化学反应工程-模拟题一及答案

一、在体积为2.5m3的理想BR反应器中进行液相等温一级基元反应AP，k＝2.78×10-3s-1，进口摩尔流率FA0＝11.4mol/s，反应物A初始浓度04/ACmolL，求：（1）当反应器中A的转化率为80％，求所需的时间？（6分）（2）若将反应移到CSTR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）（3）若将反应移到PFR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：CBA2，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为2.5L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是727℃和10atm。在此温度下的反应速率常数k＝4L/mol·min。求：（1）反应器入口处（即XA=0时）A的浓度？（4分）（2）反应器入口处（即XA=0时）的反应速率？（4分）（3）当A的转化率为40%时的浓度？（4分）（4）当A的转化率为40%时的反应速率？（6分）三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：3.01BAPCCkr，8.15.02BASCCkr，其中121kk，（1）当A和B的初始浓度为LmolCCBA/2000，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.9时的瞬时选择性。（6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？（8分）四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中，哪些点是稳定操作点，哪些点是不稳定操作点，并分析其原因？（12分）BA)(P主反应)(S副反应R(T),G(T)五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A→P，当空时为25min时，A的转化率达62％。将反应器放大进行中试，反应器型式为管式，其停留时间分布的实测结果如表所示，反应器的平均停留时间为43min，方差为233min2。t,min0102030405060708090100E(t)000.006930.030.02830.01820.01020.004970.002410.001050求（1）停留时间小于40min的物料所占的分率约为多少？（6分）（2）在与小试相同的温度及空时下操作，分别采用多釜串联模型预测反应器出口A的转化率。（12分）六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应PA，气流主体中A的浓度为40mol/m3，测得单位床层表观反应速率(－rA)obs＝400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.002778cm2/s，外部传质系数为KG＝50m/h。请问：（1）外扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求外扩散有效因子。（4分）（2）内扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求内扩散有效因子。（10分）（3）当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？（6分）中国石油大学（北京）远程教育学院模拟考试卷化学反应工程试卷A(开卷)答案一、在体积为2.5m3的理想BR反应器中进行液相等温一级基元反应AP，k＝2.78×10-3s-1，进口摩尔流率FA0＝11.4mol/s，反应物A初始浓度04/ACmolL，求：（1）当反应器中A的转化率为80％，求所需的时间？（6分）（2）若将反应移到CSTR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）（3）若将反应移到PFR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）解：（1）由BR设计方程可得反应所需的时间为：31111lnln579()12.78*1010.8tskx（2）由CSTR的设计方程可得反应器的体积为：003011.40.84100.7()(1)2.78104(10.8)AAAAAAAFXFXVLrkCX（3）由PFR的设计方程可得反应器的体积为：00030000111.4lnln51650()(1)(1)2.78104AAXXAAAAAAAAAAdXFdXFVFLrkCXkCX二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：CBA2，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为2.5L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是727℃和10atm。在此温度下的反应速率常数k＝4L/mol·min。求：（1）反应器入口处（即XA=0时）A的浓度？（4分）（2）反应器入口处（即XA=0时）的反应速率？（4分）（3）当A的转化率为40%时的浓度？（4分）（4）当A的转化率为40%时的反应速率？（6分）解：对于反应CBA2，2211入口处：FA0＝FB0，则yA0＝0.5，所以10Ay（1）由理想气体定律可得入口处A的浓度为：A0A0yP0.510atmC0.061(mol/L)RT0.082(Latm/molK)(727273)K（2）入口处的反应速率：223AA0B0A0rkCCkC40.0610.0611.4910(mol/dmL)（3）当A的转化率为40%时A的浓度为：AA0A0A01X1XCCCC0.061(mol/L)1X1X（4）当A的转化率为40%时B的浓度为：BBA0A0A0b2X1X12X10.8a1CCCC0.0610.0203(mol/L)1X1X1X10.43AABrkCC40.0610.02034.9610(mol/Lmin)三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：3.01BAPCCkr，8.15.02BASCCkr，其中121kk，（1）当A和B的初始浓度为LmolCCBA/2000，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.9时的瞬时选择性。（6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？（8分）解：根据瞬时选择性的定义：5.15.08.13.05.0121BABASPCCCCkkrrS（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CA＝CB，所以瞬时选择性ACS/1当A的转化率为0.9，CA＝CA0（1-0.9）＝2mol/l，S＝0.5；（2）由于5.15.0BACCS，所以在反应过程中，为了使S尽可能大，需要使A的浓度尽可能高，而B的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法：·用管式反应器，连续将B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A，在每一个反应器中注入B，这样进入下一个反应器之前B基本反应完。BA)(P主反应)(S副反应四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中，哪些点是稳定操作点，哪些点是不稳定操作点，并分析其原因？（12分）解：（1）在同一操作条件下，反应器可能存在多个定常操作态，即反应器既可能在低温、低转化率下操作，也可能在高温、高转化率下操作，还可能在中等温度、中等转化率下操作，这种现象称为多态现象。（4分）（2）对于C点，体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量小于移热速率随温升的增量，体系内生成热量少，移出热量多，温度下降，重新回到C点。如果体系温度稍微降低，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多，移出热量少，温度升高，重新回到C点。所以在C点，温度略升、略降，系统自动恢复到原来的热平衡状态，所以C点属于稳态操作点。（3分）（3）对于B点，如果体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多，移出热量少，体系温度持续升高，直到到达C点；如果体系温度稍微降低，体系内移出热量多，生成热量少，体系温度持续下降，直到到达A点。所以，在B点，温度稍微的变化，系统不能恢复到原来的热平衡状态，B点为不稳定操作点。（3分）（4）对于A点，变化情况同C点，在A点，温度略升、略降，系统自动恢复到原来的热平衡状态，所以A点属于稳态操作点。（2分）五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A→P，当空时为25minR(T),G(T)时，A的转化率达62％。将反应器放大进行中试，反应器型式为管式，其停留时间分布的实测结果如表所示，反应器的平均停留时间为43min，方差为233min2。t,min0102030405060708090100E(t)000.006930.030.02830.01820.01020.004970.002410.001050求（1）停留时间小于40min的物料所占的分率约为多少？（6分）（2）在与小试相同的温度及空时下操作，分别采用多釜串联模型预测反应器出口A的转化率。（12分）解：（1）40010()(04*02*0.006934*0.030.0283)0.543Etdt停留时间小于平均停留时间的物料所占的分率约为0.54。（2）多釜串联模型首先根据实验室结果求出操作温度下的反应速率常数值。对于一级反应：1kXk10.620.06526min(1)(10.62)*25xkx222143*437.94233tmtn7.9411110.91(1)(143*0.06526/7.94)niXk六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应PA，气流主体中A的浓度为40mol/m3，测得单位床层表观反应速率(－rA)obs＝400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.002778cm2/s，外部传质系数为KG＝50m/h。请问：（1）外扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求外扩散有效因子。（4分）（2）内扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求内扩散有效因子。（10分）（3）当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？（6分）解：（1）由Mears判据得：15.01.0)/(04.0)/(501)(001.021))./((400)(33mkmolhmmhmkmolCkRnrAGGobsA可见外扩散无影响。（2）由Weisz-Prater判据得：由于外扩散无影响，所以CAS＝CAG15.2)/(04.0)/(001.0))(001.021())./((4003223221mkmolhmmhmkmolCDRobsrCAseAWP可见内扩散有影响。1coth31121212.5＝计算得：11.72＝，0.845＝可见，当颗粒粒径为1mm时内扩散有效因子为0.845。（3）当0.95时，内扩散基本消除当'0.95＝，1'0.9＝''11RR＝，'1*0.90.521.72Rmm可见，当颗粒粒径为0.52mm时才能基本消除内扩散阻力。