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化学反应工程第二章习题答案化工103班2-1银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应2CH3OHO22HCHO2H2O2CH3OH3O22CO24H2O进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气=2：4:1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2%，试计算：（1）反应的总选择性；（2）反应器出口组成。
解：根据甲醇：空气：水蒸气=2：4:1.3（摩尔比），以100mol进料为基准设χy分别为HCOH和co2生成量2CH3OHO22HCHO2H2O2CH3OH3O22CO24H2O对上式积分(n1)kct1cn1kcAcn1AOn111cn1n1AcA①0①式为无量纲对数形式可判别出kc的单位molm3n1kt111同理pn1pn1n1kn11ApAp的单位pa02-4在间歇反应器中进行等温二级、一级、零级均相反应，求出转化率由0变为0.9所需的时间，与转化率由0.9变为0.99所需时间之比。
解：等温二级反应111kt1ckt21AcA0cA2cA某A0.9某A0.999t190A0kcA0t1:t21:10等温一级反应ktlncA0cAln10同上解得t1t2kt1:t21:1等温零级反应ktcA0cA同上解得t10.9cA0A0kt20.09ck10:12-5某一反应在间歇反应器中进行，经8min后反应物转化了80%，经过18min后转化了90%，求表达此反应的动力学方程。
解dnrAAVdt积分后：tcA0dcArACcA0dcAcAcAn111n1n1AkcAkn1cA0cAt8min某A180%t18min某A290%28111kn1cn1cn1n1A0A01某A11811kn1cn11n1n1A0cA01某A2n2r2AkcA2-6某一气相一级反应A2RS，在恒温、恒压的实验反应器中进行，原料含75%A及25%惰性气体（摩尔比），经8min后其体积增加一倍。
求此时的转化率及该反应在此温度下的速率常数。
第一章测试1【多选题】(20分)对化学工程师而言，化学反应工程知识非常重要，体现在A.化工新技术的前沿问题多集中于反应设备的开发和设计B.反应器的安全性和经济性往往决定着整套化工装置的成败C.通过化学反应过程，将廉价的原料转化为高价的产品D.反应器是化工生产过程的核心设备2【多选题】(20分)下列属于非均相催化反应的有A.煤在空气中的燃烧反应B.烃类的蒸汽裂解反应C.以钴基催化剂催化的合成气费托合成反应D.石油的流化催化裂化反应3【多选题】(20分)关于恒容反应和变容反应，以下说法正确的是A.温度、压力条件变化范围不大的液相反应可视为恒容反应B.在刚性容器中进行的气相反应属于恒容反应C.气相反应都是变容反应D.恒温、恒压变摩尔数的气相反应属于变容反应4【判断题】(10分)非基元反应是指的反应需要由至少2个计量方程描述的反应A.错B.对5【判断题】(10分)反应的计量方程都反映了实际的反应历程A.错B.对6【判断题】(10分)反应速率有多种定义方式，其间没有任何关系A.对B.错7【判断题】(10分)某反应的反应级数和反应的计量系数一致，表明其为基元反应A.错B.对第二章测试1【多选题】(10分)本章所学习的理想反应器包括哪几种？A.流化床反应器B.全混流反应器C.平推流反应器D.固定床反应器E.理想的间歇式反应器F.鼓泡床反应器2【多选题】(10分)关于一个反应器的物料衡算方程，以下说法正确的是：A.对着眼组分i的物料衡算方程表达为：单位时间内i组分流入控制体积的摩尔数=单位时间内流出控制体积的i的摩尔数+单位时间内控制体积内因反应而生成的i组分的摩尔数+单位时间内控制体积内累积的i组分的摩尔数B.方程中i组分累积的速率是指控制体积中i组分单位时间内增加的摩尔数C.对于任何反应器进行物料衡算，衡算控制体积可以随便选取。
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AP(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。
（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！8. 如果平行反应)()(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 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t t =时，E （t ）=_______。
（∞）12.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0）13.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1）14.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）15.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
第二章化学反应工程基础1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。
研究内容：①以工业规模的聚合过程为对象，以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础；②将一般定性规律上升为数学模型，从而解决一般技术问题到复杂反应器设计，放大等提供定量分析方法和手段；③为聚合过程的开发，优化工艺条件等提供数学分析手段。
简而言之：聚合反应工程研究内容为：进行聚合反应器最佳设计；进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
2.动力学方程建立时，数据收集方式和处理方式有哪些？收集方式：化学分析方法，物理化学分析方法处理方式：积分法，微分法。
3.反应器基本要求有哪些①提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；②具有足够传热面积；③保证参加反应的物料均匀混合4.基本物料衡算式，热量衡算式①物料衡算：反应物A流入速度-反应物A流出速度-反应物A反应消失速度-反应物A积累速度=0（简作：流入量-流出量-消失量-积累量=0）②热量衡算：随物料流入热量-随物料流出热量-反应系统与外界交换热量+反应过程的热效应-积累热量=05.何谓容积效率？影响容积效率的因素有哪些工业上，衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称之为容积效率，它等于在同一反应，相同速度、产量、转化率条件下，平推流反应器与理论混合反应器所需总体积比：η=Vp/Vm=τp/τm。
影响因素：反应器类型，反应级数，生产过程中转化率有关6.何为平推流和理想混合流？①反应物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中流体均以同样速度向前移动，此种流动形态称平推流；②由于反应器强烈搅拌作用，使刚进入反应器物料微元与器内原有物料元瞬时达到充分混合，使各点浓度相等且不随时间变化，出口流体组成与器内相等此流动形态称理想混合流。
7.实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件？①Qr=Qc，Qr体系放出热量；②dQc/dT>dQr/dT，Qc 除热量；③△T=T-Tw<RT2/E，E 反应活化能，T 反应器温度，Tw 冷却液温度8.何为返混？形成返混的主要原因有哪些？返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合；原因：①由于物料与流向相反运动所造成，②由于不均匀的速度分布所引起的，③由于反应器结构所引起死角、短路、沟流、旁路等。
化学反应工程考试题库（分三个部分）（一）（综合章节）复习题一、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 tE tt 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22A 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。
11.某反应的计量方程为A R S→+，则其反应速率表达式不能确定。
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。
2 反应动力学基础2.1在一体积为4L 的恒容反应器中进行A 的水解反应，反应前 A 的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，反应物A 的分子量为88。
在等温常压解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～t 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。
切线的斜率为0.760.125/.6.1α-==-mol l h由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.-==dC A r mol l hAdt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2423+→+CO H CH H O催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，改变进口原料气流量Q 0解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)-==-=-=-A A RA A A A A A A AdF r dV F F X Q C X dF Q C dX故反应速率可表示为：0000(/)==A AA A A R R dX dXr Q C C dV d V Q用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。
0.650.04 1.790.34α-==故CO 的转化速率为40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT4300 6.3810 1.79 1.1410/.min(/)--==⨯⨯=⨯AA A R dX r C mol l d V Q2.3已知在Fe-Mg 催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为： 20.850.4/-=⋅w CO CO r k y y kmol kg h式中y CO 和y CO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa 压力及700K 时反应速率常数k W 等于0.0535kmol/kg.h 。
如催化剂的比表面积为30m 2/g ，堆密度为1.13g/cm 3，试计算：（1） （1） 以反应体积为基准的速率常数k V 。
（2） （2） 以反应相界面积为基准的速率常数k g 。
（3） （3） 以分压表示反应物系组成时的速率常数k g 。
（4） （4） 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数k C 。
解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成m 2/m 3。
33230.450.45330.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-==⨯⨯=-===⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯==⨯=v b w bbg w wvb n p w nc w k k kmol m h k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h2.4在等温下进行液相反应A+B →C+D ，在该条件下的反应速率方程为： 1.50.50.8/min =⋅A A B r C C mol l若将A 和B 的初始浓度均为3mol/l 的原料混合进行反应，求反应4min 时A 的转化率。
解：由题中条件知是个等容反应过程，且A 和B 的初始浓度均相等，即为1.5mol/l ，故可把反应速率式简化，得1.50.522200.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X由（2.6）式可知00(1)⎡⎤⎢⎥⎣⎦--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt代入速率方程式2200.8(1)=-A A A A dX C C X dt化简整理得00.8(1)=-AA A dX C dtX积分得00.81=-AA A X C t X解得X A =82.76%。
2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及5.89CH 4。
该塔是在30MPa 压力下操作。
已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol ），试计算该处的反应速率。
在Fe 催化剂上氨合成反应速率式为：322321.531.512/=-⋅NH H N NH H pp r k p k kmol m h p p 逆反应的活化能417.5810/=⨯su E J mol 。
450℃时30.5322277()/=⋅k m MPa m h ，且212/=Pk k K ，490℃时，Kp 可按下式计算：472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T 注：m 3为标准立方米。
解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k 2值。
利用（2.27）试，求出频率因子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-⨯⨯-⨯⨯-=-===⨯-==⨯=⨯sususuE k A RT E A k e RT E k A e m MPa m hRT490℃的Kp 值由题给公式计算出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 求k 1值：22'112'22243 1.531(5.59210) 1.0551033()/.--===⨯⨯⨯=p p k K k K k k k m MPa m h求各组分的分压值：2233122+↔N H NH5716.0.14160*(-2)*2087.01.14160*2087.0*3-626.0 1y 13y y 1904.0 .14160*(-2)*2087.01)1416.0-(12087.0 1y y y 1416.05.6914.45*(-2)*2087.01*2087.0*211035.010.01y y y 22123211 %87.20Py , 1y y y 1000H H 000A A 00R 0R R 0000000＝＝－）＋－（＝，+=δ+-==+=δ+-===+--=δ+νν-=δ==δ+νν-=δ+νν-=AA A AA AA A AA A A AA AA A AA AA A i i AA A A A Aii i AA A A A Aii i X y X X y X X X X X X y X y p X y X X y X p p p P y i i p =反应速率为：322321.5 1.541.5121.5333317.15333.0 5.718 1.05510317.154.02310/.(179.6/.)=-=⨯⨯-⨯⨯=⨯NH H N NH H p p r k p k p p m m cat h kmol m cat h2.6下面是两个反应的T-X 图，图中AB 是平衡曲线，NP 是最佳温度曲线，AM 是等温线，HB 是等转化率线。
根据下面两图回答：（1） （1） 是可逆反应还是不可逆反应？ （2） （2） 是放热反应还是吸热反应？（3） （3） 在等温线上，A,D,O,E,M 点中哪一点速率最大，哪一点速率最小？ （4） （4） 在等转化率线上，H,C,R,O,F 及B 点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？（5） （5） 在C,R 两点中，谁的速率大？（6） （6） 根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？解： 图2.1 图2.2 （1）可逆反应 可逆反应 （2）放热反应 吸热反应(3)M 点速率最大，A 点速率最小 M 点速率最大，A 点速率最小 (4)O 点速率最大，B 点速率最小 H 点速率最大，B 点速率最小 (5)R 点速率大于C 点速率 C 点速率大于R 点速率(6)M 点速率最大 根据等速线的走向来判断H,M 点的速率大小。
2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为49.62910/⨯J mol ,如果不考虑逆反应，试问反应温度是550℃时的速率比反应温度是400℃时的速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k 上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
400550119629011()()5505505508.314673823400400400exp()23exp()（倍）---=====-E R T T E A r k RT e e r k E A RT2.8常压下，在钒催化剂上进行SO 2氧化反应，原料气组成为7%O 2及82%N 2。
试计算转化率为80%时的最佳温度。
二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为49.21110/⨯J mol ，化学计量数等于2，反应式为：22312+↔SO O SO其平衡常数与温度的关系为：log 4905.5/ 4.6455=-p e K T该反应的热效应49.62910/-=⨯r H J mol 。
解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：2222332233320.1013 1.4/97.2 1.4610()0.10138.2/97.28.5510()0.1013 5.6/97.2 5.8410()0.101382/97.28.5510()----==⨯=⨯==⨯=⨯==⨯=⨯==⨯=⨯SO SO O O SO SO N N p Py MPa p Py MPa p Py MPa p Py MPa（2）求与上述组成对应的平衡常数K P 值：32230.50.5335.841043.261.46108.5510---⎛⎫ ⎪⎝⎭⨯===⨯⨯SO P SO op K p p(3)求平衡温度Telog 4905.5/ 4.64554905.5780.96.282=-==p e e K T T K(4)利用（2.31）式求逆反应活化能值4459.629109.21110 1.40310/2ν-⨯∆=-=⨯-=⨯su u r rr H E E J mol(5)利用（2.31）式求最佳温度T OP4780.9739.0048.314780.914.031ln 1ln 9.211(14.039.211)10===⨯++-⨯-su su u r u r eOP e T T KRT E E E E2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应：+→A B R 31.6/=⋅R Ar C kmol m h 2→A D 238.2/=⋅D Ar C kmol m h 式中r R ,r D 分别表示产物R 及D 的生成速率。
