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文檔簡介
1、、在體積為2.5m3的理想BR反應器中進行液相等溫一級基元反應 A P k = 2.78X 10-3 s-1 ,進口摩爾流率Fa0=11.4 mol/s,反應物 A初始濃度CA0 4mol / L ,求:(1)當反應器中A的轉化率為80%,求所需白時間? ( 6分)(2)若將反應移到CSTR中進行,其它條件不變,求所需反應器體積? (6分)(3)若將反應移到PFR中進行,其它條件不變,求所需反應器體積? ( 6分)二、在一個等溫活塞流反應器中進行氣相反應: A 2B C ,該反應對A和B 均是一級。反應器的入口體積流率為2.5L/min ,進料為等摩爾的組分A和B。入 口溫度和壓力分別是727
2、c和10atm。在此溫度下的反應速率常數k = 4L/mol min。求:(1)反應器入口處(即Xa=0時)A的濃度?(4分)(2)反應器入口處(即Xa=0時)的反應速率? ( 4分)(3)當A的轉化率為40%時的濃度? ( 4分)(4)當A的轉化率為40%時的反應速率? ( 6分)三、有如下平行反應:/ P(主反應)A B(' S(副反應)其動力學方程分別為:rP k1cACB rS k2cA.5CB.8,其中k1 k2 1,(1)當A和B的初始濃度為Cao Cbo 20mol/L , A和B均從反應器入口加入,計算A的轉化率為0.9時的瞬時選擇性。(6分)(2)對該平行反應,采用怎
3、樣的操作方式可以提高反應過程的選擇性? (8分)四、在非等溫反應器操作過程中,可能出現多態現象,請問什么是多態現象?請 判斷下圖所示中,哪些點是穩定操作點,哪些點是不穩定操作點,并分析其原因?(12 分)R(T),G(T)T*五、在實驗室中用全混反應器等溫下進行一級液相反應A - P,當空時為25min時,A的轉化率達62%。將反應器放大進行中試,反應器型式為管式,具停留 時間分布的實測結果如表所示,反應器的平均停留時間為43 min,方差為2233min。t,min0102030405060708090100E(t)000.006930.030.02830.01820.01020.00497
4、0.002410.001050求(1)停留時間小于40 min的物料所占的分率約為多少? ( 6分)(2)在與小試相同的溫度及空時下操作,分別采用多釜串聯模型預測反應器出口 A的轉化率。(12分)六、用直徑為1mm的球形顆粒進行一級不可逆反應 A P,氣流主體中A的濃 度為40mol/m3,測得單位床層表觀反應速率(s)obs= 400kmol/(m3.h),組分A 在顆粒內有效擴散系數為0.002778 cm/s,外部傳質系數為KG=50m/h。請問:(1)外擴散對反應過程是否有影響?如果有影響,求外擴散有效因子。(4分)(2)內擴散對反應過程是否有影響?如果有影響,求內擴散有效因子。(10
5、分)(3)當顆粒粒徑為多少時才能基本消除內擴散阻力? (6分)中國石油大學(北京)遠程教育學院 模擬考試卷化學反應工程試卷A (開卷)答案一、在體積為2.5m3的理想BR反應器中進行液相等溫一級基元反應 A P ,k = 2.78X 10-3 s-1 ,進口摩爾流率Fao=11.4 mol/s,反應物 A初始濃度CA0 4mol / L ,求:(1)當反應器中A的轉化率為80%,求所需白時間? ( 6分)(2)若將反應移到CSTR中進行,其它條件不變,求所需反應器體積? (6分)(3)若將反應移到PFR中進行,其它條件不變,求所需反應器體積? (6分)解:(1)由BR設計方程可得反應所需的時間
6、為:11lnk 1 x579(s)1131n 2.78*10 3 1 0.8(2)由CSTR的設計方程可得反應器的體積為:FaoX aFaoXa11.4 0.8a心(1 Xa)2.78 10 3 4 (14100.7( L) 0.8)(3)由PFR的設計方程可得反應器的體積為:Xa)11.4-3ln5 1650(L)2.78 104VFa。XA% & XaX 1n-0AkCA0 0 (1 Xa)kCA0(1二、在一個等溫活塞流反應器中進行氣相反應: A 2B C ,該反應對A和B 均是一級。反應器的入口體積流率為2.5L/min ,進料為等摩爾的組分A和B。入 口溫度和壓力分別是727
7、c和10atm。在此溫度下的反應速率常數k = 4L/mo1 min。求:(1)反應器入口處(即Xa=0時)A的濃度?(4分)(2)反應器入口處(即Xa=0時)的反應速率? ( 4分)(3)當A的轉化率為40%時的濃度? ( 4分)(4)當A的轉化率為40%時的反應速率? ( 6分)解:對于反應A 2B C ,1 1 22入口處:Fao=Fbo,則 yA0 = 0.5,所以 yA0 1(1)由理想氣體定律可得入口處 A的濃度為:CA00.061(mo1/L)yA0P 0.5 10atmRT 0.082(L atm/mol K) (727 273)K(2)入口處的反應速率:kC A0C B0 k
8、CAo 4 0.061 0.061 1.49 10 2(mo1/dm3 L)(3)當A的轉化率為40%時A的濃度為:CaC /A0 1 X1 x不及 CA0 0.061(mo1 /L)(4)當A的轉化率為40%時B的濃度為:CBCA0B bXa1 X1 2X_L_1 X1 2X1 X0.061 -0 0.0203(mol/ L)1 0.4rA kCACB 4 0.0610.0203 4.96 103(mol / Lmin)三、有如下平行反應:P(主反應)其動力學方程分別為:S(副反應)k1CACB.3,與k2cA5cB.8,其中 k1 k21(1)當A和B的初始濃度為Cao Cbo20mol/
9、L , A和B均從反應器入口加入,計算A的轉化率為0.9時的瞬時選擇性。(6分)(2)對該平行反應,采用怎樣的操作方式可以提高反應過程的選擇性? (8分)解:根據瞬時選擇性的定義:SrPk1 八1 0.5 0.3 1.8 八0.51.5Ca Cb Ca CbrSk2(1)由于A和B的初始濃度相同,而且反應過程二者的反應量相同,所以在整個反應過程中Ca = Cb,所以瞬時選擇性S 1/Ca當 A 的轉化率為 0.9, Ca = Cao (1-0.9) =2mol/l, S=0.5;(2)由于S cFCb",所以在反應過程中,為了使 S盡可能大,需要使A的濃度盡可能高,而B的濃度盡可能低
10、,為此可以采用以下方法: 用管式反應器,連續將B注入反應器用一系列的CSTR反應器串聯,在第一個反應器中注入 A,在每一個反應器中 注入B,這樣進入下一個反應器之前 B基本反應完。A四、在非等溫反應器操作過程中,可能出現多態現象,請問什么是多態現象?請 判斷下圖所示中,哪些點是穩定操作點,哪些點是不穩定操作點,并分析其原因?(12 分)R(T),G(T)n Tn e 八解:(1)在同一操作條件下,反應器可能存在多個定常操作態,即反應器既可能在低溫、低轉化率下操作,也可能在高溫、高轉化率下操作,還可能在中等溫度、 中等轉化率下操作,這種現象稱為多態現象。(4分)(2)對于C點,體系溫度稍微增加一
11、些,在此位置上放熱速率隨溫升的增量小 于移熱速率隨溫升的增量,體系內生成熱量少,移出熱量多,溫度下降,重新回 到C點。如果體系溫度稍微降低,在此位置上放熱速率隨溫升的增量大于移熱 速率隨溫升的增量,體系內生成熱量多,移出熱量少,溫度升高,重新回到C點。所以在C點,溫度略升、略降,系統自動恢復到原來的熱平衡狀態,所以C點屬于穩態操作點。(3分)(3)對于B點,如果體系溫度稍微增加一些,在此位置上放熱速率隨溫升的增 量大于移熱速率隨溫升的增量, 體系內生成熱量多,移出熱量少,體系溫度持續 升高,直到到達C點;如果體系溫度稍微降低,體系內移出熱量多,生成熱量 少,體系溫度持續下降,直到到達 A點。所
12、以,在B點,溫度稍微的變化,系 統不能恢復到原來的熱平衡狀態,B點為不穩定操作點。(3分)(4)對于A點,變化情況同C點,在A點,溫度略升、略降,系統自動恢復 到原來的熱平衡狀態,所以 A點屬于穩態操作點。(2分)五、在實驗室中用全混反應器等溫下進行一級液相反應A - P,當空時為25min時,A的轉化率達62%。將反應器放大進行中試,反應器型式為管式,具停留43 min,方差為時間分布的實測結果如表所示,反應器的平均停留時間為2233min。t,min0102030405060708090100E(t)000.006930.030.02830.01820.01020.004970.00241
13、0.001050求(1)停留時間小于40 min的物料所占的分率約為多少? ( 6分)(2)在與小試相同的溫度及空時下操作,分別采用多釜串聯模型預測反應器出口 A的轉化率。(12分)4010解:(1) E(t)dt (0 4*02*0.006934*0.030.0283) 0.5403停留時間小于平均停留時間的物料所占的分率約為0.54。(2)多釜串聯模型首先根據實驗室結果求出操作溫度下的反應速率常數值。k對于一級反應:X 1 k(1xx)0.62(1 0.62)*25 10.06526min12tm2t43*432337.941 一 (1_ _7 94(1 43*0.06526 /7.94)
14、 .0.91六、用直徑為1mm的球形顆粒進行一級不可逆反應 A P,氣流主體中A的濃 度為40mol/m3,測得單位床層表觀反應速率(rA)obs= 400kmol/(m3.h),組分A請問:(4分)(10 分)在顆粒內有效擴散系數為0.002778 cm2/s,外部傳質系數為KG=50m/h(1)外擴散對反應過程是否有影響?如果有影響,求外擴散有效因子(2)內擴散對反應過程是否有影響?如果有影響,求內擴散有效因子(3)當顆粒粒徑為多少時才能基本消除內擴散阻力? (6分)解:(1)由Mears判據得:31400(kmol/(m3.h) 0.001(m) 10.1 0.15kGCAG50(m/h) 0.04(kmol/m3)(rA)obsRn 2 可見外擴散無影響。(2)由 Weisz-Prater判據得:由于外擴散無影響,所以Cas=Ca
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