化学反应工程0411121-2期末A-答案

考试试卷第1页共6页（勤奋、求是、创新、奉献）2014～2015学年第2学期考试试卷主考教师：王远强学院化学化工学院班级__________姓名__________学号___________《化学反应工程》课程试卷A参考答案及评分标准（本卷考试时间120分钟）题号一二三四五六七八总得分题分1212201010101214100得分一、不定项选择题1、若外扩散阻力影响消除但存在内扩散的情况下，当催化剂粒径减小时，其颗粒内部效率因子η2①。①增加②不变③减小④其它2、能使内扩散的影响加大的有①②③。①增加催化剂颗粒的粒径②增强催化剂的活性③升高反应温度④提高反应的主体相浓度Cb⑤降低反应的主体相浓度Cb3、均相CSTR反应器中S形放热曲线，在高温区的特征是③；颗粒催化剂的S形放热曲线，高温区的特征是①。①扩散控制②动力学控制③反应物耗尽④转化率较小4、关于理想的间歇式反应器、平推流反应器和全混流反应器，下列描述错误的是②。①三者同为理想反应器，但理想的内涵是不同的②理想的间歇式反应器和全混流反应器的内涵是一样的，都是反应器内温度和组成相同。③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④平推流和全混流反应器都是连续流动式反应器，前者的返混为零，后者为无穷大5、工业生产中对气液反应器需要有较高的生产强度，若反应速度较快，反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行，要求反应器应具有表面积较大，具有一定得液相传质系数，下列哪些反应器不适用于此类反应？②③⑤。①填料塔反应器②搅拌鼓泡反应器③流化床反应器④板式反应器⑤固定床反应器考试试卷第2页共6页二、填空题1、平行反应主副反应均为一级不可逆反应，若主反应活化能大于副反应活化能，则目标产物的选择性浓度无关，仅是温度的函数。2、反应活化能就是反应物分子“激发”为活化分子所需的能量，因此，活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。3、当反应级数为非零、非一级时，流体的微观混合影响反应的速率，当反应级数大于一级时，宏观混合速率大于（大于、等于或小于）微观混合速率。4、非理想流动现象常包括滞留区的存在、存在沟路和短路、循环流、流体流速分布不均匀以及扩散等。5、某二级不可逆气-固相催化反应，5.0/)(besbCCC（Cb为气体主体相浓度，Ces为催化剂颗粒外表面浓度），则颗粒外扩散有效因子η1为0.25，外扩散影响程度较高。6、按双膜论，在气液反应中，反应物A在气相，反应物B在液相，若反应为极快反应，且CBL=CBL*(CBL*为临界浓度)，则反应面位置在液膜界面上，这时CAi表示A组分在液膜内的界面浓度(下标i表示界面)。三、简述题1、简述阶跃法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？阶跃法是当设备内流体达到定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。（3分）（2分）2、请说明返混定义、产生原因以及限制返混的措施。返混：具有不同停留时间物料的混合形成返混。（1分）返混产生的原因：（1）反应器内速度不均匀的物料混合，如流速分布；（2）反应器中的环流，如搅拌浆的流速分布。（2分）限制返混的措施：（1）强化速度分布的均匀性（2）横向分割（3）纵向分割（4）放置填料等。（2分）3、自催化反应如何进行最优反应器组合？用图示简要说明。最优的反应器组合就是先用一个全混流反应器，控制在最大速率点处操作，然后接一个平考试试卷第3页共6页推流反应器。CACA,OPT,τCSTRτPFRCACA,OPT,τCSTRτPFR返混有利，尤其是在开始阶段，采用CSTR操作（3分）（2分）4、CSTR中进行一级不可逆均相放热反应，如何判定操作点？如釜中进行某串联反应，要求控制的转化率为不稳定操作点对应的转化率，应如何进行操作？（1分）图中A和C为稳定的操作点，B为不稳定操作点，由于A点转化率较点，实际中常在C点进行操作。CSTR的热稳定条件为：dTdQdTdQrg，即放热速率应小于移热速率。（2分）如要求控制的转化率为不稳定操作点对应的转化率，此时为了满足热稳定条件，必须提高冷却介质温度，并相应地增大UA，使移热线上移。（2分）四、某化学反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，求该反应的活化能（设浓度不变）。解：设该反应物浓度为CA，反应级数为n，反应速率常数为k则反应的速率nAnAACRTEkkCr)exp()(0（2分）450℃时，nAACREkr)723exp()(01（2分）400℃时，nAACREkr)673exp()(02（2分）由题意：10])72316731exp[()()(21RErrAA（2分）考试试卷第4页共6页)/(3.186molkJE（2分）五、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（反应均为一级）：CH3COOH1kCH2=CO+H2O（主反应）；CH3COOH12kCH4+CO2（副反应），已知在916℃时的k1=4.65s-1，k2=3.74s-1，t=0时，乙烯酮和甲烷浓度均为0。试计算：（1）99%的醋酸反应掉所需的时间；（2）在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。解：设在时间为t时乙烯酮和甲烷的浓度分别为X和Y，醋酸的初浓度为CA0，则有：)(01YXCkdtdXA（2分）；)(02YXCkdtdYA上面两式相加可得：))(()(021YXCkkdtYXdA，积分得：tYXCCkkAA)(ln10021（1）当醋酸的转化率为0.99时，应有X+Y=0.99CA0，代入上式可得：)(549.099.011ln74.365.41st（5分）（2）X+Y=0.99CA0；X/Y=k1/k2=4.65/3.74，联解这两个方程得到：X=0.549CA0；Y=0.441CA0；醋酸转化为乙烯酮的选择性为：%4.5599.0549.099.00ACX。（52分）六、均相气相反应A→3P在185℃，400kPa下在一个平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1。进料量FA0=30kmol/h，A原料含50%惰性气，为使反应器出口转化率达80%，该反应器体积应为多大？解：2113A，5.00Ay，根据k的单位判断出反应为一级反应，（2分）AAkCr)(，AAAAAAAAAxxCxyxCC1111000（2分）)/(333.83600100030000smolCFAA（1分）)/(0793.0)]18515.273(314.8/[1000400333.83000smCFAA（1分）反应器体积：)(18.192ln0.2)-(-0.801.00793.0)1()1(38.000008.00000mxkCdxxCkCdxCVAAAAAAAAR（6分）七、有一醋酐水溶液，在25℃条件下进行水解反应，在该温度下的速率方程为：AACr158.0)(，考试试卷第5页共6页)/(min3cmmol。醋酐初浓度为40105.1AC3/cmmol，进料流量为500min/3cm，现有两个2.5L和一个5L的全混流反应器，试回答下列问题：（1）用一个5L的全混流反应器操作，转化率是多少？（2）用两个2.5L全混流反应器串连操作，转化率是多少？（3）若用一个2.5L的全混流反应器后串连一个2.5L的平推流反应器，转化率是多少？解：（1）一个5L的CSTR：)(00AAARrCCVAARAACrVCC158.05005000105.1)(400（2分）510814.5AC)/(3cmmol612.000AAAACCCx（2分）（2）两个2.5L的CSTR串连：501068.4)2/1(kCCAA)/(3cmmol（2分）688.000AAAACCCx（2分）（3）先CSTR，后PFRCSTR：114158.0105.15002500AACC511038.8AC)/(3cmmol（2分）PFR：551210803.31038.81kAAeCC)/(3cmmol（2分）746.0105.1103803.0105.1444Ax八、在球形催化剂上进行气体A的分解反应，该反应为一级不可逆放热反应。已知催化剂颗粒直径为0.3cm，气体在颗粒中的有效扩散系数为4.5×10-5m2，颗粒外表面气膜传热系数为)/(1612KhmkJ，气膜传质系数为310m/h，反应热效应为kJ162，气相主体A的浓度为0.2mol/L，实验测得A的表观反应速率为)/(min67.1Lmol，试估算：（1）外扩散阻力对反应速率的影响；（2）内扩散阻力对反应速率的影响；（3）外表面与气流主体间的温差。解：由题意得，（1）)/(2.100)/(6067.1)/(min67.1LhmolLhmolLmolRAAsAbgAAsAbAsAbgACCLmolakRCCCCakR/1062.1103.063102.100)()(4211，无外扩散的影响。（6分）（2）考试试卷第6页共6页15252.0105.42.100)1015.0(,,52222212bAeAPesAbnesAenesPCDRrCCkCRDkCr（6分）所以内扩散影响严重。（3）KahVRHTTahVRHmPArmPAr4.50)()(ma为催化剂的表面积4分）