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化学反应工程考博试卷一

一、(20分)以甲烷生产合成气这一复杂反应体系可以表示为〔(CO2,H2O,H2,CH4,CO,N2)(H,C,N,O)〕，试确定该反应体系的独立反应数，并写出一组独立反应；如果已知反应体系的初始组成，请列出计算该体系在温度T（K）、压力P（kPa）时平衡组成的计算步骤。

二、(20分)在两种不同粒度的球形催化剂上，测得某一级不可逆反应的表观反应速率如下∶

dp=0.6cmrobs=0.090mol/(gcat·h)

dp=0.3cmrobs=0.162mol/(gcat·h)

计算在这两种情况下，催化剂的内部效率因子各为多少？不存在内外扩散影响时，催化剂的本征反应速率为多大？(可以使用温度集总模型处理)。

三、(20分)在片状催化剂上，进行平行反应

k1

AR

k2

A———U

R为目的产物。两个反应均为一级不可逆反应，催化剂失活时只对主反应产生影响。已知k1/k2=4，ψ1=1。这里ψ1为依据反应速率常数k1、及催化剂粒度和有效扩散系数计算得到的Thiele模数，试计算下列两种情况下的反应选择性∶

(1)、新鲜催化剂；

(2)、失活催化剂活性为起始活性的60%时。

四、(20分)为了用于测定气-固催化反应的本征动力学，请您设计一套固定床积分反应器。列出主要的设计步骤，说明实验反应器主要尺寸的选取原则；简要分析操作条件对实验结果可靠性的影响，并简述动力学数据的处理程序。

五、(20分)试证明在CSTR反应器中发生一级不可逆放热反应时，反应系统定态稳定的必要条件为∶

并根据CSTR反应器的多定态特性，制定一个反应器在高反应速率状态下操作的开工方案。

化学反应工程考博试卷二

一、(20分)下列一级可逆单分子反应系统，其反应网络如下：

A1A2A3

A7

A4A5A6

请写出反应速率常数矩阵K的表达式（AjKijAi）

利用特征方向法处理类似复杂的反应网络时，其计算步骤是什么？

利用集总动力学方法处理复杂反应体系时，一般来讲，按照什么原则划分集总模型？

二、(20分)为了确定内扩散对反应影响的重要性，在实验室中用不同粒度的催化剂进行了一系列实验，在其它参数相同的条件下，测得不同粒度催化剂的表观反应速率数据如下∶

球形颗粒直径(cm)

0.25

0.075

0.025

0.0075

表观反应速率(mol/cm3.h)

0.22

0.70

1.60

2.40

假定反应为一级不可逆,反应物表面浓度为2×10-4mol/cm3，

确定本征反应速率常数k和有效扩散系数De；

对尺度为φ0.5cm×0.5cm的圆柱形工业催化剂，预测其内扩散有效因子和表观反应速率。

三、(20分)某一多孔球形催化剂，结焦后通空气再生，其化学反应式为∶

C＋O2CO2，该过程符合不变颗粒的缩核模型∶

当气膜扩散控制时，燃烧到原来直径一半所需的反应时间为完全反应时间的百分比为多少？

当化学反应为控制步骤，燃烧转化率达到50%时所需的反应时间，占完全反应时间的比例是多少？

当灰层扩散为控制步骤，燃烧到原来体积一半时所需的时间，为完全反应时间百分之多少？

四、(20分)为了测定气-固催化反应的本征动力学，请您设计一套固定床积分反应器。列出主要的设计步骤，说明实验反应器主要尺寸的选取原则；简要分析操作条件对实验结果可靠性的影响，并简述动力学数据的处理程序。

五、(20分)当在无孔单颗粒催化剂上发生一级不可逆放热反应时，试导出系统存在唯一定态的判据为∶

βγ＜4（1+β）

式中∶，

请列出详细的推导过程，并注明重要的简化或判断依据。

化学反应工程考博试卷三

一、(20分)试确定下列复杂反应体系的独立反应数，并写出一组独立反应；如果已知反应体系的初始组成，请列出计算该体系在温度T（K）、压力P（kPa）时平衡组成的计算步骤；并说明计算反应体系平衡组成尚需哪些数据。

CH4＋H2O=CO+3H2

CO+H2O=CO2+H2

CH4=C+2H2

C＋H2O=CO+H2

2CO=C+CO2

2CH4=C2H6+H2

二、(20分)在150℃时，以粒度为100μm的镍催化剂进行苯加氢反应，由于氢大量过剩，而把该反应按一级反应处理，在内外扩散的影响已消除的情况下，测得反应速率常数为5min-1。苯的有效扩散系数为0.2cm2/s。

（1）在1atm下，要使有效因子