化学反应工程-模拟题一及答案.doc

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，
k＝2.78×10-3 s-1，进口摩尔流率FA0＝11.4 mol/s，反应物A初始浓度，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：，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：，，其中，
（1）当A和B的初始浓度为，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）
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43 min，方差为233min2。
t,min
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
E(t)
0
0
0.00693
0.03
0.0283
0.0182
0.0102
0.00497
0.00241
0.00105
0
求（1）停留时间小于40 min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，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0.002778 cm2/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，
k＝2.78×10-3 s-1，进口摩尔流率FA0＝11.4 mol/s，反应物A初始浓度，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：

（2）由CSTR的设计方程可得反应器的体积为：

（3）由PFR的设计方程可得反应器的体积为：

二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：，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，
入口处：FA0＝FB0，则yA0＝0.5，所以
（1）由理想气体定律可得入口处A的浓度为：

（2）入口处的反应速率：

（3）当A的转化率为40%时A的浓度为：

（4）当A的转化率为40%时B的浓度为：

三、有如下平行反应：

其动力学方程分别为：，，其中，
（1）当A和B的初始浓度为，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：
（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
当A的转化率为0.9，CA＝CA0（1-0.9）＝2mol/l，S＝0.5；
（2）由于，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。

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）
R(T),G(T)

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43 min，方差为233min2。
t,min
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
E(t)
0
0
0.00693
0.03
0.0283
0.0182
0.0102
0.00497
0.00241
0.00105
0
求（1）停留时间小于40 min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）
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：

六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应，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0.002778 cm2/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：

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

可见内扩散有影响。

计算得：，
可见，当颗粒粒径为1mm时内扩散有效因子为0.845。
（3）当时，内扩散基本消除
当，
，
可见，当颗粒粒径为0.52mm时才能基本消除内扩散阻力。