解放军文职招聘考试化学反应工程试卷B

模 拟 考 试 卷

       化学反应工程     试卷B (开卷)

题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分

得分

阅卷人

 

一、在一个连续流动的等温反应器中进行着反应，计算当进料的摩尔流率为5mol/h，假设反应速率-rA为：

（1）-rA=kCA， k=0.0001s-1 时

（2）-rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时 

求转化率为0.9时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。（20分）

 

二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为1.8 L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是627℃和12 atm，在此温度下的反应速率常数k＝3 L/mol.min。求：

（1）反应器入口处A的浓度？ （5分）

（2）当A的转化率为85%时的浓度？（6分）

（3）A的转化率为85%时所需的反应器的体积？（8分）

 

三、有如下平行反应：

 

 

其动力学方程分别为：，，其中，

（1）当A和B的初始浓度为，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.8时的瞬时选择性。（4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、某一级液相基元反应A→P，其反应速率常数为，对液相反应器进行RTD分析，得到反应器的平均停留时间为45 min，方差为210min2，请采用多釜串联模型计算反应器的转化率（10分）。

 

五、在一转框反应器中进行气固催化反应实验，得到下列数据

No. 转速N 粒径dp，mm 出口反应物浓度CA，mol/l 反应速率

－rA，mol/l.s

1 500 1.8 0.08 0.3

2 1000 1.8 0.08 0.3

3 1000 1.2 0.08 0.7

4 1000 0.6 0.08 0.9

5 1000 0.4 0.08 1.0

6 1000 0.2 0.08 1.0

（1）请分析该实验装置的外扩散阻力情况？（3分）

（2）请分析该实验装置的内扩散阻力情况？（6分）

（3）请分别求出第2组和第4组实验中的内扩散有效因子？（6分）

 

六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应，气流主体中A的浓度为0.04kmol/m3，测得单位床层表观反应速率(－rA)obs＝400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.001m2/h，外部传质系数为KG＝50m/h。请问：

（1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5分）

（2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10分）

 

七、 学完《化学反应工程》这门课后，你认为该门课在实际工业生产中将起到什么作用？（9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B (开卷)答案

 

一、在一个连续流动的等温反应器中进行着反应，计算当进料的摩尔流率为5mol/h，假设反应速率-rA为：

（1）-rA=kCA， k=0.0001s-1 时

（2）-rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时 

求转化率为0.9时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。（20分）

解：

（1）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：　        

 

在PFR中，一级不可逆反应的V的表达式：                   

将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：

 

（2）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：　        

在PFR中，二级不可逆反应的V的表达式：                   

将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：

 

 

二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：，该反应对A和B均是一级。反应器的入口体积流率为1.8 L/min，进料为等摩尔的组分A和B。入口温度和压力分别是627℃和12 atm，在此温度下的反应速率常数k＝3 L/mol.min。求：

（1）反应器入口处A的浓度？ （5分）

（2）当A的转化率为85%时的浓度？（6分）

（3）A的转化率为85%时所需的反应器的体积？（8分）

解：对于反应，

入口处：FA0＝FB0，则yA0＝0.5，所以

（1）由理想气体定律，可得入口处A的浓度为：

 

（2）当A的转化率为85%时A的浓度为：

 

（3）当A的转化率为85%时反应器的体积为：

 

 

三、有如下平行反应：

 

 

其动力学方程分别为：，，其中，

（1）当A和B的初始浓度为，A和B均从反应器入口加入，计算A的转化率为0.8时的瞬时选择性。（4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：

（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CA＝CB，所以瞬时选择性

当A的转化率为0.8，CA＝CA0（1-0.8）＝1.36mol/l，S＝1.32；

 （2）由于，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、某一级液相基元反应A→P，其反应速率常数为，对液相反应器进行RTD分析，得到反应器的平均停留时间为45 min，方差为210min2，请采用多釜串联模型计算反应器的转化率（10分）。

解：计算串联反应釜的个数：

对于n个反应釜串联的一级反应，转化率为：

 

 

五、在一转框反应器中进行气固催化反应实验，得到下列数据

No. 转速N 粒径dp，mm 出口反应物浓度CA，mol/l 反应速率

－rA，mol/l.s

1 500 1.8 0.08 0.3

2 1000 1.8 0.08 0.3

3 1000 1.2 0.08 0.7

4 1000 0.6 0.08 0.9

5 1000 0.4 0.08 1.0

6 1000 0.2 0.08 1.0

（1）请分析该实验装置的外扩散阻力情况？（3分）

（2）请分析该实验装置的内扩散阻力情况？（6分）

（3）请分别求出第2组和第4组实验中的内扩散有效因子？（6分）

解：（1）比较（1）和（2）两组数据可知：当转速改变时，反应速率不变，可见外扩散阻力非常小，外扩散的影响已消除。

（2）比较（2）-（6）三组数据可知：当催化剂粒径由1.8mm减小到0.4mm时，反应速率发生变化，可见内扩散对反应过程有影响；当催化剂粒径由0.4mm减小到0.2mm时，反应速率不变化，可见内扩散对反应过程无影响。可见，当粒径小于0.4mm时，内扩散对反应过程无影响。

（3）由定义可知：内扩散有效因子，

第（2）组实验中，

第（4）组实验中，

 

六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应，气流主体中A的浓度为0.04kmol/m3，测得单位床层表观反应速率(－rA)obs＝400kmol/(m3.h)，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.001m2/h，外部传质系数为KG＝50m/h。请问：

（1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5分）

（2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10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CAS＝CAG

 

 可见内扩散有影响。可通过减小催化剂直径来消除内扩散的影响。

七、 学完《化学反应工程》这门课后，你认为该门课在实际工业生产中将起到什么作用？（9分）

答：通过本课程的学习，我们了解了化学反应工程是研究化学反应的工程问题的科学，它研究工业化学反应器的基本原理，对反应器中所进行的化学反应过程特征进行分析，结合具体的反应装置，综合研究反应器中的反应过程和物理传递过程。因此，该门课在实际工业生产中，可为正确选择反应器的型式和确定最经济的工艺路线和操作条件，对反应器进行最佳设计和最优控制，以及为工业反应过程的开发和反应器的放大提供技术依据。