2011-2012南京大学化学反应工程模拟试题

2011-2012年南京大学化学反应工程模拟试题一、填空题(1)停留时间分布函数的定义；停留时间分布密度函数的定义。(2)气体分子在固体催化剂微孔中扩散的主要形式有，当，ABAeDD，当时，kAAeDD。(3)平推流反应器的特点为。(4)等温下进行一级不可逆反应，为达到xA的转化率，采用单个CSTR的体积与PFR的体积之比为，进行二级不可逆反应，两者体积之比为。(5)可逆放热反应在不同转化率下的最佳温度不同，一般而言，转化率越高，最佳温度越。(6)连续流动反应器中的返混是指，对平行反应系统，n主〉n副时，返混是使，n主〈n副时，返混是使。(7)连续过程反应速度)/(gsmoldWdNA、)/(3cmsmoldVdNRA、)/(2cmsmoldsdNA（内表面）之间的关系为。(8)当分子扩散的平均自由程大于催化剂微孔直径时，分子在微孔中的扩散为，其扩散系数与压力的关系为，与温度的关系为。(9)反应物A的水溶液在等温CSTR中进行二级反应，出口转化率为0.4，现改在等体积PFR中进行，则出口转化率为。(10)等温下进行一级不可逆反应，为达到xA的转化率，采用单个CSTR的体积与PFR的体积之比为，进行二级不可逆反应，两者体积之比为。(11)从反应器停留时间分布测定中求得无因次方差，2=0.98，反应器可视为。又若求得无因次方差，2=0.02，则该反应器可视为。(12)对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，要保证总的反应体积最小，必需的条件是。(13)等温等容间歇反应器中进行下面的两个平行反应均为一级不可逆反应，其中A2为目的产物，主反应的活化能大于副反应的活能，则：A1A2，A1A3温度升高，反应的选择率，目的产物的收率相应。(14)二、可逆反应2AB+C于等温PFR中进行，原料流量V0=10m3/h，反应物A初始浓度cA0=5kmol/m3,B和C初始浓度均为零，已知反应的动力学方程可表示为：rB=k1cA2—k2cAcBk1=7.5m3/(kmol·h)，k2=0.5m3/(kmol·h)若B的最终浓度是其平衡浓度的98%，问:需要多大的反应器体积？若在CSTR中进行同样的反应，则反应器体积又为多少？三、有一不可逆一级串联反应Ak1Pk2S，k1=0.15min-1,k2=0.05min-1，进料流量为0.5m3/min，cA00，cP0=cS0=0。证明：⑴采用单个VR=1m3的CSTR，出口cp=0.21cA0；⑵采用两个VR=1m3的CSTR串联，出口cp=0.226cA0；⑶采用单个VR=1m3的PFR，出口cp=0.246cA0。（20分）四、在停留时间分布试验中，以脉冲法将一定量惰性示踪剂加入到反应器原料流中，在加入后不同时刻测定反应器出口物流中示踪剂浓度c如下表所示,t/min0.10.21.02.05.010.020.030.0c/(g/m3)1.961.931.6421.3440.7360.9650.0340.004⑴用示踪剂在出口物流中的浓度估算平均停留时间；⑵当该反应器用于进行一级不可逆反应时，k=1.8min-1，求反应物料出口转化率。五、反应AB为n级不可逆反应，已知在300K时要使A的转化率达到20%需12.6分钟，而340K达到同样的转化率仅需3.2分钟，试求该反应的活化能。六、合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯，多是由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式如下：C2H2+HClC2H3Cl由于乙炔价格高于氯化氢，通常使用的原料混合气中氯化氢是过量的，设其过量10%，若反应器出口气体中氯乙烯含量为90%（摩尔），试分别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。七、考虑下述的液相连串反应：ABk1=0.25h-1BCk2=0.13h-1两个反应均为一级。在反应原料中只含有A，CA0=40mol/m3，CB0=CC0=0。反应混合物的比重为一常数。试求：(1)若采用平推流反应器进行上述反应，那么要使A的转化率为50%，平均停留时间为多少？在反应器出口处，B的浓度CB为多少？(2)若改用全混流反应器，为使A的转化率达50%，停留时间应为多少？在反应器出口B的浓度为多少？八、乙醛的气相分解反应：CH3CHO→CH4+CO为一二级反应，用恒温恒容反应器进行这一反应，发现当乙醛的初始压力为1.013×105Pa，反应温度为791K时，经过197秒以后反应器的总压增加50%。现改用管式流动反应器来进行这一反应，反应温度仍为791K，反应物为纯乙醛，其进料速率为120l/min，压力为1.013×105Pa，那么要使乙醛的转化率达到80%，反应器的体积应为多少？假设在该反应条件下乙醛的分解反应是不可逆的，且反应器进出口之间的压降可以忽略不计。九、在某催化剂的表面发生如下的可逆反应：A==R+S试推导在下述各情况下的反应动力学方程：（1）A在表面的吸附是速率控制步骤，S在表面不吸附；（2）表面反应是速率控制步骤，S在表面不吸附；（3）R的解吸是速率控制步骤，S在表面不吸附。十、在实际生产中合成氨反应是在高温高压下采用熔融铁催化剂进行的。该反应为可逆放热反应，故应尽可能按最佳温度曲线进行。试求下列反应条件下的最佳温度：（1）在25.33MPa下，以3：1的氢氮混合气进行反应，氨含量为17%；（2）把压力改为32.42MPa，其他条件同（1）。已知该催化剂的正反应活化能为58.618kJ/mol，逆反应的活化能为167.48kJ/mol，平衡常数Kp与温度T（K）及总压P（MPa）的关系如下：5.0N5.1HNHpp223pppK)P02149.02405.4(T/)P6478.1926.2172(Klog式中十一、由甲烷和水蒸汽在600℃和105Pa下制备合成气时，有如下物种出现：CH4、H2O、H2、CO、CO2、C和C2H6，试确定此物系的独立反应数及可能的反应方程式。十二、乙烷裂解制取乙烯的反应为C2H6→C2H4+H2已知该反应在800℃时的速率常数k=3.43s-1，试求当乙烷的转化率为50%和75%时分别需要多少时间。十三、环氧乙烷在450℃的气相分解反应如下：C2H4O（g）→CH4(g)+CO(g)已知在此温度下反应的速率常数为0.0212min-1，反应在恒温恒容反应器中完成，初始时原料为纯的环氧乙烷，初始压力为2.026×105Pa。试求在反应时间为50min时反应器的总压力。十四、考虑如下连串反应：CBA21kk反应的每一步均为一级，A的初始浓度为1kmol/m3，当t=1.5min时，CA=0.2231kmol/m3，CB=0.6769kmol/m3，(1)计算反应速率常数k1和k2;(2)计算当t=1.5min时C的浓度；(3)计算B的最大浓度CB，max及对应时间。十五、在间歇反应器中氢氧化钠和醋酸乙酯发生如下皂化反应：NaOH+CH3COOC2H5→CH3COONa+C2H5OH氢氧化钠和醋酸乙酯的初始浓度均为0.1mol/l，在实验条件下该反应为不可逆二级反应。当反应时间为15分钟时，醋酸乙酯的转化率为18%，试问若氢氧化钠和醋酸乙酯的初始浓度均为0.2mol/l，要使醋酸乙酯的转化率达到30%，反应时间为多少？十六、在一全混流反应器中进行不可逆液相反应A→R，其反应速度为（-rA）=kCA2，A的转化率为50%。（1）如果反应器的体积增大到原来的6倍，其它条件均保持不变，那么转化率为多少？（2）如果采用体积相同的平推流反应器，其它条件保持不变，那么转化率又为多少？十七、乙酸酐的水解反应为：（CH3CO）2O+H2O→2CH3COOH该反应在全混流反应器中进行，温度为15℃，反应的速度方程为r=kCA，式中CA为乙酸酐的浓度（mol/cm3），k=0.0806min-1。已知进料速度V0=378cm3/min，乙酸酐的初始浓度为CA0=2.1×10-4mol/cm3，反应器体积为1800cm3，试求：（1）在反应器出口处乙酸酐的转化率；（2）如果欲使转化率增大一倍，那么反应器的体积应为多少？其它条件保持不变。十八、在一体积为120升的全混流反应器中进行下述液相可逆反应：A+B==C+D已知k1=7.0l/(mol•min)，k2=3.0l/(mol•min)。两种液料各含纯A和纯B，以等体积流量加入到反应器中，一种含A2.8mol/l，另一种含B1.6mol/l，如果反应混合物的密度保持不变，B的转化率为75%，试求每种物料的流量。十九、丁烯在某催化剂上制丁二烯的总反应为C4H8C4H6+H2，假设反应按如下步骤进行：（A）C4H8+Z===C4H8—Z（B）C4H8—Z===C4H6—Z+H2（C）C4H6—Z===C4H6+Z（1）分别写出（A）、（C）为控制步骤的均匀吸附动力学方程；（2）写出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。二十、液相自催化反应AP，反应速率rA=kcAcP，k=10-2m3/(kmol•s)，进料体积流量V0=0.002m3/s，进料浓度cA0=2kmol/m3，cP0=0，问当xA=0.98时，下列各种情况下的反应器体积：（1）单个全混流反应器；（2）两个等体积的全混流反应器。二十一.可逆放热反应在不同转化率下的最佳温度不同，一般而言，转化率越高，最佳温度越。（1）cAf=0.04kmol/m3，cPf=1.96kmol/m33m50VRVs3105.296.104.021004.02AfrAfc0Ac（7分）(2)AfAf1A1A1A0Arccrcc30R2231A21A1A1A21Am666.0VVs1033.396.104.01004.0301.0m/kmol301.0c96.104.01004.0c)c2(c10c2得即(7分)二十二、简答题①何为停留时间分布函数与停留时间分布密度函数？②平推流反应器的特点有哪些？③何为质点的年龄和寿命？④全混流反应器的特点有哪些？⑤何为空间速度与接触时间？什么是质点年龄、寿命及返混？⑥已知全混流反应器的停留时间分布密度函数为E（θ）=exp(-θ),计算F（θ）和2。⑦CSTR中进行一级不可逆均相放热反应，请作图分析给出全混釜的稳定和不稳定操作点，并判别全混釜的热稳定性条件。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？二十三、选择题⑴今有如下平行反应：副主MBALBA21kk相应的反应速率方程rL=k1CACB，rM=k2CA0.5CB1.8下述加料方式最有利于提高主产物L的选择性：（A）B沿PFR分股入料；（B）A沿PFR分股入料；（C）A、B同时加入CSTR（D）A、B同时加入PFR。⑵二级反应PA，现用两个PFR串联操作，已知进料初始浓度CA0=1mol/L，VR1=120L，VR2=240L，kT1=1L/（h·mol），kT2=2L/（h·mol），进料体积流量υ0=1L/min，现有两种串联方式，a：反应器1在前，反应器2其后；b：反应器2在前，反应器1其后，则下列说法正确的是③。①a方式较优②b方式较优③结果等效④无法判别结果⑶对于均相串联反应，可通过①③能够提高反应的选择率。①反应和分离结合，以提高反应的选择率。②提高关键组分的初始浓度，以提高反应的选择率。③降低单程转化率，从而能够提高反应的选择率。④增大反应时间，以增加反应的转化率，从而提高反应的选择率。⑷一级不可逆反应的达姆克勒准数Da与下列哪个因素无关？④①反应速率常数②气膜传质系数③催化剂颗粒的比表面积④反应物主体相浓度二十四、银催化剂上乙烯催化氧化合成环氧乙烷的反应系统包括以下物质：C2H4、O2、C2H4O、CO2、H2O、N2，试确定此物系的关键反应数及一组关键反应方程式。二十五、在150℃下平推流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为0.75，现改用等体积的全混流反应器操作，原料液流量及初始浓度不变，要求达