本科作业本二.docx
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本科作业本二
本科作业-本二-2014年
第一章应用化学反应动力学及反应器设计基础
一、思考题
1、间歇系统与连续系统中,反应速率的定义式?
2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系?
3、反应速率可以用浓度ci、分压pi或摩尔分率yi来表述,相应的速率常数kc、kp、ky之间有何关系?
4、温度增加,反应速率常数肯定增加,对否?
5、空速的定义是什么?
它的大小反映了反应器的什么能力?
6、转化率的定义是什么?
在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用?
7、化学反应中哪种吸附起主要作用?
8、惰性物质不参加反应,所以对吸附、脱附无任何影响,对否?
9、表达反应系统体积变化的参数是什么?
10、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化?
第二章气-固相催化反应本证及宏观动力学
一、思考题
1、对于球形催化剂,西勒模数(Thiele)越大,则催化剂的内扩散有效因子如何变化?
2、如果在某催化剂上测得的反应速率为r,而内扩散有
的反应物A按等温一级不可逆反应分解,反应物A在颗粒内的有效扩散系数为1.2×10-6m2/s,气流中反应物A的分压为0.10133MPa,T=700K。
(1)试估计催化剂颗粒内部的内扩散效率因子。
(2)若催化剂的活性提高一倍,微孔的有效扩散系数下降为7×10-7m2/s,问内扩散效率因子为多少。
(3)若催化剂活性提高一倍,有效扩散系数仍为7×10-7m2/s,如果要求内扩散效率因子不变,问催化剂颗粒大小为多少?
7、某气-固相一级不可逆催化反应,已知反应温度为350℃,在该温度下反应速度为1.15×10-5[mol/cm3.s],颗粒外表面A组分的浓度为1.1×10-5[mol/cm3],A的分子量为128,催化剂颗粒为球形,直径为0.18cm,颗粒密度为ρp=1.0g/cm3,孔隙率θ=0.48,比表面Sg=468m2/g,曲节因子δ=2.9,若分子扩散可不考虑,试求催化剂的内扩散效率因子。
8、石油炼制过程中,常需要用空气进行催化剂的烧焦反应,使催化剂再生,反应可视为一级不可逆反应,已知烧焦反应于780℃,1.0133×105Pa下进行,球形颗粒直径为4毫米,催化剂时本征反应速度rA=0.42[mol/m3.s],反应热为198000J/mol,有效扩散系数为4.75×10-7m2/s,有效导热系数为0.366[W/m.k],试求颗粒内最大温差及内扩散效率因子。
9、用空气在常压下烧去催化剂上的积碳,催化剂颗粒直径为5mm,颗粒有效导热系数
为0.35[J/m.s.k],每燃烧1mol
放出热量
J,燃烧温度为760℃,氧在催化剂颗粒内的有效扩散系数
为
cm2/s。
试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。
10、乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应,在300℃,7.09MPa下,
,
,采用直径与高均为5
的圆柱形催化剂,求内扩散有效因子。
11、某催化反应在500℃的催化剂粒子中进行,已知反应速度式为
[mol/s.g催化剂],P的单位为MPa,颗粒为5*5mm圆柱体,颗粒密度为0.80g/cm3,粒子外表面上A的分压为0.101325MPa,粒内A组分的有效扩散系数为0.25cm2/s,试求此颗粒的内扩散效率因子。
12、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯,如催化剂为微球状,已知ρP=1.06g/cm3,颗粒孔隙率θ=0.52,Sg=350m2/g,求在500℃,1atm,异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。
异丙苯的分子量为120,微孔的曲节因子δ=3,异丙苯—苯的分子扩散系数为0.155cm2/s。
球型催化剂颗粒直径为0.5cm,550℃时该反应的速率常数k=0.25s-1,试求此催化剂的内扩散效率因子。
13、计算660K和30atm下,在孔隙催化剂中,噻吩(分子量84)在氢气中的有效扩散系数。
已知催化剂的比表面Sg=180m2/g,颗粒的孔隙率θ=0.4,颗粒的密度ρp=1.4g/cm3,分子扩散系数DAB=0.052cm2/s,微孔的曲节因子δ=2,(颗粒为球型)。
第三章釜式及均相管式反应器
一、思考题
1、返混的定义是什么?
返混是否总是有害的?
2、造成非理想流动的主要因素有哪些?
其根本原因是什么?
3、返混能造成非理想流动,对否?
4、反应器设计的基本方程包括哪些内容?
5、绝热温升(降)的物理含义是什么?
6、串、并连操作各有何特点?
工业上何时采用串联操作?
何时采用并联操作?
两者是否可以互相代替?
7、一般情况下返混对反应结果都有不利影响,对否?
8、CSTR串联是否好于单个大体积的CSTR?
是否工业上都用多个CSTR串联来代替单个CSTR?
多釜串联时是否串联级数越多越好?
9、对一级不可逆反应,在相同的反应条件下完成相同的任务时,两个体积相同的CSTR串联、并联的结果是否相同?
如果不相同,哪种结果好?
10、CSTR与PFR串联操作时,其顺序的变化是否影响反应结果?
11、什么情况下串联操作与单个反应器操作的结果完全相同?
12、反应体积的变化是否影响反应结果?
它是通过什么途径起的作用?
对于不同反应级数的反应影响程度是否相同?
13、转化率与体积变化相比哪个对反应结果影响大?
14、反应体积增大与减少对反应结果有何影响?
对不同反应级数的反应影响程度是否相同?
15、如果主反应级数大于副反应级数,体积增大对反应是否有利?
16、如果反应温度提高后,目的产物的选择性明显增加,从中可以得出什么结论?
17、瞬时选择性与总选择性有何关系?
两者是否可以相等?
18、反应器多态的物理含义是什么?
二、计算题
1、以醋酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯,操作温度为100℃,每批进料1
的A和4.96
的B,已知反应速率
,试求醋酸转化率
分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。
已知醋酸与正丁醇的密度分别为960
和740
。
2、生化工程中酶反应A+P→P+P为自催化反应,反应速率式为
,某温度下k=1.512
,原料中含有A0.99kmol/m3,含P为0.01kmol/m3,要求A的出口浓度达到CAf=0.01kmol/m3,该反应器的处理能力为V0=10m3/h时,试求:
(1)反应速率达到最大时A的浓度;
(2)采用CSTR反应器时的体积;(3)采用PFR反应器时的体积。
3、由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯,化学反应为:
CH3COOH(A)+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O
,每小时处理原料量为735kg,反应混合物密度为0.75kg/l,原料配比为醋酸:
丁醇=1:
4.97(mol),动力学方程为
,
,求反应器的有效容积:
(1)用一个全混流反应器;
(2)用两个全混流反应器串联,已知:
,(3)用一个平推流反应器。
4、在间歇反应器中进行液相反应A+B→P,测得此二级反应的反应速度常数为k=61.5×10-2[l/mol.h],CA0=0.307[mol/l],计算当CB0/CA0=1和5,转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间,并对计算结果加以讨论。
5、在等温间歇反应器中进行皂化反应:
CH3COOC2H5+NaOH→CH3COONa+C2H5OH
该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级,反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l,反应速度常数为k=5.6[l/min.mol],要求最终转化率为0.95,试求所需的反应时间。
6、在平推流反应器中进行等温一级反应,出口转化率为0.90,现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行,且操作条件不变,问出口转化率是多少?
7、在150℃等温平推流反应器中进行一级不可逆反应,出口转化率为0.60,现改用等体积的全混流反应器操作,料液流率及初浓度不变,要求转化率达到0.70,问此时全混流反应器应在什么温度下操作,已知反应活化能为83.68[kJ/mol]。
8、在全混流反应器中进行如下液相可逆反应:
在120℃时,反应速率
,反应器的体积为100mL,两股进料流同时等流量进入反应器,一股含
,另一股含
,当
的转化率为80%时,每股料液流量为多少。
9、液相自催化反应A→P,反应速度
,k=10-2[m3/kmol.s],进料体积流率V0=0.002m3/s,进料浓度CA0=2[kmol/m3],CP0=0,问当XA=0.98时,下列各种情况下的反应器体积。
(1)单个平推流反应器;
(2)单个全混流反应器;(3)两个等体积全混流反应器串联。
10、在全混流反应器中进行一级可逆反应
,
,已知该反应温度下
的平衡转化率
,反应器出口实际转化率
,问如何调节加料速率,可使反应转化率达
。
11、在平推流反应器中进行气相反应:
A→3B,
,反应器进口,含A65%,其余为惰性组分(mol%),反应是在550K和3kg/cm2下进行反应,已知进料中A的流量为10mol/min,为使转化率达80%,试求:
⑴所需的空速为多少;⑵反应器的有效容积为多少?
12、某气相不可逆反应:
A→B+2C,在60℃,5atm下的平推流反应器内进行,原料气中含75%的A和25%的惰性物料(mol%),物料的体积流量为
A和惰性物料的分子量分别为60和40,反应速度常数为
,转化率控制为75%,
试求:
⑴所需的空速为多少?
⑵反应器的容积为多少?
13、某气相反应:
,已知物料的体积流量
转化率
,计算下列各情况的反应器的体积(纯A进料):
⑴单个平推流反应器;⑵单个全混流反应器;⑶两个等体积全混流反应器串联。
14、在平推流反应器中,以乙烷气体为原料进行裂解制乙烯:
C2H6→C2H4+H2;动力学方程式为:
,反应温度为900℃,压力为1.4atm(绝压),反应速度常数k=16.45s-1,进料为乙烷与水的混合物,其配比乙烷:
水=1:
0.5(体积),乙烷进料速度为20吨/时,乙烷的转化率为60%,设反应器在恒压下进行,试计算反应时间和反应器的体积。
第四章反应器中的混合及对反应的影响
一、思考题
1、停留时间分布函数的定义是什么?
2、停留时间分布密度函数的定义是什么?
它与停留时间分布函数有何关系?
3、停留时间分布测定方法有哪些?
得到的应答曲线是什么?
4、平均停留时间与反应时间是否一致?
5、方差的物理含义是什么?
方差大小,是否影响平均停留时间?
返混程度与平均停留时间及方差是否有关系?
6、皮克莱准数(Pe)的物理含义是什么?
它的倒数表明什么?
7、实际反应器中的流动状态是否可以同时用几个数学模型进行描述?
8、宏观流体的平均转化率和平均浓度怎样计算?
均相反应是否有宏观流体?
非均相反应是否有宏观流体?
二、计算题
1、用脉冲法测得某反应器出口示踪物的浓度如下:
t(s)0120240360480600720840960
C(t)06.512.512.51052.510
已知该反应器内进行一级不可逆反应,反应速度常数k=3.24×10-3s-1,试用多级串联全混流模型计算转化率
。
2、有一理想的釜式搅拌器,已知反应器体积为100升,流量为10L/min,试估计离开反应器的物料中,停留时间分别为0~1min,2~10min和大于30min的物料所占的分数。
3、用脉冲法测得停留时间分布数据如下:
t(s)04896144192240288336384432
c(t)0000.15108400
试计算平均停留时间,如在反应器中进行一级反应A→R,k=0.0075s-1,求平均转化率。
如分别采用CSTR和PFR,其平均停留时间相同,则反应结果分别为多少。
4、用脉冲示综法测得实验反应器的停留时间分布关系如下表所示,
t(s)123456810152030415267
c(t)957819090867767473215731
今有一液相反应A+B→P,已知CA0<(1)该反应器的平均停留时间及方差;
(2)若实验反应器以多釜串联模型描述,可达到的转化率为多少?
5、用脉冲法测得逗留时间分布数据如下:
t(min)01.5245.567.58.5101214.517.5
E(t)00.3750.3320.2120.1680.1250.1080.0850.0620.0410.0200
反应速度常数k=0.307min-1,试求
和实际反应器所能达到的平均转化率XA。
6、一个特殊设计的容器作为一级液相反应的反应器,为判断反应器内的流动状况与理想流动状况的偏离情况,用脉冲法进行示综试验,在容器出口处测得不同时间的示踪剂浓度如下所列:
t(s)1020304050607080
──────────────────────
c(t)03554210
假定在平均停留时间相同的全混流反应器中的转化率为82.18%,试估计该反应器的实际转化率。
第六章气-液反应工程
一、思考题
1、化学吸收增强因子是否永远大于等于1?
2、工业上常用什么方法减小气膜、液膜厚度?
3、M准数的物理含义是什么?
它的大小是否可以作为判别反应快慢的唯一依据?
4、欲使反应面与界面重合,常采用什么方法?
5、对于快反应,增加相接触面积是否有利?
增加液相体积有无作用?
6、极慢反应,增加相接触面积是否有利?
增加液相体积有无作用?
7、气液反应历程一般有几个步骤?
二、计算题
1、PH=9的溶液在20℃下吸收CO2。
已知,
,CO2与OH-的二级反应速率常数
,液膜传质系数
,问化学反应是否在液流主体中进行。
2、NaOH溶液吸收CO2,反应速率
,NaOH浓度
,液膜传质系数
,反应速率常数
,液膜内分子扩散系数
,界面上CO2分压为0.001MPa,CO2气体的亨利系数
,若液膜中NaOH浓度可认为常量,试求反应吸收的速率。
3、铜络合溶液吸收氧气为快速不可逆反应,其反应为:
已知系统总压为12.0Mpa,气体中氧气的含量为0.1%,已知
,
,试求含
为
铜络合溶液吸收氧气的吸收速率。