化学反应过程原理复习题.doc

2012化学反应工程 复习（工程硕士班）： 1． 推导出一级和二级动力学简单反应在间歇反应器、PFR和CSTR三种反应器中反应时间（停留时间）和转化率关系的积分表达式，并对上述表达式关于不同反应器的类型中，转化率与反应时间的关系进行讨论。 根据阿伦尼乌斯方程可以得到方程：； 对该表达式讨论活化能的工程意义和反应温度水平对反应速率影响； 根据上述表达式，请简述在实验过程中，如何通过控制反应温度和转化率获 得准确的本征活化能数据。 一级反应A P，进料温度为150oC，活化能为83684 J/mol，在PFR反应器中进行反应，反应器体积为VP，如改为CSTR反应器，其体积为Vm，为达到同样转化率xA = 0.6和0.9，则Vm/VP之值应如何？讨论所得的结果。 4. 采用N个体积相等的CSTR反应器串联进行动力学为一级的简单反应：；各釜的操作温度均相等。 求证：在经过第N个釜完成反应后，残余浓度为： 　　其中N为CSTR反应釜数量，( 为空时，k为反应动力学常数。 如果已知在某反应温度下的速率常数为，原料速率，要求转化率为0.90。计算当串联反应釜分别为1, 3, 10, 100个时的反应器总体积； 如果应用PFR反应器进行该反应，计算在反应条件和要求完成的转化率相同的情况下所需的反应体积；对问题2,　3的计算结果进行讨论。 5． 自催化反应： 是一个等密度的反应过程，反应速率 ，进料量为, ，，。 试计算下列反应器体积。 1）全混流反应器（CSTR）； 2）两个等体积全混流反应器串联组合反应器； 3）如何实现反应器组合，在完成转化率的前提下使得反应器体积最小。 6．有一均相反应： 反应维持在75oC等温操作，实验测得反应速率方程式为： , 当反应物A和B的初始浓度，而A的转化xA = 0.8时，平均每分钟可处理0.684 kmol的反应物A，在反应温度、处理量和要求达到的转化率相同情况下，试比较反应在间歇反应器、PFR和CSTR反应器中进行所需的反应体积？辅助时间为20 min, 釜式反应器装填系数为0.8。 在反应过程中，保证化学反应操作定态稳定的条件是什么？如果对于在CSTR反应器中进行的放热反应过程，为了保持反应的稳定性，如何兼顾换热面积和换热温差？为什么？ 8．在管式固定床反应器，对于催化床列管的管径大小的设计有一定的要求，特别是对于放热反应过程。若从反应的热稳定性考虑，证明最大的列管直径为： 其中：U为换热面积，，(Vr为催化剂微元体积。 提示：列管微元移热速率为，at为圆管的比表面，Tc为管外冷却介质温度。 据内部效率因子(2的计算可知，决定内部效率因子的唯一参数是西勒模数(，(1) 写出(准数表达式，讨论影响内扩散的主要因素；(2) 叙述如何在实验过程中，采用什么手段消除内扩散，并用简图表示实验结论。 有气固相催化反应 ，动力学表达式为: (a) 也可以采用易于反应工程分析的效率因子法处理,其表式为: (b) 其中为催化剂表面浓度，为主体浓度, (为效率因子。 (1) 试问采用效率因子法动力学表达式 (b) 中的反应级数、活化能和 (a) 式中的反应级数、活化能意义是否相同，为什么？ (2) 在等温反应体系，写出表征外扩散与内扩散的特征参数：达姆科勒准数和西勒模数的表达式； (3) 如果反应级数为一级，只考虑内、外扩散因素影响，证明总效率因子的表达式为： 其中为外扩散效率因子，；为内扩散效率因子。 11. 工业生产以C6H6　(苯)在V2O5作为活性组分的催化剂上进行催化氧化制C4H2O3(顺丁烯二酸酐)是一个由平行反应和串联反应组成的复合反应。 　　反应的活化能分别为：E1=96.56 kJ/mol, E2=147.14 kJ/mol, E3=67.72 kJ/mol. 为了实现反应过程中目标产物C4H2O3高选择性，如何优化反应温度的控制？为什么？ 12. 甲醇合成催化剂的活性来自于零价Cu，其还原活化过程是强放热反应，其主反应为： CuO + H2 = Cu + H2O △Hr = 20.3 kcal/mol 如果采用纯氢气进行催化剂还原，容易造成表面温度升高，导致催化剂单质铜微晶烧结，使催化剂丧失活性。实际生产过程中，为了保证还原过程的正常进行，通常采用高温低浓度的方式进行还原，如还原气组成为氢氮混合气（5%H2 + 95%N2）。 假设该反应受外扩散控制，试估算用纯氢气还原和氢氮混合气还原催化剂的表面温度Ts. (Ts-Tb = 0.66△Tad, △Tad为绝热温升)。已知：还原操作温度为