本科作业本二.docx

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本科作业本二

本科作业-本二-2014年

第一章应用化学反应动力学及反应器设计基础

一、思考题

1、间歇系统与连续系统中，反应速率的定义式？

2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系？

3、反应速率可以用浓度ci、分压pi或摩尔分率yi来表述，相应的速率常数kc、kp、ky之间有何关系？

4、温度增加，反应速率常数肯定增加，对否？

5、空速的定义是什么？

它的大小反映了反应器的什么能力？

6、转化率的定义是什么？

在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用？

7、化学反应中哪种吸附起主要作用？

8、惰性物质不参加反应，所以对吸附、脱附无任何影响，对否？

9、表达反应系统体积变化的参数是什么？

10、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化？

第二章气－固相催化反应本证及宏观动力学

一、思考题

1、对于球形催化剂，西勒模数（Thiele）越大，则催化剂的内扩散有效因子如何变化？

2、如果在某催化剂上测得的反应速率为r，而内扩散有

的反应物Ａ按等温一级不可逆反应分解，反应物Ａ在颗粒内的有效扩散系数为1.2×10-6m2／s，气流中反应物A的分压为0.10133MPa，T＝700Ｋ。

（1）试估计催化剂颗粒内部的内扩散效率因子。

（2）若催化剂的活性提高一倍，微孔的有效扩散系数下降为7×10-7m2／s，问内扩散效率因子为多少。

（3）若催化剂活性提高一倍，有效扩散系数仍为7×10-7m2／s，如果要求内扩散效率因子不变，问催化剂颗粒大小为多少？

7、某气－固相一级不可逆催化反应，已知反应温度为350℃，在该温度下反应速度为1.15×10-5[mol／cm3.s]，颗粒外表面A组分的浓度为1.1×10-5[mol／cm3]，Ａ的分子量为128，催化剂颗粒为球形，直径为0.18cm，颗粒密度为ρp=1.0ｇ／cm3，孔隙率θ＝0.48，比表面Sｇ＝468m2/ｇ，曲节因子δ＝2.9,若分子扩散可不考虑，试求催化剂的内扩散效率因子。

8、石油炼制过程中，常需要用空气进行催化剂的烧焦反应，使催化剂再生,反应可视为一级不可逆反应,已知烧焦反应于780℃,1.0133×105Pa下进行，球形颗粒直径为４毫米，催化剂时本征反应速度ｒA＝0.42[mol／m3.s]，反应热为198000J／mol,有效扩散系数为4.75×10-7m2／s，有效导热系数为0.366[W／m.k]，试求颗粒内最大温差及内扩散效率因子。

9、用空气在常压下烧去催化剂上的积碳，催化剂颗粒直径为5mm，颗粒有效导热系数

为0.35[J／m.s.k]，每燃烧1mol

放出热量

J，燃烧温度为760℃，氧在催化剂颗粒内的有效扩散系数

为

cm2/s。

试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。

10、乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃，7.09MPa下，

，

，采用直径与高均为5

的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。

11、某催化反应在500℃的催化剂粒子中进行，已知反应速度式为

[mol／s.g催化剂]，Ｐ的单位为MPa，颗粒为5*5mm圆柱体，颗粒密度为0.80g／cm3，粒子外表面上Ａ的分压为0.101325MPa，粒内Ａ组分的有效扩散系数为0.25cm2／s，试求此颗粒的内扩散效率因子。

12、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯，如催化剂为微球状，已知ρP＝1.06g／cm3,颗粒孔隙率θ＝0.52,Sg＝350m2／g，求在500℃，１atm，异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。

异丙苯的分子量为120，微孔的曲节因子δ＝３，异丙苯—苯的分子扩散系数为0.155cm2／s。

球型催化剂颗粒直径为0.5cm，550℃时该反应的速率常数k=0.25s-1，试求此催化剂的内扩散效率因子。

13、计算660Ｋ和30atm下,在孔隙催化剂中,噻吩（分子量84）在氢气中的有效扩散系数。

已知催化剂的比表面Sg＝180m2／g，颗粒的孔隙率θ＝0.4，颗粒的密度ρp＝1.4ｇ／cm3，分子扩散系数DAB＝0.052cm2／s，微孔的曲节因子δ＝2，（颗粒为球型）。

第三章釜式及均相管式反应器

一、思考题

1、返混的定义是什么?

返混是否总是有害的?

2、造成非理想流动的主要因素有哪些?

其根本原因是什么?

3、返混能造成非理想流动,对否?

4、反应器设计的基本方程包括哪些内容?

5、绝热温升（降）的物理含义是什么?

6、串、并连操作各有何特点?

工业上何时采用串联操作?

何时采用并联操作?

两者是否可以互相代替?

7、一般情况下返混对反应结果都有不利影响,对否？

8、CSTR串联是否好于单个大体积的CSTR?

是否工业上都用多个CSTR串联来代替单个CSTR?

多釜串联时是否串联级数越多越好?

9、对一级不可逆反应,在相同的反应条件下完成相同的任务时,两个体积相同的CSTR串联、并联的结果是否相同?

如果不相同，哪种结果好？

10、CSTR与PFR串联操作时,其顺序的变化是否影响反应结果?

11、什么情况下串联操作与单个反应器操作的结果完全相同?

12、反应体积的变化是否影响反应结果?

它是通过什么途径起的作用?

对于不同反应级数的反应影响程度是否相同?

13、转化率与体积变化相比哪个对反应结果影响大?

14、反应体积增大与减少对反应结果有何影响?

对不同反应级数的反应影响程度是否相同?

15、如果主反应级数大于副反应级数,体积增大对反应是否有利?

16、如果反应温度提高后,目的产物的选择性明显增加,从中可以得出什么结论?

17、瞬时选择性与总选择性有何关系?

两者是否可以相等?

18、反应器多态的物理含义是什么?

二、计算题

1、以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1

的A和4.96

的B，已知反应速率

，试求醋酸转化率

分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。

已知醋酸与正丁醇的密度分别为960

和740

。

2、生化工程中酶反应A+P→P+P为自催化反应，反应速率式为

，某温度下k=1.512

，原料中含有A0.99kmol/m3，含P为0.01kmol/m3，要求A的出口浓度达到CAf=0.01kmol/m3，该反应器的处理能力为V0＝10m3/h时，试求：

（1）反应速率达到最大时A的浓度；

（2）采用CSTR反应器时的体积；（3）采用PFR反应器时的体积。

3、由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：

CH3COOH（A）+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O

，每小时处理原料量为735kg，反应混合物密度为0.75kg/l，原料配比为醋酸:

丁醇＝1:

4.97（mol），动力学方程为

，

，求反应器的有效容积：

（1）用一个全混流反应器；

（2）用两个全混流反应器串联，已知：

，（3）用一个平推流反应器。

4、在间歇反应器中进行液相反应Ａ＋Ｂ→Ｐ，测得此二级反应的反应速度常数为k＝61.5×10-2[l／mol.h]，CA0＝0.307[mol／l]，计算当CB0／CA0＝1和5，转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间，并对计算结果加以讨论。

5、在等温间歇反应器中进行皂化反应：

CH3COOC2H5＋NaOH→CH3COONa＋C2H5OH

该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l，反应速度常数为k=5.6[l/min.mol],要求最终转化率为0.95，试求所需的反应时间。

6、在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.90，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？

7、在150℃等温平推流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为0.60，现改用等体积的全混流反应器操作，料液流率及初浓度不变，要求转化率达到0.70，问此时全混流反应器应在什么温度下操作，已知反应活化能为83.68[kJ／mol]。

8、在全混流反应器中进行如下液相可逆反应：

在120℃时，反应速率

，反应器的体积为100mL，两股进料流同时等流量进入反应器，一股含

，另一股含

，当

的转化率为80％时，每股料液流量为多少。

9、液相自催化反应Ａ→Ｐ，反应速度

，k=10-2[m3／kmol.s]，进料体积流率V0=0.002m3／s，进料浓度CA0＝2[kmol／m3]，CP0＝0，问当XA＝0.98时，下列各种情况下的反应器体积。

（1）单个平推流反应器；

（2）单个全混流反应器；（3）两个等体积全混流反应器串联。

10、在全混流反应器中进行一级可逆反应

，

，已知该反应温度下

的平衡转化率

，反应器出口实际转化率

，问如何调节加料速率，可使反应转化率达

。

11、在平推流反应器中进行气相反应：

A→3B，

，反应器进口,含Ａ65％，其余为惰性组分（mol％），反应是在550K和３kg/cm2下进行反应，已知进料中Ａ的流量为10mol／min，为使转化率达80％，试求：

⑴所需的空速为多少；⑵反应器的有效容积为多少？

12、某气相不可逆反应：

A→B＋2C，在60℃，5atm下的平推流反应器内进行,原料气中含75％的A和25％的惰性物料（mol％），物料的体积流量为

A和惰性物料的分子量分别为60和40，反应速度常数为

，转化率控制为75％，

试求：

⑴所需的空速为多少？

⑵反应器的容积为多少？

13、某气相反应：

，已知物料的体积流量

转化率

，计算下列各情况的反应器的体积（纯Ａ进料）：

⑴单个平推流反应器；⑵单个全混流反应器；⑶两个等体积全混流反应器串联。

14、在平推流反应器中，以乙烷气体为原料进行裂解制乙烯：

C2Ｈ6→C2Ｈ4＋Ｈ2；动力学方程式为：

，反应温度为900℃，压力为1.4atm（绝压），反应速度常数k=16.45s-1，进料为乙烷与水的混合物，其配比乙烷:

水＝1:

0.5（体积），乙烷进料速度为20吨／时，乙烷的转化率为60％，设反应器在恒压下进行，试计算反应时间和反应器的体积。

第四章反应器中的混合及对反应的影响

一、思考题

1、停留时间分布函数的定义是什么？

2、停留时间分布密度函数的定义是什么？

它与停留时间分布函数有何关系？

3、停留时间分布测定方法有哪些？

得到的应答曲线是什么？

4、平均停留时间与反应时间是否一致？

5、方差的物理含义是什么？

方差大小，是否影响平均停留时间？

返混程度与平均停留时间及方差是否有关系？

6、皮克莱准数（Pe）的物理含义是什么？

它的倒数表明什么？

7、实际反应器中的流动状态是否可以同时用几个数学模型进行描述？

8、宏观流体的平均转化率和平均浓度怎样计算？

均相反应是否有宏观流体？

非均相反应是否有宏观流体？

二、计算题

1、用脉冲法测得某反应器出口示踪物的浓度如下：

ｔ（s）0120240360480600720840960

C（t）06.512.512.51052.510

已知该反应器内进行一级不可逆反应，反应速度常数k＝3.24×10-3s-1，试用多级串联全混流模型计算转化率

。

2、有一理想的釜式搅拌器，已知反应器体积为100升，流量为10L/min，试估计离开反应器的物料中，停留时间分别为0～1min，2～10min和大于30min的物料所占的分数。

3、用脉冲法测得停留时间分布数据如下：

t（s）04896144192240288336384432

c（t）0000.15108400

试计算平均停留时间，如在反应器中进行一级反应Ａ→Ｒ，k＝0.0075s-1，求平均转化率。

如分别采用CSTR和PFR，其平均停留时间相同，则反应结果分别为多少。

4、用脉冲示综法测得实验反应器的停留时间分布关系如下表所示，

t（s）123456810152030415267

c（t）957819090867767473215731

今有一液相反应A＋B→P，已知CA0<

（1）该反应器的平均停留时间及方差；

（2）若实验反应器以多釜串联模型描述，可达到的转化率为多少？

5、用脉冲法测得逗留时间分布数据如下：

t（min）01.5245.567.58.5101214.517.5

E（t）00.3750.3320.2120.1680.1250.1080.0850.0620.0410.0200

反应速度常数k＝0.307min-1,试求

和实际反应器所能达到的平均转化率XA。

6、一个特殊设计的容器作为一级液相反应的反应器，为判断反应器内的流动状况与理想流动状况的偏离情况，用脉冲法进行示综试验，在容器出口处测得不同时间的示踪剂浓度如下所列：

t（s）1020304050607080

──────────────────────

c（t）03554210

假定在平均停留时间相同的全混流反应器中的转化率为82.18％，试估计该反应器的实际转化率。

第六章气－液反应工程

一、思考题

1、化学吸收增强因子是否永远大于等于1？

2、工业上常用什么方法减小气膜、液膜厚度？

3、M准数的物理含义是什么？

它的大小是否可以作为判别反应快慢的唯一依据？

4、欲使反应面与界面重合，常采用什么方法？

5、对于快反应，增加相接触面积是否有利？

增加液相体积有无作用？

6、极慢反应，增加相接触面积是否有利？

增加液相体积有无作用？

7、气液反应历程一般有几个步骤？

二、计算题

1、PH=9的溶液在20℃下吸收CO2。

已知，

，CO2与OH－的二级反应速率常数

，液膜传质系数

，问化学反应是否在液流主体中进行。

2、NaOH溶液吸收CO2，反应速率

，NaOH浓度

，液膜传质系数

，反应速率常数

，液膜内分子扩散系数

，界面上CO2分压为0.001MPa，CO2气体的亨利系数

，若液膜中NaOH浓度可认为常量，试求反应吸收的速率。

3、铜络合溶液吸收氧气为快速不可逆反应，其反应为：

已知系统总压为12.0Mpa，气体中氧气的含量为0.1%，已知

，

，试求含

为

铜络合溶液吸收氧气的吸收速率。