应完。
四、假设某实验室有一非理想化学反应器,请问如何对这个反应器进行分析,如何求该反应器中反应物的转化率?(14 分)答:(1)首先,采用注入示踪剂的方法测定该反应器的停留时间分布,可采用脉冲法或阶跃法;
(2)然后对停留时间分布情况进行分析,求出其停留时间分布函数E(t)、平均停留时间和方差;
(3)根据所求得的平均停留时间和方差,选择适当的非理想反应模型(如:离散模型、多釜串连模型和轴向扩散模型)求解反应器中反应物的转化率。
五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应 A P ,催化剂的粒径为 2.4mm,气流主体中 A 的浓度为1mol/m3,测得单位床层表观反应速率(-r A)obs=2.77×10-5 mol/(cm3.s),组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm2/s,外部传质系数为K G=
30cm/s。请问:
(1)外扩散对反应过程是否有影响?可通过什么途径来消除该影响?(5 分)
(2)内扩散对反应过程是否有影响?可通过什么途径来消除该影响?(10 分)
解:(1)由Mears 判据得:
( r A)obs Rn
k G C AG 5 3 1
2.77 10 5(mol /(cm
3.s)) 0.24(cm) 1
6 2 3 0.1108 0.15
30(cm / s) 1 10 6(mol/cm3)
可见外扩散无影响
2)由Weisz-Prater判据得:
可见内扩散有影响。可通过减小催化剂直径来消除内扩散的影响
六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据:
(1)在什么条件下外扩散为控制步骤?( 3 分)
(2)在什么条件下内扩散为控制步骤?( 3 分)
(3)在什么条件下反应速率为控制步骤?( 6 分)
(4)分别求出第4组和第5组实验中的外扩散有效因子?(4分)
(5)分别求出第6组和第8组实验中的内扩散有效因子?(4分)解:(1)在T=350K,N<900,dp=1.8,外扩散为控制步骤。
(2)在T=350K,N=1100,dp>0.4,内扩散为控制步骤。
(3)在T=350K,N=1100,dp<0.4,反应速率为控制步骤;
在T=300K,N>600,dp<1.8,反应速率为控制步骤。
外扩散有影响时的反应速率外扩散无影响时的
反应速率
第(4)组实验中,x=0.4=0.67
0.6
第(5)组实验中,x=0.6=1
0.6
5)由定义可知:内扩散有效因子,催化剂颗粒的实际反应速率内扩散无影响时的反应速率
C WP 2 r A obsR
D e C As
5 3 1 2
2.77 10 5(mol /(cm
3.s)) ( 0.24(cm))2
0.15(cm2/ s) 1 10 6(mol /cm3)
2.6592 1
4)由定义可知:外扩散有效因子,