解放军文职招聘考试《化学反应工程》习题及解答2

1.在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，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：㏑  k=min-1

   活塞流：τ=  t = 13min

           空速 ：s = 1/τ= 1/13 = 0.077min-1

   全混流：τ=  = 32.3min

 

2. 自催化反应 A+R→R+R，速度方程为-r=kCACR，体系总浓度为C0= CA+CR 。若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？

  解：A+R → R+R    -rA =kCACR  C0 =CA + CR.    串联连接，管式反应器加釜式反应器 速度较快，同样转化时所用的体积较小。

    只有当CAm = CRm = 0.5(CA0 + CR0) = 0.5C0 时速度最快。

    ∵      

   或     

 

 

 

 

        

 

 

 

 

 

        

 

    ∴当总空时τ= τ1+τ1  最小时反应器体积最小。

    对  τ= +  对CA1求导时τ最小时VR最少。

3、   此时的xA为全混釜出口最佳转化率。某反应的活化能为7000J/mol，在其它条件不变时，问650℃的反应速度要比500℃时快多少？（5分）

解：k=k0e-E/RT ，E=7000J/mol，R=8.314Jmol-1K-1

k1/k2 = -E/k(1/T1 – 1/T2) = -7000/8.314(1/273+650 – 1/273+500)=1.19

∴-r650/-r500 = k1/k2 = 1.19

4、可逆一级液相反应AR ，已知A的初始浓度为0.5mol/l，初始产物浓度为零。此反应在间歇反应器中，经过8分钟后A转化了33.3％，而平衡转化率为66.7％，试求正逆反应的速度常数和该反应的平衡常数。（10分）

解： AR    CA0=0.5mol/l,   t=8min,  xA=33.3%.  xAe=66.7%

㏑

KC = 

∴ ㏑=k1(1+1/2)*8

解得k1=0.05776min-1  

∴ k2= 1/2k1=0.02888min-1

 

5、某气相一级分解反应 A → 3P ，在等温活塞流管式反应器中进行，加入原料含A50％，惰性物50％，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的转化率及该反应速度方程。（10分）

解：A  3P    惰性物

1   0      1        εA =（3+1）-（1+1）/1+1 = 1

0   3      1 τ= 10min

∵ V = V0(1+εAxAf)

∴ xAf = 1/εA (V/V0-1) = 1/1(1.5-1)=50%

 而 kτ= (1+εAxAf)xAf /(1-xAf) = (1+0.5)*0.5/(1-0.5) = 1.5*0.5/0.5 = 1.5

 ∴ k = 0.15min-1

 ∴ -rA = 0.15CA(mol/l*min)s

 

6、在全混釜中进行液相均相反应：  A+B→R(目的)  rR=1.6CA kmol/(m3h)

                                  2A→D        rD=8.2CA2 kmol/(m3h)

 CA0=2 kmol/m3

求：（1）A转化95%所需时间;

(2)此时R的收率；

（3）若处理量为200L/min时反应器体积；

（4）当反应物浓度提高一倍时反应器体积。

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) 反应物浓度提高一倍时（1）、（2）、（3）又怎样？

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

=2*0.95/[1.6*4*（1-0.95）+2*8.2*42（1-0.95）2]=3.893h

 

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

=1.6/[1.6+2*8.2*4(1- 0.95)]=0.3274

R的收率为：YR=XAfSR/A=0.95*0.3274=0.31

反应器体积：VR=v0*τ=200*10-3*60*3.893=47m3

 

6、某一气固相催化反应在500℃催化剂的粒子中反应方程式为：

-rA=7.5*10-3PA mol/(s*g)

式中：PA-atm,A-限定组分。若粒子为圆柱形高和直径都为0.5cm,粒子密度ρP=0.8g/mL,

粒子外表面上PA的分压为：PAs= 0.1 atm,粒子内A组分的扩散系数De=0.25cm2/s,求催化剂的有效因数？粒子尺寸变为0.1cm和1.0cm时，有效因数如何？

解：（1）将以催化剂重量定义的速率方程变为催化剂体积定义的速率方程：

-r，A=7.5*10-3PA mol/(s*g)*ρP（ g/ mL）

= 7.5*10-3RTCA ρP[ mol/（s mL）]

 =7.5*10-3*82.06(273+500)*0.8CA [ mol/（s* mL）]

         =380.65 CA

     (2)求西勒模数

      Фs=dp/6*(kv/De)1/2

=0.5/6*(380.65/0.25)1/2

=3.24>3       为强内扩散阻力

         （3）求有效因数

             η=1/Фs=1/3.24=0.31

         （4）粒子尺寸变为0.1cm和1.0cm时，有效因数

       Фs（0.1）=dp/6*(kv/De)1/2=0.1/6*(380.65/0.25)1/2

            =0.651<1

       此时，无内扩散阻力，η=1

       Фs（1）=dp/6*(kv/De)1/2=1/6*(380.65/0.25)1/2

               =6.25〉3     为强内扩散阻力

η=1/Фs=1/6.25=0.153

 

7、在一粒径为1.5厘米的催化剂固定床反应器中进行A→R一级反应,催化剂的扩散系数De=0.005cm2/s, 催化剂密度ρP=1200g/L,其本征速率常数为2s-1,进料体积流量为20m3/min,要求转化率0.95，床层堆积密度ρB=1000kg/m3,求反应体积和催化剂重量。

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  

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

9、      (2)求反应器体积

10、              因为   VR/FA0=VR/CAv0=∫0.950dXA/(-rA)

11、       代入一级反应速率式-rA= k（宏）CA0（1-XA）

12、       整理并计算得：

13、       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