化学反应工程习题集.docx
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化学反应工程习题集
化学反应工程习题集
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，
，当时，
。
（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
、
、
（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，
=0.98，反应器可视为。
又若求得无因次方差，
=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：
A1A2，A1A3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2A
B+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/min
0.10.21.02.05.010.020.030.0
c/（g/m3）
1.961.931.6421.3440.7360.9650.0340.004
⑴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+HClC2H3Cl
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-1
BCk2=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：
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：
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/m3
（7分）
（2）
（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？
何为空间速度与接触时间？
什么是质点年龄、寿命及返混？
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
。
CSTR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
今有如下平行反应：
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。
二级反应
，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
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。
一级不可逆反应的达姆克勒准数Da与下列哪个因素无关？
④
①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，要求达到相同的出口转化率，须将反应温度提高到180℃进行（反应机理不变），求此反应的活化能。
二十六、在某催化剂的表面发生如下的气相可逆反应：
A+R==S
已知表面吸附态有A和S，R在表面不吸附，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；
2.S的解吸是速率控制步骤。
二十七、考虑下述的液相连串反应：
ABk1=0.25h-1
BCk2=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？
二十八、生化工程中酶反应AR为自催化反应，反应速率式rA=kcAcR,某温度下k=1.86m3/（kmol•min），采用的原料中含A0.98，含R0.02kmol/m3,要求A的最终浓度降到0.02kmol/m3，当原料的进料量为15m3/h时，求：
（1）反应速率达到最大时，A的浓度为多少？
（2）为使反应器总体积为最小，将全混流和平推流反应器组合使用，组合方式如何？
最小总体积为多少?
二十九、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。
三十、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），k-1=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。
三十一、下列平行反应：
已知cA0=2mol/L，生成P的反应为主反应，P为主产物，求：
（1）在单全混流反应器中所能得到的最大CPf；
（2）在单平推流反应器中所能得到的最大CPf；
（3）假设反应物A可100%回收，采用何种反应器型式可使主产物P收率最大？
为什么？
三十二、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一组关键反应方程式。
八、反应A→B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。
三十三、由甲烷和水蒸汽在600℃和105Pa条件下制备合成气时，有如下物种出现：
CH4、H2O、H2、CO、CO2和C2H6，试确定此物系的独立反应数及可能的反应方程式。
三十四、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+HClC2H3Cl
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。
三十五、考虑如下连串反应：
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。
三十六、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：
（D）C4H8+Z===C4H8—Z
（E）C4H8—Z===C4H6—Z+H2
（F）C4H6—Z===C4H6+Z
（3）分别写出（A）、（C）为控制步骤的均匀吸附动力学方程；
写出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。
三十七、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？
三十八、有一不可逆一级反应A→R，在85℃时反应速率常数k=3.45h-1，
（1）今拟在一个容积为10m3的全混釜反应器中进行，若最终转化率xA为0.95，求该反应器处理的物料量为多少。
（2）若改用两个容积相同的串联釜进行操作，最终转化率xA及物料处理量不变，则总的反应器容积为多少？
（3）若改用N个容积相同的串联釜，当N的数目足够大时，试说明所需的反应器总容积趋近于平推流管式反应器在同样工艺条件下所需的反应器容积。
三十九、平推流反应器中，973K下等温进行丁烯脱氢制丁二烯反应，C4H8（A）
C4H6（B）+H2（C），反应速率方程为
（kmol/（m3·h））。
原料气为丁烯和水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分率为10%，操作压力为105Pa，973K时，k为1.079×10-4kmol/（h·m3·Pa）。
若要求丁烯转化率为0.35，求反应的空时及空速？
四十、有一醋酐水溶液，在25℃条件下进行水解反应，在该温度下的速率方程为：
，
。
醋酐初浓度为
，进料流量为500
，现有两个2.5L和一个5L的全混流反应器，试回答下列问题：
（1）用一个5L的全混流反应器操作，转化率是多少？
（2）用两个2.5L全混流反应器串连操作，转化率是多少？
（3）若用一个2.5L的全混流反应器后串连一个2.5L的平推流反应器，转化率是多少？
四十一、某二级不可逆气-固相催化反应，
（Cb为气体主体相浓度，Ces为催化剂颗粒外表面浓度），过程的内扩散影响可忽略，试求
（1）颗粒外扩散有效因子η1；
（2）应用传质理论分析如何降低外扩散过程的影响。
四十二、某催化反应在500℃的催化剂粒子中进行，已知反应速率为：
），式中A为关键组分；pA的单位为atm。
如颗粒为球形，直径为0.5cm，粒子密度为ρP为0.8g/cm3，粒子外表面A的分压pA为0.1atm，粒子内A组分的扩散系数De为0.025cm2/s，试求西勒模数φ及内部效率因子η2。
四十三、用阶跃法测定某一闭式流动反应器的停留时间分布，得到离开反应器的示踪物浓度与时间关系如下：
t/s
0
15
25
35
45
55
65
75
95
100
C（t）/g·cm-3
0
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
5.5
6.5
7.0
7.7
（1）试求该反应器的停留时间分布及平均停留时间；
（2）若在该反应器内的物料为微观液体，且进行级不可逆反应，反应速率常数
，预计反应器出口处的转化率；
（3）若反应器内的物料为宏观流体，其他条件不变，试问反应器出口处的转化率又是多少？
四十四、有一自催化液相反应A→P，其速率方程为
，反应温度下，
，每小时处理1000
的原料，其中A占99％（
），其余为P。
要求最终转化率为90％。
（1）为使所需反应体积最小，采用何种形式的反应器好？
并算出你选用的反应体积；
（2）如果采用循环反应器，请你确定最佳循环比及反应体积。
（1）当循环比Ψ＝∝时，反应体积又是多少？
当循环比Ψ＝0时，反应体积为多少？
四十五、环氧乙烷与水反应生成乙二醇，副产二甘醇：
这两个反应对各自的反应物均为1级，速率常数比
，原料中水与环氧乙烷的摩尔比为20，且不含产物。
（2）选择何种形式的反应器好？
（3）欲使乙二醇的收率最大，转化率为多少？
（3）有人认为采用活塞流反应器好，乙二醇收率高但环氧乙烷转化率低，故建议采用循环反应器以提高总转化率。
你认为这种建议是否可行？
如果循环比Ψ＝25，并使空时与
（2）的空时相等，则此时总转化率及乙二醇的收率是提高还是降低？
四十六、现有反应体积为1
的活塞流反应器两个，氦用来分解浓度为3.2
的过氧化氢异丙苯溶液以生产苯酚和丙酮。
该反应为1级不可逆反应，并在86℃等温下进行。
此时反应速率常数等于0.08s-1。
过氧化氢异丙苯溶液处理量为2.4
，试计算下列各种情况下过氧化氢异丙苯的转化率。
（1）两个反应器串联操作；
（2）两个反应器并联操作，且保持两个反应器的原料处理量相同，即均等于1.2
；
（3）两个反应器并联操作，但两者原料处理量之比为1:
2，即一个为0.8
，另一个为1.6
；
（4）用一个反应体积为2m3的活塞流反应器代替；
（5）若将过氧化氢异丙苯的浓度提高到4
，其余条件保持不变，那么，上列各种情况的计算结果是否改变？
相应的苯酚产量是否改变？
（6）比较上列各项的计算结果并讨论之，从中你得到那些结论？
四十七、在一活塞流反应器中进行下列反应：
两个反应均为1级，反应温度下，
。
A的进料流量为3
，其中不含P和Q，试计算P的最高收率和总选择性以及达到最大收率时所需的反应体积。
四十八、在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l，反应速率常数等于5.6l/mol.min。
要求最终转化率达到95%。
试问：
（1） 当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？
（2） 若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？
四十九、在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：
其反应速率方程为：
式中组分A及B的
为单位，温度的单位为K，该反应的热效应等于－4000
。
反应开始时溶液中不含R，组分A和B的浓度均等于0.04
，反应混合物的平均热容可按4.102
计算。
反应开始时反应混合物的温度为50℃。
（1）试计算A的转化率达85％时所需的反应时间及此时的反应温度；
（2）如果要求全部反应物都转变为产物R，是否可能？
为什么？
五十、工业上采扩铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：
由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组分变为液体即为粗甲醇。
不凝组分如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
下图是生产流程示意图。
┌―――→合成――――→冷凝分离―――┐
原料气│B↓kg/h粗甲醇│Akmol/h
―――――→┤├―――――→
100kmol/h││放空气体
└――――――――循环压缩←――――――┘
原料气和冷凝分离后的气体的摩尔组成分率如下：
组分COH2CO2CH4N2
原料气26.8268.251.460.552.92
冷凝分离后的气体15.4969.780.823.6210.29
粗甲醇的组成为CH3OH89.15％，（CH3）2O3.55％，C4H9OH1.10％H2O6.20％，均为重量百分率。
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