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1、化学反应工程模拟题二及答案B一、在一个连续流动的等温反应器中进行着反应AB，计算当进料的摩尔流率为5mol/h，假设反应速率-rA为： -rA=kCA， k=0.0001s-1 时 -rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时 求转化率为0.9时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：A+BC，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为1.8 L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是627和12 atm，在此温度下的反应速率常数k3 L/mol.min。求： 反应器入口处A的浓度？ 当A的转化率为85%时的浓度？ A的转化
2、率为85%时所需的反应器的体积？ 三、有如下平行反应： 2P(主反应)A+BS(副反应)0.50.4r=kC其动力学方程分别为：rP=k1C2，CS2ACB，其中k1=k2=1， BA当A和B的初始浓度为CA0=CB0=6.8mol/L，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.8时的瞬时选择性。 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？ 四、某一级液相基元反应AP，其反应速率常数为0.072min-1，对液相反应器进行RTD分析，得到反应器的平均停留时间为45 min，方差为210min2，请采用多釜串联模型计算反应器的转化率。 五、在一转框反应器中进行气固催化反应实验
3、，得到下列数据 No. 1 转速N 500 粒径dp，mm 1.8 出口反应物浓度CA，mol/l 0.08 反应速率 rA，mol/l.s 0.3 2 3 4 5 6 1000 1000 1000 1000 1000 1.8 1.2 0.6 0.4 0.2 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.3 0.7 0.9 1.0 1.0 请分析该实验装置的外扩散阻力情况？ 请分析该实验装置的内扩散阻力情况？ 请分别求出第2组和第4组实验中的内扩散有效因子？ 六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应AP，气流主体中A的浓度为0.04kmol/m3，测得单位床层表观反应速率(rA)
4、obs400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.001m2/h，外部传质系数为KG50m/h。请问： 外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？ 内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？ 七、 学完化学反应工程这门课后，你认为该门课在实际工业生产中将起到什么作用？ 中国石油大学远程教育学院 模 拟 考 试 卷 化学反应工程 试卷B (开卷)答案 一、在一个连续流动的等温反应器中进行着反应AB，计算当进料的摩尔流率为5mol/h，假设反应速率-rA为： -rA=kCA， k=0.0001s-1 时 -rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时
5、求转化率为0.9时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。 解： 在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：V=FAo-FA -rAV=CAov-CAvCAov-0.01CA0vv10L/h=99=99*=2750L -1kCAk*0.01*CA0k0.0001*3600hvCA0ln kCA在PFR中，一级不可逆反应的V的表达式：V=将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到： 10L/h1V=ln=127.9L -10.0001*3600h0.01在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：V=FAo-FA -rAV=CA0v-CAvCA0v-0.01CA0vv10L/h=9900=9900*=
6、66000L2kC2k*(0.01*C)kC3L/molh*0.5mol/LA0A0Av11(-) kCACA0在PFR中，二级不可逆反应的V的表达式：V=将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到： 10L/h11V=(-)=660L 3L/molh0.5*0.010.5 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：A+BC，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为1.8 L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是627和12 atm，在此温度下的反应速率常数k3 L/mol.min。求： 反应器入口处A的浓度？ 当A的转化率为85%时的浓度？ A的转化率为85%时所需的
7、反应器的体积？ 解：对于反应A+BC，d=1-1-1=-1 入口处：FA0FB0，则yA00.5，所以e=yA0d=-0.5 由理想气体定律，可得入口处A的浓度为： CA0=yA0P0.512atm=0.081(mol/L) RT0.082(Latm/molK)(627+273)K当A的转化率为85%时A的浓度为： 1-XCA=CA01+eX1-X=CA01-0.5X1-0.85=0.081=0.02113(mol/L) 1-0.50.85当A的转化率为85%时反应器的体积为： vV=0kCA0=(1+e)2X22e(1+e)ln(1-X)+eX+1-X21.8(1-0.5)0.8522(-0
8、.5)(1-0.5)ln(1-0.85)+0.50.85+=19.09(L)30.0811-0.85 三、有如下平行反应： 2P(主反应)A+BS(副反应)0.50.4r=kC其动力学方程分别为：rP=k1C2，CS2ACB，其中k1=k2=1， BA当A和B的初始浓度为CA0=CB0=6.8mol/L，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.8时的瞬时选择性。 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？ 解：根据瞬时选择性的定义：S=rPk12-0.50.4-1-0.6=CACB=C1.5 ACBrSk2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
9、反应过程中CACB，所以瞬时选择性S=C0.9 A当A的转化率为0.8，CACA01.36mol/l，S1.32； -0.6 由于S=C1.5，所以在反应过程中，为了使S尽可能大，需要使A的ACB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、某一级液相基元反应AP，其反应速率常数为0.072min-1，对液相反应器进行RTD分析，得到反应器的平均停留时间为45 min，方差为210min2，请采用多釜串联模型计算反应器的转化率。
10、 解：计算串联反应釜的个数：n=2tms2t=45*45=9.64 210对于n个反应釜串联的一级反应，转化率为： X=1-1(1+tik)n=1-1=0.94 9.64(1+45/9.64*0.072)五、在一转框反应器中进行气固催化反应实验，得到下列数据 No. 1 2 3 4 5 6 转速N 500 1000 1000 1000 1000 1000 粒径dp，mm 1.8 1.8 1.2 0.6 0.4 0.2 出口反应物浓度CA，mol/l 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 反应速率 rA，mol/l.s 0.3 0.3 0.7 0.9 1.0 1.0 请分析
11、该实验装置的外扩散阻力情况？ 请分析该实验装置的内扩散阻力情况？ 请分别求出第2组和第4组实验中的内扩散有效因子？ 解：比较和两组数据可知：当转速改变时，反应速率不变，可见外扩散阻力非常小，外扩散的影响已消除。 比较-三组数据可知：当催化剂粒径由1.8mm减小到0.4mm时，反应速率发生变化，可见内扩散对反应过程有影响；当催化剂粒径由0.4mm减小到0.2mm时，反应速率不变化，可见内扩散对反应过程无影响。可见，当粒径小于0.4mm时，内扩散对反应过程无影响。 由定义可知：内扩散有效因子，h=催化剂颗粒的实际反应速率内扩散无影响时的反应速率0.30.3 10.9第组实验中，h0.9 1第组实验
12、中，h六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应AP，气流主体中A的浓度为0.04kmol/m3，测得单位床层表观反应速率(rA)obs400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.001m2/h，外部传质系数为KG50m/h。请问： 外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？ 内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？ 解：由Mears判据得： 1400(kmol/(m3.h)0.001(m)1(-rA)obsRn2=0.11 2DeCAs0.001(m/h)0.04(kmol/m3)2CWP 可见内扩散有影响。可通过减小催化剂直径来消除内扩散的影响。 七、 学完化学反应工程这门课后，你认为该门课在实际工业生产中将起到什么作用？ 答：通过本课程的学习，我们了解了化学反应工程是研究化学反应的工程问题的科学，它研究工业化学反应器的基本原理，对反应器中所进行的化学反应过程特征进行分析，结合具体的反应装置，综合研究反应器中的反应过程和物理传递过程。因此，该门课在实际工业生产中，可为正确选择反应器的型式和确定最经济的工艺路线和操作条件，对反应器进行最佳设计和最优控制，以及为工业反应过程的开发和反应器的放大提供技术依据。
