化工设备习题

复习与思考题1.转化率的定义是什么？2.什么是反应速率？写出均相系统反应速率表示方式。3.什么是化学动力学方程？怎样理解“反应级数表明浓度对反应速率的敏感程度”，“活化能表明温度对反应速率的敏感程度”？4.什么是本征动力学和宏观动力学？两者有何区别与联系？5.试说明反应热与活化能的区别与联系。6.试写出间歇反应系统中，恒温恒容0级、1级、2级不可逆反应的积分式。7.何谓变容过程？膨胀因子的定义及其物理意义是什么？8.什么是复杂反应？复杂反应通常可分为哪几种类型？9.简述气固相催化反应的宏观过程。10.根据双膜理论简述气液相反应的宏观过程。11.解释下列参数的物理意义：膜内转化系数γ、增强系数β、反应相内部总利用率η。12.为什么要建立理想流动模型？它与实际流动状况有哪些区别？在处理过程中作了哪些简化？13.理想转换与理想混合流动模型各有什么特征？14.何谓返混？形成返混的原因有哪些？返混对反应过程有什么影响？工程中如何降低返混的程度？计算题1.有一反应，在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80%，经过18min后转化掉90%，求表达此反应的动力学方程式。（n=2）解题思路2.在间歇反应器中进行等温二级反应A→B，反应速率方程式为：（－rA）＝0.01cA2mol/(L·s)，当cA0分别为1、5、10mol/L时，求反应至cA=0.01mol/L所需的反应时间。（9900s、9980s、9990s）解题思路3.等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A→B＋C，在5min内有50%的A分解，要达到分解率为75%，问需多少时间？若反应为二级，则需多少时间？（n=1时，τ=10min；n=2时，τ=15min）解题思路4.973K和294.3×103Pa恒压下发生反应C4H10→2C2H4＋H2。反应开始时，系统中含C4H10为116kg，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa/s的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。（470.8×103Pa/s；3.2kmol/s；0.81/s）解题思路5.试证明对一级反应，在等温条件下转化率达到99.9%所需时间为转化率达到50%所需时间的10倍。又设反应为0级或2级，两者的时间比为多少？（n=0时，时间比为2倍；n=2时，时间比为1000倍）解题思路6.在一均相恒温聚合反应中，单体的初始浓度为0.04mol/L和0.08mol/L，在34min内单体均消失20%。求单体消失的速率。（(-rA=0.0657cAmol/(L·min)）解题思路7.不可逆反应2A+B→A2B的机理如下：[A][B]试推导出该反应的产品生成速率A2B的方程式。（）复习与思考题1.解释下列两组概念的物理意义，并说出它们之间的区别与联系：反应时间与停留时间、空时与空速。2.反应器的计算方法有哪些？反应器计算的基本方程包括哪几个？3.何谓理想流动反应器？4.简述连续操作管式反应器、连续操作釜式反应器的主要特点。5.用图表示间歇操作釜式反应器、连续操作管式反应器与连续操作釜式反应器的推动力。6.熟练写出零级、一级、二级不可逆反应在恒温下分别于间歇操作釜式反应器、连续操作管式反应器与连续操作釜式反应器中进行时的有效体积计算公式。7.多只连续操作釜式反应器串联时，反应推动力如何表示？各釜浓度如何计算（解析计算与图解计算）？8.对同一反应在相同条件下，达到相同转化率，为什么连续操作釜式反应器所需有效体积最大，而连续操作管式反应器所需有效体积最小，多釜串联连续操作釜式反应器的有效体积介于两者之间？9.何谓连续操作釜式反应器的热稳定性？符合什么条件的操作点为稳定操作点？如何分析判断操作点的稳定与不稳定？哪些参数影响热稳定性？10.搅拌器的作用是什么？有哪些类型？根据什么原则选型？11.搅拌釜式反应器的传热装置有哪些？各有什么特点？12.化工厂常用的高温热源有哪些？各适用于怎样的场合？13.简述变容情况下，连续操作管式反应器有效体积计算方法。14.选择反应器型式和操作方式时，应从哪些方面对反应器性能进行比较？15.对平行反应P（主产物）i.何谓选择性？ii.试讨论平行反应选择性的浓度效应与温度效应。iii.如何选择合适的反应器类型与操作方式，提高平行反应选择性？计算题1.反应物A，按二级反应动力学方程式恒温分解，在间歇操作釜式反应器中5min后转化率为50%，试问在该反应器中转化75%的A物质，需要增加多少分钟？（10min）将二级反应动力学方程与BR恒温恒容的基础设计式联立推导得反应时间与转化率的关系式。解题思路2.在实验室内用一个间歇搅拌的烧瓶进行一级不可逆反应，反应2h后，转化达到99.9%。若将反应器放大，选用一个连续操作釜式反应器进行此反应，其它工艺条件不变，平均停留时间为2h，试计算该反应的最终出口转化率。（87.35%）解题思路3.在连续操作釜式反应器进行某一级可逆反应，操作条件下测得化学反应速率常数为k1=10h-1,k2=2h-1,在反应物料A中不含有B，其进料量为10m3/h，当反应的转化率达到50%时，平均停留时间和反应器的有效体积各为多少？（0.125h；1.25m3）解题思路4.四个体积相同的连续釜式反应器串联操作，进行液相反应，其动力学方程式为(-rA)=0.6cAmol/L·h，反应物A的初始浓度cA0=1mol/L，物料在反应系统中平均停留时间为4小时，试用图解法求最终转化率。（90%）解题思路5.有一等温连串反应：在两个串联的连续操作釜式反应器中进行。每个釜的有效体积为2L，加料速度为1L/min，反应物A的初始浓度cA0=2mol/L，两个釜在同一温度下操作。k1=0.5min-1,k2=0.25min-1，试求第一釜和第二釜出口物料浓度。（第一釜：cA1=1mol/L，cR1=0.67mol/L，cS1=0.33mol/L；第二釜：cA2=0.5mol/L，cR2=0.78mol/L，cS2=0.72mol/L）解题思路6.在一恒温间歇操作操作釜式反应器中进行某一级液相不可逆反应，13min后反应转化掉70%，今若把此反应移到连续操作管式反应器或连续操作釜式反应器中进行，为了达到相同的转化率，所需的空时、空速各为多少？（连续操作管式反应器中，τ=13min，SV=0.076min-1；连续操作釜式反应器中，=25.2min，SV=0.0397min-1；））解题思路7.555K，0.3MPa下，在连续操作管式反应器中进行反应A→P。已知进料中含有30%A（mol%），其余为惰性物料，加料流量为6.3molA/s，动力学方程式为(-rA)=0.27cAmol/(m3·s)，为了达到95%的转化率，试求：（1）所需的空速为多少？（SV=0.0901min-1）；（2）反应器有效体积。（VR=3.656m3）解题思路8.醋酐按下式水解为醋酸：(CH3CO)2O＋H2O→2CH3COOH，实验测定该反应为一级不可逆反应（-rA）=kcA，在288K时，反应速率常数k为0.0806min-1。现设计一理想反应器，每天处理醋酐水溶液14.4m3,醋酐的初始浓度cA0为95mol/m3,试问(1)当采用连续操作釜式反应器,醋酐转化率为90%时，反应器的有效体积是多少？（1.12m3）(2)若用连续操作管式反应器，转化率不变，求反应器有效体积。(0.286m3)(3)若选用两个体积相同的连续操作釜式反应器串联操作，使第一釜醋酐转化率为68.4%，第二釜醋酐转化率仍为90%，求反应器总有效体积。(0.536m3)解题思路9.进料浓度cA0=1mol/L的纯A溶液以v0=10L/min的流量流经有效体积为10L的连续操作管式反应器，发生一级反应，k=0.01min-1，求所达的出口转化率。若为二级反应，k=0.01L/mol.min，则出口转化率又为多少？（一级反应为1%；二级反应为0.99%）解题思路10.乙烷裂解反应C2H6→C2H4＋H2在连续操作管式反应器中进行。生产平均操作压力为318.5kPa，操作温度为1073K，实验测得反应速度常数k=1.18kmol/(m3·kPa·s)，已知进料质量流速为100kg/(m2·s)，裂解稀释水蒸汽用量占进料气体体积的25%。试计算当乙烷转化率为65%时反应管长。（133.3m）解题思路11.在连续操作釜式反应器中进行一均相液相反应A→P,(-rA)=kcA2,转化率为50%.i.如果反应器体积为原来的6倍,其它保持不变,则转化率为多少?（75%）ii.如果是体积相同的管式反应器,其它保持不变,则转化率为多少?（66.7%）解题思路复习与思考题1.气固相催化反应器有哪几类？各有什么特点？2.固定床反应器分为哪几种类型？其结构有何特点？3.试述绝热式和换热式气固相催化固定床反应器的特点，并举出应用实例。4.试述对外换热式与自热式固定床反应器的特点，并举出应用实例。5.如何根据化学反应热效应的情况选择不同型式的固定床反应器？6.何谓固定床的一维模型、二维模型，简述其特点。7.何谓固定床的拟均相模型、非均相模型，简述其特点。8.如何计算dv、da、ds、φs、ε、Δp等固定床催化反应器的物理参数？9.固定床催化反应器的床层空隙率ε的定义、影响因素是什么？为什么ε是固定床反应器的重要特性参数？10.流体在固定床反应器中的流动特性是什么？11.何谓催化剂有效系数η？如何用其判断反应过程的控制步骤？12.固定床对壁给热系数αt的传热推动力是什么？αt与哪些因素有关？αt与空管中流体对管壁的给热系数有何区别？13.解释下列参数：空速SV、催化剂空时收率SW、催化剂负荷SG，并说明三者的区别。14.固定床反应器的计算方法有哪些？各有什么特点？15.如何运用经验法计算出固定床的催化剂用量、床高、床径？16.写出气固相催化固定床反应器拟均相一维理想流动模型的数学表达式，并说明其求解步骤。17.当气体通过固定颗粒床时，随着气速的增大，床层将发生何种变化？形成流化床时气速必须达到何值？两种流态化的概念是什么？如何判断？计算题1.计算直径3mm、高6mm的圆柱形固体粒子的当量直径dV、dα、dS和形状系数φS。（4.33mm、4.74mm、3.6mm、0.83）解题思路2.某固定床反应器所采用催化剂颗粒的堆积密度与颗粒表观密度分别为828kg/m3和1300kg/m3，该床层的空隙率是多少？（0.363）解题思路3.按下表数据，求催化剂颗粒的调和平均直径筛目28~3535~4848~6565~100100~150150~200200孔径d/mm0.59~0.420.42~0.300.30~0.210.21~0.150.10~0.100.10~0.0740.074xi'/%(质）30.7320.0017.078.2910.266.347.324.（0.204mm）5.解题思路6.在一总长为4米的固定床反应器中，反应气以25000kg/m2·h的质量流速通过，如果床层中催化剂颗粒的直径为3mm，床层的堆积密度为754kg/m3，催化剂的表观密度为1300kg/m3，流体的粘度为uf=1.8×10-5pa·s，密度ρf=2.46kg/m3，求：床层的压力降。(358kPa)解题思路7.在一单管固定床反应器内进行氯乙烯合成的动力学实验。反应管直径为φ25mm×2.5mm，催化剂填装高度为25m，床层空隙率为0.45，进口原料气的组成为：C2H446%，HCl54%(mol%)，反应器入口温度为413K，压力为常压，空管气速为0.12m/s，试求：（1）原料气体积流量；（2）原料气摩尔流量；（3）原料气质量流速；（4）空间速度和接触时间。（(1)3.77×10-5m3/s；(2)1.1×10-5kmol/s；(3)0.111kg/(m2·s)；(4)0.317s-1,0.938s）解题思路8.某固定床反应器内进行一氧化反应，其床层直径为101.66mm，催化剂颗粒直径为3.6mm，气体导热系数