一、在体积为2.5m 3的理想BR 反应器中进行液相等温一级基元反应A P →， k ＝2.78×10-3 s -1，进口摩尔流率F A0＝11.4 mol/s ，反应物A 初始浓度04/A C mol 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：C B A →+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k ＝4L/mol ·min 。求：
（1）反应器入口处（即X A =0时）A 的浓度？ （4分）
（2）反应器入口处（即X A =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：3.01B A P C C k r =，8.15.02B A
S C C k r =，其中121==k k ， （1）当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /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）
五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A →P ，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233min 2。
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）
R(T),G(T)
六、用直径为1mm 的球形颗粒进行一级不可逆反应P A →，气流主体中A 的浓度为40mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝400kmol/(m 3.h)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.002778 cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝50m/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2.5m 3的理想BR 反应器中进行液相等温一级基元反应A P →， k ＝2.78×10-3 s -1，进口摩尔流率F A0＝11.4 mol/s ，反应物A 初始浓度04/A C mol 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：
（2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：
（3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：
二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：C B A →+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k ＝4L/mol ·min 。求：
（1）反应器入口处（即X A =0时）A 的浓度？ （4分）
（2）反应器入口处（即X A =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C B A →+2，2211-=--=δ
入口处：F A0＝F B0，则y A0＝0.5，所以10-=?=δεA y
（1）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为：
（2）入口处的反应速率：
（3）当A 的转化率为40%时A 的浓度为：
（4）当A 的转化率为40%时B 的浓度为：
三、有如下平行反应：
其动力学方程分别为：3.01B A P C C k r =，8.15.02B A
S C C k r =，其中121==k k ， （1）当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /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：5.15.08.13.05.0121---===B A B A S P C C C C k k r r S （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C A ＝C B ，所以瞬时选择性A C S /1=
当A 的转化率为0.9，C A ＝C A0（1-0.9）＝2mol/l ，S ＝0.5；
（2）由于5.15.0-=B A
C C S ，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。
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
R(T),G(T)
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A →P ，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233min 2。
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)0.543
E 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：1k X k ττ
=+ 六、用直径为1mm 的球形颗粒进行一级不可逆反应P A →，气流主体中A 的浓度为40mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝400kmol/(m 3.h)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.002778 cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝50m/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：
可见外扩散无影响。
（2）由Weisz-Prater 判据得：
由于外扩散无影响，所以C AS ＝C AG
可见内扩散有影响。
计算得：1 1.72φ＝，0.845η＝
可见，当颗粒粒径为1mm 时内扩散有效因子为0.845。
（3）当0.95η≥时，内扩散基本消除
当'0.95η＝，1'0.9φ＝
''
11R R
φφ＝，'1*0.90.521.72R mm == 可见，当颗粒粒径为0.52mm 时才能基本消除内扩散阻力。