2023年化学反应工程-模拟题一及超详细解析答案.pdf

优秀学习资料 欢迎下载 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04/ACmol L，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：CBA 2，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：（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：3.01BAPCCkr，8.15.02BASCCkr，其中121 kk，（1）当 A 和 B 的初始浓度为LmolCCBA/2000，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）BA)(P 主反应)(S 副反应R(T),G(T)优秀学习资料 欢迎下载 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 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PA，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：（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AP，k2.7810-3 s-1，进口摩尔流率 FA011.4 mol/s，反应物 A 初始浓度它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器优秀学习资料 欢迎下载 04/ACmol L，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：31111lnln579()12.78*1010.8tskx（2）由 CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：003011.40.84100.7()(1)2.78 104(10.8)AAAAAAAFXFXVLrkCX（3）由 PFR 的设计方程可得反应器的体积为：00030000111.4lnln51650()(1)(1)2.78104AAXXAAAAAAAAAAdXFdXFVFLrkCXkCX 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：CBA 2，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：（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CBA 2，2211 入口处：FA0FB0，则 yA00.5，所以10Ay（1）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为：A0A0yP0.5 10atmC0.061(mol/L)RT0.082(L atm/mol K)(727273)K （2）入口处的反应速率：223AA0B0A0rkCCkC40.0610.0611.4910(mol/dmL)（3）当 A 的转化率为40%时 A 的浓度为：AA0A0A01X1XCCCC0.061(mol/L)1X1X 它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器优秀学习资料 欢迎下载（4）当 A 的转化率为 40%时 B 的浓度为：BBA0A0A0b2X1X12X10.8a1CCCC0.0610.0203(mol/L)1X1X1X10.4 3AABrkC C40.0610.02034.9610(mol/L min)三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：3.01BAPCCkr，8.15.02BASCCkr，其中121 kk，（1）当 A 和 B 的初始浓度为LmolCCBA/2000，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：5.15.08.13.05.0121BABASPCCCCkkrrS（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 CACB，所以瞬时选择性ACS/1 当 A 的转化率为 0.9，CACA0（1-0.9）2mol/l，S0.5；（2）由于5.15.0BACCS，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。BA)(P 主反应)(S 副反应它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器优秀学习资料 欢迎下载 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）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 AP，当空时为 25minR(T),G(T)它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器优秀学习资料 欢迎下载 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）40010()(04*02*0.006934*0.030.0283)0.543E t dt 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：1kXk 10.620.06526min(1)(10.62)*25xkx 222143*437.94233tmtn 7.9411110.91(1)(143*0.06526/7.94)niXk 六、用直径为 1mm 的球形颗粒进行一级不可逆反应PA，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：（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：15.01.0)/(04.0)/(501)(001.021)./(400)(33mkmolhmmhmkmolCkRnrAGGobsA 可见外扩散无影响。（2）由 Weisz-Prater判据得：它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器优秀学习资料 欢迎下载 由于外扩散无影响，所以 CASCAG 15.2)/(04.0)/(001.0)(001.021()./(4003223221mkmolhmmhmkmolCDRobsrCAseAWP 可见内扩散有影响。1coth31121 212.5 计算得：11.72，0.845 可见，当颗粒粒径为 1mm 时内扩散有效因子为 0.845。（3）当0.95时，内扩散基本消除 当0.95，10.9 11RR，1*0.90.521.72Rmm 可见，当颗粒粒径为 0.52mm 时才能基本消除内扩散阻力。它条件不变求所需反应器体积分二在一个等温活塞流反应器中进行气相应器入口处即时的反应速率分当的转化率为时的浓度分当的转化率为时应采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性分四在非等温反应器