解放军文职招聘考试《化学反应工程》练习题

                                  

一、在一个体积为1m3的等温间歇釜中，86℃下将浓度为3.2kmol/m3的过氧化氢异丙苯溶液分解以生产苯酚和丙酮：A→B+C。

该反应为一级，反应温度下的反应速率常数等于8×10-3S-1，最终转化率达98.9%，设辅助操作时间为30min，其苯酚的产量和10kmol/h生产能力下的反应釜体积为多少？

解：苯酚产量：3.2×98.9%=3.1648kmol

反应时间t=CA0∫0xAfdxA/kCA2=(1/kCA0)[xAf/(1-xAf)]=[1/(8×10-3×3.2)][0.989/(1-0.989)]=0.976h

总时间:t=0.976+0.5=1.476h

此时生产能力为:3.1648/1.476=2.145kmol/h

若生产能力为10kmol/h,则所需反应釜体积为:1×10/2.145=4.66m3

二、在活塞流反应器中，等温进行下列反应：

      A+B→P+H  ,k1  (目的产物)

      P+B→R+H   ,k2

已知在反应温度下，k2/k1=0.68,B大量过剩，对均为一级反应。试计算P的最大收率及相应A的转化率.

解：由k2/k1=0.68得:k1/k2=1.471

Ymax=(k1/k2)k2/(k2-k1)= (1.471)1/(1-1.471)=0.4407=44.07%

相应A的转化率为:

(xA)opt=(CA0-CAf)/CA0=(CA0-CA0e-k1τ)/CA0=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}

=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}=1-exp{-[ln(k2/k1)]/(k2/k1-1)}

=1-exp[-(ln0.68)/(0.68-1)]=0.70=70%

三、在全混流反应器中进行液相均相反应：

     A+B→R     rR=1.6CA,      kmol/m3h

     2A→D     rD=8.2CA2     kmol/m3h

CA0=2  kmol/m3

求：(1)A的转化率为95%所需时间；

(2)此时R的收率；

(3)当初力量量为200L/min时反应釜的体积；

(4)若要提高R选择性，如何改变进料浓度.

解：(1)空时τ=CA0XAf/（-rAf）= CA0XAf/（rR+rD）= CA0XAf/(1.6CA+2*8.2CA2)

=2*0.95/[1.6*2*（1-0.95）+2*8.2*22（1-0.95）2]=5.86h

(2)因为，R对A的选择性： SR/A= (rRf)/ （-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)

=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1- XAf)]

=0.493

所以，R的收率为：YR=XAfSR/A=0.95*0.493=0.4684

(3) 处理量为200L/min时反应器体积：

VR=v0*τ=200*10-3*60*5.86=70m3

(4)由SR/A= (rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1- XAf)]

可知，要提高SR/A，进料浓度应降低。

四、用脉冲法注入示踪剂探求反应器中停留时间分布情况，测得如下数据：

t(min):      0     5     10    15      20     25     30     35

C示(g/L):    0     3      5     5      4       2      1      0

在该反应器中进行一级不可逆反应，其反应气速率常数 k=0.307min-1  ,求：

（1）真实反应器转化率；

（2）宏观流体和微观流体对转化率有何影响？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

五、在一粒为1.5ｃｍ的催化剂固定床反应器中进行Ａ→３Ｒ 反应，在排除外扩散影响时催化剂的有效扩散系数为０．００５ｃｍ２／ｓ，催化剂的密度为１２００ｇ／Ｌ，反应为一级不可逆，其本证反应速率常数为２Ｓ－１，进料流量为２０ｍ３／ｍｉｎ，最终转化率为０．９５，床层的堆积密度为１０００ｋｇ／ｍ３，床层的空隙率为０．４。求反应器的体积和催化剂的重量。

解：(1)求西勒模数和有效因数

Фs=dp/6*(kv/De)1/2   =1.5/6*(2/0.005)1/2 =5  

η=1/Фs=1/5=0.2,宏观速率常数为k（宏）=ηk（本）=0.2*2=0.4S-1

(2)求反应器体积

因为   VR/FA0=VR/CAv0=∫0.950dXA/(-rA)

代入一级反应速率式-rA= k（宏）CA0（1-XA）

整理并计算得：

VR=v0/ k（宏）*ln(1/(1-XA))=20/0.4*ln(1/(1-0.95))=2.496m3

(3)催化剂重量

W=ρB VR=1000*2.496=2496kg

六、在绝热固定床催化反应器中进行二氧化硫氧化反应，入口温度为度４２０ ℃，入口气体二氧化硫的浓度为７％（ｍｏｌ％）。出口气体的温度为５９０℃，出口气体二氧化硫的组成为２．１％（ｍｏｌ％），在床层内三点Ａ、Ｂ、Ｃ进行测定。问：

（１）测得Ａ点温度为６２０℃，你认为是否正确？为什么？

（２）测得Ｂ点转化率位８０％，你认为是否正确？为什么？

（３）测得Ｃ点转化率位５０％，经再三检验结果正确无误，估算Ｃ点温度 ？

答：（1）测得A点温度为620℃不正确。因为是绝热固定床催化反应器，入口420℃，出口590℃，绝热温升为170℃。床层中不可能有温度高于590℃的点。

（2）测得B点的转化率为80%不正确。因为反应器入口二氧化硫浓度为7%，出口二氧化硫浓度为2.1%，算得的转化率为68.62%。

（3）由T-T0=ΛxA，T=590℃，T0=420℃，xA=68.62%算得Λ=247.74℃。再由xA=50%，T0=420℃算得T=543.87℃

七、在气固催化的一级反应中，当存在外扩散和内扩散阻力时，给出宏观反应速率常数？和外扩散反应阻力与反应总阻力的比值表达式？

(rA)g=(CAg-CA*)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]

1/(kgSe)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]=(ksSiξ)/(kgSe+ksSiξ)

八、证明平行反应：　　Ａ→Ｒ（目的）， Ｅ１

　　　　　　　　　    Ａ→Ｓ，　　　　Ｅ２

　　　　　　　　    　Ａ→Ｔ，　　　　Ｅ３

当Ｅ２＜Ｅ１＜Ｅ３时，目的产物R最佳选择性时的温度满足：

  Topt-1=R/(E3-E2)×Ln{[(E3-E1)/(E1-E2)]×（k30/k20）}

式中：R为气体常数，k30、k20为E3、E2的指前因子。

 

 

 

 

 

九、某气相一级分解反应 A → 2P ，在等温活塞流管式反应器中进行，加入原料含A60％，惰性物40％，停留时间为10分钟，系统出口的体积流量为原来的1.5倍，求此时A的转化率。

解：A     2P    惰性物

1.5    0       1

0     3       1

εA=[(3+1)-(1.5+1)]/1.5=1

由V=V0(1+εAxAf）得:xAf=(1/εA)(V/V0-1)=(1/1)(1.5-1)=0.5

十、用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应 A(g) → R(g)  整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方程？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

如上图所示，气固相催化反应主要由五步组成：

（1）反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面；

（2）反应物从催化剂的外表面向催化剂的孔道内部扩散；A+δ     Aδ

（3）在催化剂内部孔道所组成的内表面上进行催化反应；Aδ      Rδ

（4）产物从内表面扩散到外表面；Rδ     R+δ

（5）产物从外表面扩散到气流主体。

其中，（1）、（5）为外扩散过程；（2）、（4）为内扩散过程；（3）为化学动力学过程。

整个反应过程可能存在三步阻力及速控步骤，分别是：

（1）化学动力学控制（浓度分布如图（a））。此时，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）=ksSi（CAs-CA*）；

（2）内扩散控制（浓度分布如图（b））。此时，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）ξ；

（3）外扩散控制（浓度分布如图（c））。此时，（rA）g=kgSe（CAg-CAs）=kgSe（CAg-CA*）；

十一、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，15分钟反应物转化了85%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？

解：由ln[1/(1-xA)]=kt，得：k=（1/t）ln[1/（1-xAf）]=（1/15）ln[1/（1-0.85）]=0.1265min-1

活塞流反应器：τ=（1/k）ln[1/（1-xAf）]=t=15min

空速：s=1/t=1/15=0.0667min-1

全混流反应器：τ=（1/k）[xAf/（1-xAf）]=（1/0.1265）[0.85/（1-0.85）]=44.796min

空速：s=1/t=1/44.796=0.0223min-1

十二、试给出拟均相一维模型在非绝热条件下的绝热温升,物料蘅算和热量蘅算式?