第一章习题
1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计
量系数有何关系?
答:化学反应式中计量系数恒为正值,化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同,符号相反,对于产物二者相同。
2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元
反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?
答:如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物,该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分
子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义,仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值,决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。
de
3 若将反应速率写成「A A,有什么条件?
dt
答:化学反应的进行不引起物系体积的变化,即恒容。
4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器?
答:在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系,而这种关系仅是动力学方程的直接积分,与反应器大小和投料量无关。
5 现有如下基元反应过程,请写岀各组分生成速率与浓度之间关系。
⑴A+2B ? C A+C? D ⑵A+2B ? C B+C? D C+D>E
(3)2A+2B ? > CA+C? D
「
A
k i e A C B k z C c k3e A e C k4C D
「B 2k i e A e B 2k2e C
解.(1)
「c k i e A e B k2e C k3e A e C k4^D
「
D
k3e A e C k4e D
「A KC A C B k z C c
2k i e A C B 2k2C C k3C B C c k4C D
⑵
2
r C k1C A e B k2e C k3e B e C k4e D k5C C C D k6C E
r D k3e B e C k4e D k5e c e D k6e E
气相基元反应A+2B^2P 在30C 和常压下的反应速率常数
以气相分压来表示速率方程,即 (-r A )=k p p A p B 2,求k p =?(假定气体为理想气体)
T 273 30 303K
k c 2.65 104m 6kmol 2s 1 c 卫
RT
k p P A P B 1.655 10 6kmol m 3s -1kPa -3
8 反应A(g) +B(l) - C(l)气相反应物A 被B 的水溶液吸收,吸收后 A 与B 生成C 。反应 动力学方程为:-
r A =kC A C B 。由于反应物B 在水中的浓度远大于 A ,在反应过程中可视 为不变,而反应物A 溶解于水的速率极
快,以至于A 在水中的浓度恒为其饱和溶解度。 试求此反应器中液相体积为 5m 时C 的生成量。已知
k =1n i kmol -1hr -1,C B°=3kmol ? rrf ,
C A 饱和 =0.02 kmol ? m 3,水溶液流量为 10nihr -1。
解
「A
2 2 2k |C A C B
2k ?C c k 3C A C c k 4C ° r c
2 2 2k j C A C B
2k ?C c
k 1C A C B k 2C C k 3C A C C k 4C D
「
D
k 3C A
C c
k 4
C D
k c =2.65 x 104m i kmol -2s -1。现
k c
C A c
B k c
R^
2
P B
RT
k p
2.65 104m 6kmol
3
(RT) 8.314kJ kmol 1K 1 303K
有一反应在间歇反应器中进行,经过
8min 后,
80%,经过 18min 后,
转化掉90%,求表达此反应的动力学方程式。
kt 1
C A 0 1
X A
X A
1 0.8
1
(kC A0)8min
8 1 0.8 2
1 0.9 1 (kC A0)18min
—
—
18 1 0.9 2
假设正确, 动力学方程 为
dC A
dt
反应物转化掉
r A kc A c B 由已知条件,c A 与c B 均为常数
2H 2 2NO N 2 2H 2O
2总压/MPa 0.0272 0.0326 0.0381 0.0435 0.0543
半衰期/s
265
186
135 104 67
n 1
P A
P A
k p t
P
AO
1 P 1 n P 1 n
k p t
n 1 n 1
p
A 0
p
A
t t 12
P A O.5P AO 1 1
4 P A n 1 0
0.51 n
P A0 k p t 12
1 0.51
n
P 1 n
t V 2 ln
1 0.51 n 1 n ln
P A0 ln t 12
P AO 1 P 总
k p n “ P
A0
1
k p n 1
P AO
0.1360 0.1630 0.1905 0.2175 0.2715
t ^'2 265 186 135 104 67
In P AO 1.995 1.814 1.658 1.526 1.304
lnt .2
5.580
5.226
4.905
4.644
4.205
t
12
dt
r A 1 0.02 3 0.06kmol m 3hr 1
反应时间即液相在反应 器中的停留时间 C 的生成量 N c 0.06kmol m 3hr 1 0.5hr
5m 3 10m 3hr 1
0.5hr
3
5m 0.15kmol
dp. dt P n dP A k p dt P n dP A
Int 12对In p A0作图,得直线
dC A dt
kc A c B 积分得:kt
ln
C A So
C A0
C B0
C A0 C B
10考虑反应A 3P ,其动力学方程为 r A 总压表示的动力学方
程。
解
A P P 总
t 0
n A0
P A0 0
P A0
t t
n A
3 n A0
n A
P A
3 P A 0 P A
3P A 0 2 P A
1 a
3 P A 0 P 总 V P A
3 P A
0 P 总 n A
2
2RT
dn A
V dp 总
2RT
V
dp 总
3 p A0
P 总V
1 2RT
k-
2RT V dt V
dp 总 3P AO p 总
dt
解由C A - C B =42.4可知反应应按下列方式 A+M 产物进行
设为二级反应
Parameter
Value Error
A 1.60217 0.01399 B
-1.9946 0.00834
斜率 1.9946 1.9946 1 n n 3
三级反应
—dn
A k 试推导在恒容下以
V dt V
Y = A + B * X
Y = A + B * X
Parameter
Value
Error A 0.01166 1.84643E-4 B 1.08978E-5 2.55927E-7
y 1.0898 10 5t 0.01166 k 1.0898 10 5m 3kmol 1s 1
12
丁烷在700C ,总压为0.3MPa 的条件下热分解反应:
GH 。— 2GH 4+H 2 (A) (R) (S)
t 116.8
319.8 490.2 913.8 1188 y
1
ln C A
C A 0 C B 0
C B
0.0132
0.0149
0.0169
0.0216
0.0247
c A 对t 作图若为直线,则假设正确。
C
B
由C AO -C BO =42.4整理得数据如下:
In dC A
dt
1.0898 10 5C A C B 线性回归:
dp R dn s
dy A
dt
13
某二级液相不可逆反应在初始浓度为
5kmol ? m 时,反应到某一浓度需要 285s ,初始
_3
.
__ _3
浓度为1kmol - m 时,反应到同一浓度需要 283s ,那么,从初始浓度为 5kmol - m 反 应到1kmol - m 3需要多长时间?
解
t =285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应,已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。反应 过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。
14
在间歇搅拌槽式反应器中,用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯,反应式为:
CH 3COOH C 4H 9OH H 2S °4
CH 3COOC 4H 9 H 2O
A B R S
反应物配比为:A(mol):B(mol)=1:4.97
,反应在100C 下进行。A 转化率达50%需要时
间为24.6min ,辅助生产时间为 30min ,每天生产2400kg 醋酸丁酯(忽略分离损失) 计算反应器体积。混合物
起始时丁烷为116kg ,当转化率为50%寸
dP A dt
0.24MPa s
1
,求此时
dt 解
dp R 2
dp A 2 0.24
1
dt
dt
dp s dp
A n s 型
dt
dt RT
116 2kmo
l
“A0
X A
58
n A 1kmol ,n
R
2kmol , n s V n t RT 4 RT P 总 300
dn s V t dP s 4 dp s 4 0.48MPa
dn s
0.5时
Ikmol
dt
RT dt 300 dt
RT
dp s n t 4kmol
24
0.032kmol s 1
300
dy A dt
1 dp A 1 p 总 dt 0.3
0.24 0.8s 1
密度为750kg ? m3,反应器装填系数为0.75。
解
A B RS
M i 60 74 116
1 100 1
R产量2400/24 100kg hr 10.862kmol hr1
116
转化率50%,则A的投料量0862 1.724kmol hr1
0.5
折算成质量流量1.724 60 103.4kg hr 1
A:B 1:4.97则B投料量1.724 4.97 74 634.1kg hr 1
总投料量103.4 634.1 737.5kg hr 1
737 5
换算成体积流量 --- - 0.9834m3hr1
750
54 6
总生产时间24.6 30 54.6min折合沖0.91hr
60
反应器有效体积0.9834 0.91 0.8949m3
0 8949 3
反应器总体积1.2m3
0.75
15 反应(CH3CO)20+HO2CHCOOH在间歇反应器中15 'C下进行。已知一次加入反应物料
50kg,其中(CfCObO的浓度为216mol ? m3,物料密度为1050kg ? m3。反应为拟一级
7 _1 _1
反应,速率常数为k=5.708 X 10 exp(- E/RT) min,E=49.82kJ ? mol。求X A=0.8时, 在等温操作下的反应时间。
解
7 49820 1
k 5.708 10 e)p( ) 0.05252 min
8.314 288
1 1 1 1
t ln ln 30.6min
k 1 X A 0.05252 1 0.8
化学反应工程考试总结 一、填空题: 1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础,其中“三传”是指质 量传递、热量传递和动量传递,“一反”是指反应动力学。 2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同,但通常温度升 高有利于活化能高的反应的选择性,反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。 3.测定非理想流动的停留时间分布函数时,两种最常见的示踪物输 入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。 4.在均相反应动力学中,利用实验数据求取化学反应速度方程式的 两种最主要的方法为积分法和微分法。 5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ,轴 向扩散模型的唯一模型参数为Pe(或Ez / uL)。 6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳 定性。 7.平推流反应器的E函数表达式为 , () 0, t t E t t t ?∞= ? =? ≠ ?? ,其无 因次方差2θσ= 0 ,而全混流反应器的无因次方差2θσ= 1 。 8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol hr ),该反应为 2 级 反应。 9.对于反应22 A B R +→,各物质反应速率之间的关系为 (-r A):(-r B):r R= 1:2:2 。
10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产 物是中间产物的串联反应。 →+,则其反应速率表达式不能确11.某反应的计量方程为A R S 定。 12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解,在67℃时转化 50%需要30 min, 而在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒,该反应的活化能为 3.46×105 (J / mol ) 。 13.反应级数不可能(可能/不可能)大于3。 14.对于单一反应,在相同的处理量和最终转化率条件下,选择反应 器时主要考虑反应器的大小;而对于复合反应,选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率; 15.完全混合反应器(全混流反应器)内物料的温度和浓度均一, 并且等于(大于/小于/等于)反应器出口物料的温度和浓度。 二.单项选择 10.(2) B 1、气相反应CO + 3H2CH4 + H2O进料时无惰性气体,CO与2H以1∶2 δ=__A_。 摩尔比进料,则膨胀因子CO A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S P在间歇式反应器中,则目的产物P C___A____。 的最大浓度= max ,P
一、单项选择题: (每题2分,共20分) 1.反应器中等温进行着A →P(1)和A →R(2)两个反应,当降低A 的浓度后,发现反应生成P 的量显著降低,而R 的生成量略降低,表明(A ) A .反应(1)对A 的反应级数大于反应(2) B .反应(1) 对A 的反应级数小于反应 (2) C .反应(1)的活化能小于反应(2) D .反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作,其无因次停留时间分布的方差值2θσ为( B ) A . 1.0 B. 0.25 C .0.50 D .0 3.对一平行—连串反应R A Q P A ?→??→??→?) 3()2()1(,P 为目的产物,若活化能次序为:E 2
化学反应工程原理(华东理工大学版)第二版第八章答案 篇一:化学反应工程原理(华东理工大学版)第三章华东版3-1 解:cA0kt?xA1?xA ?1把数据代入得cA0k?0.2min 当xA=0.75时解得t=15min 所以,增加的时间为15-5=10min 3-2 解:?1?xA?1?nn?1?1??n?1?cA0kt (式A)把xA=0.75和t=10min代入解得cA0k?0.1 再把t=30min代入(式A)解得xA=1.25 所以,转化率应为 1 3-3 解:设反应动力学方程为:? 则?1?xA?1?nn?1dcAn ?kcAdtn?1?1??n?1?cA0kt,且cA0=1 ?1?0.8??1??n?1?k8因此有 1?n?1?0.9??1??n?1?k18 解得:n=2;k=0.5L/mol·min 3-4 1)计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度cA0、cB0、cS0(注意进料中水的浓度cS0不为0)。 2)列出当酸的转化率为xA时,各组分浓度的表示式: -11?n cA?cA0?1?xA? cB?cB0?cA0xA cR?cA0xA cS?cS0?cA0xA 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式,整理得 dxA2 ??7.93?10?6?10.2?20.1xA?2.58xA?dt 4)计算转化率达35%所需的时间为 t??0.35 0dxA ?627.93?1010.2?20.1xA?2.58xA上述积分可查积分表用公式计算,也可用MATLAB语言的quad解算子计算,结果为 t?7153s?2h 5)计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数,再计算每m3反应体积每天的生产量,然后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 VR=51.9m3 3-5 1)设酯的平衡转化率为xAe,将平衡时各组分浓度代入化学平衡方程得:21.1512xAe?0.219 1.1511?xAe48.76?1.151xAe化简整理上述方程并求解得xAe?90.8% 2)此题解法与3-4中的步骤2~4相同,答案为t=276min 3)此时各组分的浓度为酯:0.207mol/L;水:47.816 mol/L;醇、酸:0.910 mol/L;反应物系的组成为酯:0.414%;水:95.80%;醇、酸:1.82%; 3-6 对可逆放热反应,当反应温度过低时,因反应速率过低转化率偏低,当反应温度过高时,转化率又会受化学平衡的限制。所以,对一定的平均停留时间都存在一能达到最高转化率的最优反应温度。对本题此最优反应温度可用解析法求解。 1)列出反应器的物料衡算方程 qV?cA0?cA??VR??rA? 将反应动力学方程代入,整理后可得xA?k?T??1???k?T??k??T???? 式(A)2)对上式求导,并令导数为零 ?dkdk??dk???1??k?k?????k??????dTdTdTdxA?? ?2dT?1??k?k?????? dkkE将上式展开,并将代入,化简后可得 ?2dTRT ???E2E1?ln?? RT?k20?E2?E1? 于是Topt??E2 ??E1Rln??k?E?E2021????12405 ?325K
化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应 CO + 3H 2 CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体,CO 与2H 以1∶2摩尔比进料, 则膨胀因子CO δ=__A_。 A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S K 1 K 2 P 在间歇式反应器中,则目的产物P 的最大浓度=m ax ,P C ___A____。 A. 1 22 )(210K K K A K K C - B. 2 2/1120 ]1)/[(+K K C A C. 122 )(120K K K A K K C - D. 2 2/1210]1)/[(+K K C A 3、串联反应A → P (目的)→R + S ,目的产物P 与副产物S 的选择性 P S =__C_。 A. A A P P n n n n --00 B. 0 A P P n n n - C. 0 0S S P P n n n n -- D. 0 0R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时,该反应的反应级数n___B__。 A. <0 B. =0 C. ≥0 D. >0 5 、对于单一反应组分的平行反应A P(主) S(副),其瞬间收率P ?随A C 增大而单调下降,则最适合的反应器为 ____B__。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n >0的不可逆等温反应,为降低反应器容积,应选用____A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 7 、一级不可逆液相反应 A 2R ,3 0/30.2m kmol C A =, 出口转化率 7.0=A x ,每批操作时间 h t t 06.20=+,装置的生产能力为50000 kg 产物R/天,R M =60,则反应器的体积V 为_C_3 m 。 A. 19.6 B. 20.2 C. 22.2 D. 23.4 8、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B , s l mol C r A A ?=-/01.0,当l mol C A /10=时,求反应至 l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。 A. 400 B. 460 C. 500 D. 560 9、一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行,使目的产物P 浓度最大时的最优空时 = opt τ_____D__。 A. 1 212) /ln(K K K K - B. 1 221)/ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 2 11K K 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项____B___。
4?从反应器停留时间分布测定中 ,求得无因次方差「二 _ 0.98 ,反应器可视为 XXX 大学 化学反应工程 试题B (开)卷 (答案)2011 — 2012学年第一学 期 一、单项选择题: (每题2分,共20分) 1.反应器中等温进行着 A T P (1)和A T R (2)两个反应,当降低 A 的浓度后,发现反 应生成P 的量显著降低,而 R 的生成量略降低,表明 () A .反应(1)对A 的反应级数大于反应 (2) B .反应(1)对A 的反应级数小于反应 C .反应(1)的活化能小于反应 (2) D .反应(1)的反应速率常数大于反应 2 一为() 2?四只相同体积的全混釜串联操作,其无因次停留时间分布的方差值 A . 1.0 B. 0.25 C . 0.50 A (1) > A ⑶ > D . 0 P —-(2), Q 3. 对一平行一连串反应 为了目的产物的收率最大, A .先高后低 B.先低后高 C .高温操作 4. 两个等体积的全混流反应器进行串联操作, 与第二釜的反应速率-広2之间的关系为( A . -r Ai > -r A2 B . -r Ai 则最佳操作温度序列为( ,P 为目的产物,若活化能次序为:E 2 第一章 1 1. 化学反应工程是一门研究 (化学反应个工程问题)的科学。 2 2. 所谓数学模型是指 (用数学方法表达各变量间的关系)。 3 3. 化学反应器的数学模型包括(动力学方程式、物料横算式子、4 热量衡算式、动量衡算式和参数计算式) 5 4. 所谓控制体积是指(能把反应速率视作定值的最大空间范围)。6 5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为(分布参数模型)。 7 6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为(非定态模型)。 8 7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为 (累积量=输入量-输出 9 量)。 10 第二章 11 1. 均相反应是指 (在均一的液相或气相中进行的反应)。 12 2. 对于反应aA + bB → pP + sS,则r P =( p/a )r A 。 13 3.着眼反应物A的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A的量/反应开14 始的物料A的量)。 15 4. 产物P的收率Φ P 与得率Х P 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。 16 17 5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β,用浓度表示的速率常数为k C ,假定符合 18 理想气体状态方程,如用压力表示的速率常数k P ,则k C =[ (RT)的a+B次方]k P 。 19 6.对反应aA + bB → pP + sS的膨胀因子的定义式为(P+S)-(A+B))/A 。 20 7.膨胀率的物理意义为 (反应物A全部转化后系统的体积变化率)。 21 8. 活化能的大小直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。 22 9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。 23 10.对复合反应,生成主产物的反应称为 (主反应),其它的均为(副反应)。 24 11. 平行反应A → P、A → S 均为一级不可逆反应,若E 1>E 2 ,选择性 25 S p 与 (A的浓度)无关,仅是 (A的浓度) 的函数。 26 12. 如果平行反应A → P、A → S均为一级不可逆反应,若E 1>E 2 ,提 27 高选择性S P 应(提到温度)。 28 13. 一级连串反应A → P → S在平推流反应器中,为提高目的产物P的收29 率,应(降低)k 2/k 1 。 30 14. 产物P的收率的定义式为 (生成的全部P的物质的量/反应掉的全部A 31 的物质的量) 32 15. 产物P的瞬时收率φ P 的定义式为(生成的物质的量/反应的A的物质的量) 33 16. 产物P的选择性S P 的定义式为(单位时间内产物P的物质的量/单位时 34 间内生成产物S的物质的量) 35 17. 由A和B进行均相二级不可逆反应α A A+α B B = α S S,速率方程为: 36 r A =-dC A /dt=kC A C b 。 37 求:(1)当C A0/C B0 =α A /α B 时的积分式 38 (2)当C A0/C B0 =λ≠α A /α B 时的积分式 39 《化学反应工程》试题 XXX大学化学反应工程试题B(开)卷 (答案)2011—2012学年第一学期 一、单项选择题:(每题2分,共20分) 1.反应器中等温进行着A→P(1)和A→R(2)两个反应,当降低A的浓度后,发现反应生成P的量显著降低,而R的生成量略降低,表明(A ) A.反应(1)对A的反应级数大于反应(2) B.反应(1) 对A的反应级数小于反应(2) C.反应(1)的活化能小于反应(2) D.反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作,其无因次停留时间分布的方差值为( B ) A. 1.0 B. 0.25 C.0.50 D.0 3.对一平行—连串反应,P为目的产物,若活化能次序为:E2 华东版-- 4-1 解:由反应可知膨胀率为:2111 A ε-== 反应速率可写成:()1111A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 00A p F v RT = 反应器容积可写成: 00001111Af Af x x A A A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x ++==--?? ()00003 210.8/36000.8/36000.52ln 0.50.4/36000.4/36001.77Af Af x x A A A v v V dx dx k k x V m -=- --=-?-?=?? 4-2 由反应可知膨胀率为:320.52 A ε-== 反应速率可写成:()11110.5A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 反应器容积可写成: []000000003 10.51111 1.5210.40.0082049730.50.8 1.5ln 0.20.970.160 32.92 2.01 1.1Af Af Af Af x x A A A A A A A x x A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x F F RT RT V dx dx k p k p x V m ++==---=- --??=-?-??=?=?? ?? 4-3 解: ()() ()0311ln 110.980.19.92105ln 0.9812473A A A A A M x c k M M x x x s τττ-+-=+--??=--= 4-4 解:0.900A A A dx c kp τ=? A A p c RT = 膨胀率为:320.52 A ε-== () 0110.5A A A A c x c x -=+ 所以: ()()()0.9000.9010.511 1.5ln 10.513.2A A A A A A x c dx kRT x x x kRT s τ+=-=---∣??? ?=? 4-5 解: () ()00630030011ln 10.294100.312.88.314828 1211ln ln 18.210.2712.810.95 R A A A A A A R A A V F kc x p c mol m RT F V m kc x -=-??===??===-?- 4-6 解:假设反应为二级反应,则011A A k c c τ-= 把数据代入,可得: 1124;10.041 k k -== 114;10.21 k k -== 11;10.51 k k -== 27060 化学反应工程 南京工业大学编(高纲号0322) Ⅰ课程性质、地位和任务 “化学反应工程”是化学工程学科的一个分支,是化学工程与工艺专业学生必修的一门专业基础技术课程。它以工业反应过程为主要研究对象,研究反应过程速率及其变化规律;研究反应器内的传递特性及其对化学反应的影响。为学生今后从事化工反应技术开发、反应器的设计与放大、反应过程操作优化等诸方面工作奠定基础。 本课程在学生学习了“高等数学”、“大学物理”、“化学”、“物理化学”、“化工原理”等课程基础上进行。课程总学时为100,即5学分。 通过本课程的学习,学生应比较牢固地掌握化学反应工程的基本原理和计算方法,应能联系化工实际,在反应工程理论的指导下,对反应过程和反应器进行初步的分析和设计计算。 Ⅱ自学考试要求 第一章绪论 (一)主要内容 1.化学反应工程的研究内容 2.化学反应工程的研究方法 3.化学反应工程的学科系统的编排 (二)自学考试要求 1.化学反应工程的研究内容 理解化学反应工程学是研究化学反应的工程问题的科学;传递过程(即反应器内的动量、热量和质量传递,简称“三传”)与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱等说法的含义。理解化学反应工程学与相关学科的联系,化学反应工程本身的专门范畴。 2.化学反应工程的研究方法 理解化学反应工程的基本研究方法是数学模型法,数学模型的主要内容及其相互关系, 了解数学模拟放大法的大体步骤。 3.化学反应工程的学科系统和编排 理解按反应操作方式、反应器型式、和化学反应相态进行分类的方法;本课程编排的原 则和方法。 绪论部分在初次学习时,只能做到大体了解、待全部内容学习完毕后,应重新学习绪论, 才能做到理解。 第二章均相反应的动力学基础 1.化学反应工程是一门研究______________的科学。 2.化学反应速率式为β α B A C A C C K r =-,如用浓度表示的速率常数为C K ,用压力表示的速率常数 P K ,则C K =_______P K 。 3. 平行反应 A P(主) S(副)均为一级不可逆反应,若主E >副E ,选择性S p 与_______无关,仅是_______的函数。 4.对于反应级数n >0的反应,为降低反应器容积,应选用_______反应器为宜。 5.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。 6.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合,这种流体称为_______。 7.流体的混合程度常用_______、_______来描述。 8.催化剂在使用过程中,可能因晶体结构变化、融合等导致表面积减少造成的_______失活,也可能由于化学物质造成的中毒或物料发生分解而造成的_______失活。 9.对于多孔性的催化剂,分子扩散很复杂,当微孔孔径在约_______时,分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素。 10.绝热床反应器由于没有径向床壁传热,一般可以当作平推流处理,只考虑流体流动方向上有温度和浓度的变化,因此一般可用_______模型来计算。 11.对于可逆的放热反应,存在着使反应速率最大的最优温度opt T 和平衡温度eq T ,二者的关系为______________。 12.描述流化床的气泡两相模型,以0U 的气速进入床层的气体中,一部分在乳相中以起始流化 速度mf U 通过,而其余部分_______则全部以气泡的形式通过。 13.描述流化床的数学模型,对于气、乳两相的流动模式一般认为_______相为平推流,而对_______相则有种种不同的流型。 14.多相反应过程是指同时存在_______相态的反应系统所进行的反应过程。 II.1.一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行,使目的产物P 浓度最大时的最优 空时 = opt τ_______。 A. 1212)/ln(K K K K - B. 1221) /ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 211K K 2.全混流反应器的容积效率η小于1.0时,且随着A χ的增大而减小,此时该反应的反应级数n_______。 A. <0 B. =0 C. ≥0 D. >0 3.当反应级数n_______时,微观流体具有比宏观流体高的出口转化率。 A. =0 B. =1 C. >1 D. <1 4.轴向分散模型的物料衡算方程的初始条件和边界条件与_______无关。 A. 示踪剂的种类 B. 示踪剂的输入方式 C. 管内的流动状态 D. 检测位置 5.对于气-液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应,为提高反应速率,应选用_______装置。A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜 6.催化剂在使用过程中会逐渐失活,其失活速率式为d m i d C k dt d ψψ =- ,当平行失活对反应物有强内扩散阻力时,d 为_______。 解:01A A A x c kt x = - 把数据代入得100.2m in A c k -= 当x A =0.75时解得t=15min 所以,增加的时间为15-5=10min 3-2 解:() ()11 0111n n A A x n c kt ---=+- (式A ) 把x A =0.75和t=10min 代入解得1 0.1n A c k -= 再把t=30min 代入(式A )解得x A =1.25 所以,转化率应为1 3-3 解:设反应动力学方程为:n A A dc kc dt -= 则()()11 0111n n A A x n c kt ---=+-,且c A0=1 因此有 ()()() ()1110.811810.91118 n n n k n k ---=+--=+- 解得:n=2;k=0.5L/mo l ·min -1 3-4 1)计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度c A0、c B0、c S0(注意进料中水的浓度c S0不为0)。 2)列出当酸的转化率为x A 时,各组分浓度的表示式: ()0000001A A A B B A A R A A S S A A c c x c c c x c c x c c c x =-=-==+ 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式,整理得 ()6 2 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx x x dt -=-?-+ 4)计算转化率达35%所需的时间为 () 0.356 20 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx t x x -= ?-+? 上述积分可查积分表用公式计算,也可用MA TLAB 语言的quad 解算子计算,结果为 71532t s h =≈ 5)计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数,再计算每m 3反应体积每天的生产量,然后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 V R =51.9m 3 《化学反应工程原理》复习思考题 第一章绪论 1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。 2、几个常用指标的定义及计算:转化率、选择性、收率。 第二章化学反应动力学 1、化学反应速率的工程表示,气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。 2、反应速率常数的单位及其换算。 3、复杂反应的反应速率表达式(可逆、平行、连串、自催化)。 4、气固相催化反应的步骤及基本特征。 5、物理吸附与化学吸附的特点。 6、理想吸附等温方程的导出及应用(单组分吸附、解离吸附、混合吸附)。 7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。 8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。 9、由已知的动力学方程推测反应机理。 第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 1、反应器设计的基本方程式。 2、理想间歇反应器的特点。 3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。 4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。 5、理想间歇反应器最优反应时间的计算. 7、可逆反应的反应速率,分析其浓度效应及温度效应。 8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。 9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。 10、串连反应反应物及产物的浓度分布,t opt C p.max的计算。 11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。 第四章理想管式反应器 1、理想管式反应器的特点。 2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。 3、空时、空速、停留时间的概念及计算。 4、膨胀率、膨胀因子的定义,变分子数反应过程反应器的计算。 第五章理想连续流动釜式反应器 1、全混流反应器的特点。 2、全混流反应器的基础方程及应用。 3、全混釜中进行零级、一级、二级等温、等容反应时的解析法计算。 4、全混釜的图解计算原理及图解示意。 5、全混流反应器中的浓度分布与返混,返混对反应的影响。 6、返混产生的原因及限制返混的措施。 7、多釜串联反应器进行一级、二级不可逆反应的解析法计算。 8、多釜串联反应器的图解法计算原理。 第七章化学反应过程的优化 1、简单反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较及反应器形式的选择。 2、多釜串连反应器串连段数的选择分析。 3、自催化反应反应器的选型分析。 4、可逆放热反应速率随温度的变化规律,平衡温度和最优温度的概念。 5、平行反应选择率的温度效应及浓度效应分析,反应器的选型,操作方式的确定。 6、串连反应影响选择率和收率的因素分析,反应器的选型及操作方式的确定。 7、平推流与全混釜的组合方式及其计算。 第八章气固相催化反应过程的传递现象 1、气固相催化反应的全过程及特点。 2、等温条件下催化剂颗粒的外部效率因子的定义。 3、外扩散、内扩散对平行反应、连串反应选择性的影响分析。 4、气体流速对外扩散的影响分析。 5、等温条件下催化剂颗粒的内部效率因子的定义。 二、填空题(每题5分,共30分) 1.一不可逆反应,当反应温度从25℃升高到35℃时,反应速率增加一倍,则该 反应的活化能为 52894 J /mol 。 解:mol J E E T T R E k k /528942ln )308 12981(314.82ln )11(ln 2 112=∴=-==-=, 2.一气固催化反应R B A →+,若本征反应速率方程为: 则该反应可能的反应机理为 σR R σσR σB σA σB σ σB A σ σA S k +?+?→?+?+?+) 此步为速率控制步骤 ( 222 3.间歇釜反应器中进行如下反应: P A → (1) -r A1=k 1C A a1 S A → (2) -r A2=k 2C A a2 在C A0和反应时间保持不变下,降低反应温度,釜液中C P /C S 增大,表明活化能E1与E2的相对大小为 E1 XXX 大学 化学反应工程 试题B (开)卷 (答案)2011—2012学年第一学期 一、单项选择题: (每题2分,共20分) 1.反应器中等温进行着A→P(1)和A→R(2)两个反应,当降低A 的浓度后,发现反 应生成P 的量显著降低,而R 的生成量略降低,表明( ) A .反应(1)对A 的反应级数大于反应(2) B .反应(1) 对A 的反应级数小于反应(2) C .反应(1)的活化能小于反应(2) D .反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作,其无因次停留时间分布的方差值2θσ为( ) A . 1.0 B. 0.25 C .0.50 D .0 3.对一平行—连串反应R A Q P A ?→??→??→?) 3()2()1(,P 为目的产物,若活化能次序为:E 2 1.化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。(分批式操作、连续式操 作、半间歇式) 2.反应器的型式主要为(釜)式、(管)式、(塔)式、(固定)床和(流化)床。 3.理想流动模型是指(平推流)模型和(全混流)模型。 5.间歇釜式反应器有效体积不但与(反应时间)有关,还与(非生产时间)有关。 6.对于平行反应,提高反应物浓度,有利于(级数高)的反应,降低反应物浓度有利于(级数低)的反应。化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有(釜式)反应器和(管式)反应器。 7.平行反应均为一级不可逆反应,若>,选择性S p与_______无关,仅是_______的函数。(浓度、温度)主-副大于0,是吸热反应! 8.如果平行反应均为一级不可逆反应,若>,提高选择性应____ _。(提高温度) 9.理想反应器是指_______、_______。[理想混合(完全混合)反应器、平推流(活塞流或挤出流)反应器] 8.全混流反应器的返混_______。(最大)平推流反应器的返混为_______。(零) 9.对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时为_______反应器,而当β→∞时则相当于_______反应器。 10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的,根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。(脉冲法、阶跃法、周期示踪法) 11.平推流管式反应器时,E(t)=_______。(∞) 12.平推流管式反应器时,E(t)=_______。(0) 13.平推流管式反应器时,F(t)=_______。(1) 14.平推流管式反应器<时,F(t)=_______。(0) 15.平推流管式反应器其E(θ)曲线的方差_______。(0) 16.平推流管式反应器其E(t)曲线的方差_______。(0) 17.全混流反应器t=0时E(t)=_______。() 18.全混流反应器其E(θ)曲线的方差_______。(1) 19.全混流反应器其E(t)曲线的方差_______。() 20.工业催化剂所必备的三个主要条件是:_______、_______、_______。(活性好、选择性高、寿命长) 21.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的,而化学吸附是靠_______结合的。(范德华力、化学键力) 22.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是_______分子层的,而化学吸附是_______分子层的。(多、单) 23.对于气—固相催化反应,要测定真实的反应速率,必须首先排除_______和_______的影响。(内扩散、外扩散) 24.催化剂在使用过程中,可能因晶体结构变化、融合等导致表面积减少造成的_______失活,也可能由于化学物质造成的中毒或物料发生分解而造成的_______失活。(物理、化学) 25.催化作用的本质是参与反应(历程),降低反应(活化能),提高反应(速度),因而 在工业化生产时能提高(生产能力)、降低(能量消耗)。 26催化剂“三性”是指(活性)、(选择性)和(寿命)。 27.催化作用与热力学无关,因此催化剂不能催化(在热力学上不可能发生的反应);催化剂不能改变(化学平衡)。 28.催化剂失活的主要原因有(化学失活)、(物理失活)和(结构变化)。 29.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作_______。(固定床反应 第一章 1. 化学反应工程是一门研究 (化学反应个工程问题)的科学。 2. 所谓数学模型是指 (用数学方法表达各变量间的关系)。 3. 化学反应器的数学模型包括 (动力学方程式、 物料横算式子、 热量衡算式、 动量衡算式 和 参数计算式) 4. 所谓控制体积是指 (能把反应速率视作定值的最大空间范围)。 5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为 ( 分布参数模型)。 6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为 (非定态模型)。 7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为 (累积量=输入量-输出量)。 第二章 1. 均相反应是指 (在均一的液相或气相中进行的反应)。 2. 对于反应aA + bB → pP + sS ,则r P =( p/a )r A 。 3.着眼反应物A 的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A 的量/反应开始的物料A 的量)。 4. 产物P 的收率ΦP 与得率ХP 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。 5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β,用浓度表示的速率常数为k C ,假定符合理想气体状态方 程,如用压力表示的速率常数k P ,则k C =[ (RT)的a+B 次方]k P 。 6.对反应aA + bB → pP + sS 的膨胀因子的定义式为 (P+S )-(A+B))/A 。 7.膨胀率的物理意义为 (反应物A 全部转化后系统的体积变化率)。 8. 活化能的大小直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。 9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。 10.对复合反应,生成主产物的反应称为 (主反应),其它的均为(副反应)。 11. 平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应,若E 1>E 2,选择性S p 与 (A 的浓度) 无关,仅是 (A 的浓度) 的函数。 12. 如果平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应,若E 1>E 2,提高选择性S P 应(提到 温度)。 13. 一级连串反应A → P → S 在平推流反应器中,为提高目的产物P 的收率,应(降 低)k 2/k 1。 14. 产物P 的收率的定义式为 (生成的全部P 的物质的量/反应掉的全部A 的物质的量) 15. 产物P 的瞬时收率φP 的定义式为(生成的物质的量/反应的A 的物质的量) 16. 产物P 的选择性S P 的定义式为(单位时间内产物P 的物质的量/单位时间内生成产物S 的物质的量) 17. 由A 和B 进行均相二级不可逆反应αA A+αB B = αS S ,速率方程为: r A =-dC A /dt=kC A C b 。 求: (1)当C A0/C B0=αA /αB 时的积分式 (2)当C A0/C B0=λ≠αA /αB 时的积分式 18. 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,而在340K 时达到同样的转化率仅需,求该反应的活化能E 。 第三章 1. 理想反应器是指(理想混合反应器 平推流反应器)。 2. 全混流反应器的空时τ是 (反应器容积) 与(进料的体积流量)之比。 3. 全混流反应器的放热速率Q G ={ 00()A A Hr Ft y x ? }。 4. 全混流反应器的移热速率Q r ={ 012()pm Ft C T T - } 5. 全混流反应器的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = }。 6. 全混流反应器处于热稳定的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = G r dQ dQ dT dT > }。最新化学反应工程基本概念
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