化学反应工程模拟题一及答案.docx

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1、化学反应工程模拟题一及答案一、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AP， k2.7810-3 s-1，进口摩尔流率FA011.4 mol/s，反应物A初始浓度CA0=4mol/L，求： 当反应器中A的转化率为80，求所需的时间？ 若将反应移到CSTR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？ 若将反应移到PFR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？ 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：A+2BC，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k4L/molm

2、in。求： 反应器入口处A的浓度？ 反应器入口处的反应速率？ 当A的转化率为40%时的浓度？ 当A的转化率为40%时的反应速率？ 三、有如下平行反应： P(主反应)A+BS(副反应)0.51.80.3CB，其中k1=k2=1， 其动力学方程分别为：rP=k1CACB，rS=k2CA当A和B的初始浓度为CA0=CB0=20mol/L，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。 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、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

3、？ 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AP，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 E(t) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.00693 0.03 0.0283 0.0182 0.0102 0.00497 0.00241 0.00105 0 求停留时间小于40 min的物料所占的分率约为多少？ 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。

4、 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40mol/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0.002778 cm2/s，外部传质系数为KG50m/h。请问： 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。 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。 当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？ 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AP， k2.7810-3 s-1

5、，进口摩尔流率FA011.4 mol/s，反应物A初始浓度CA0=4mol/L，求： 当反应器中A的转化率为80，求所需的时间？ 若将反应移到CSTR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？ 若将反应移到PFR中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？ 解： 由BR设计方程可得反应所需的时间为： 1111t=ln=ln=579(s) -3k1-x2.78*101-0.8由CSTR的设计方程可得反应器的体积为： V=FA0X-rAA=FA0XA11.40.8=4100.7(L) kCA0(1-XA)2.7810-34(1-0.8)由PFR的设计方程可得反应器的体积为： V=FA0XA0dXAF=A

6、0-rAkCA0XA0dXAF111.4=A0ln=ln5=1650(L) -3(1-XA)kCA0(1-XA)2.78104二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：A+2BC，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k4L/molmin。求： 反应器入口处A的浓度？ 反应器入口处的反应速率？ 当A的转化率为40%时的浓度？ 当A的转化率为40%时的反应速率？ 解：对于反应A+2BC，d=1-1-2=-2 入口处：FA0FB0，则yA00.5，所以e=yA0d=-1 由理想气体定

7、律可得入口处A的浓度为： CA0=yA0P0.510atm=0.061(mol/L) RT0.082(Latm/molK)(727+273)K入口处的反应速率： -rA=kCA0CB0-23=kC2A0=40.0610.061=1.4910(mol/dmL) 当A的转化率为40%时A的浓度为： 1-X1-XCA=CA0=CA0=CA0=0.061(mol/L) 1+eX1-X当A的转化率为40%时B的浓度为： b2Q-X1-XBa1-0.81-2X1CB=CA0=C=C=0.061=0.0203(mol/L)A0A01-0.41-X1+eX1-X-rA=kCACB=40.0610.0203=4

8、.9610-3(mol/Lmin) 三、有如下平行反应： P(主反应)A+BS(副反应)0.51.80.3CB，其中k1=k2=1， 其动力学方程分别为：rP=k1CACB，rS=k2CA当A和B的初始浓度为CA0=CB0=20mol/L，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。 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=rPk11-0.50.3-1.80.5-1.5=CACB=CACB rSk2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CACB，所以瞬时选择性S=1/CA 当A的转化率为

9、0.9，CACA02mol/l，S0.5； 0.5-1.5CB，所以在反应过程中，为了使S尽可能大，需要使A的 由于S=CA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？ 解： 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，

10、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。 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。 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

11、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。 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。 五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应AP，当空时为25minR(T),G(T) 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 E(t) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.0

12、0693 0.03 0.0283 0.0182 0.0102 0.00497 0.00241 0.00105 0 求停留时间小于40 min的物料所占的分率约为多少？ 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。 4010解： E(t)dt=(0+4*0+2*0.00693+4*0.03+0.0283)=0.54 03停留时间小于平均停留时间的物料所占的分率约为0.54。 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。 kt对于一级反应：X= 1+ktk=x0.62=0.06526min-1 (1-x)t(1-0.62)*25n=12sQ=2

13、tms2t=43*43=7.94 233=1-1=0.91 7.94(1+43*0.06526/7.94)X=1-1(1+tik)n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40mol/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0.002778 cm2/s，外部传质系数为KG50m/h。请问： 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。 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。 当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？ 解：由Mears判据得： 1400(kmol/(m3.h)0.001(m)1(-rA)obsRn2=0.11 23DeCAs0.001(m/h)0.04(kmol/m)2CWP 可见内扩散有影响。 h=3f12(f1cothf1-1) hf122.5 计算得：f11.72，h0.845 可见，当颗粒粒径为1mm时内扩散有效因子为0.845。 当h0.95时，内扩散基本消除 当h0.95，f10.9 1*0.9f1R=0.52mm ，R=1.72f1R可见，当颗粒粒径为0.52mm时才能基本消除内扩散阻力。