化学反应工程原理
一、选择题
1、气相反应
CO + 3H2
δCH 4 + H2O 进料时无惰性气体，CO 与H 2以1∶2摩尔比进料，
则膨胀因子CO =__A_。
A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2
、一级连串反应A
K 2
P
S 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度C P , max =___A____。
C A 0K
C A 0(1) K 2-K 1
1/22
[(K /K ) +1]K 212A. B.
C A 0K
C A 0(2) K 2-K 11/22
[(K /K ) +1]K 121 C. D.
K 2
3、串联反应A → P（目的）→R + S，目的产物P 与副产物S 的选择性
S P =__C_。
n P -n P 0
n -n A A. A 0n P -n P 0
n A 0
B. n P -n P 0n -n S 0
C. S
n P -n P 0n -n R 0
D. R
4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。
A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0
P(主)
A
5
、对于单一反应组分的平行反应____B__。
A. 平推流反应器 B. 全混流反应器
C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器
S(副) ，其瞬间收率ϕP 随C A 增大而单调下降，则最适合的反应器为
A 7
、一级不可逆液相反应
2R ，C A 0=2. 30kmol /m
3
， 出口转化率
x A =0. 7，每批操作时间
t +t 0=2. 06h ，装置的生产能力为50000 kg产物R/天，M R =60，则反应器的体积V 为_C_m 3。
A. 19.6 B. 20.2 C. 22.2 D. 23.4
8、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B，
-r A =0. 01C A mol /l ⋅s ，当C A 0=1mol /l 时，求反应至
C A =0. 01mol /l 所需时间t=____B___秒。
A. 400 B. 460 C. 500 D. 560
9、一级连串反应A → P → S在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优空时
τopt =
_____D__。
ln(K 2/K 1) 1ln(K 2/K 1) ln(K 1/K 2)
K 1K 2K 1K 2K 2-K 1 B. K 2-K 1 C.
A. D.
t 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0不包括下列哪一项____B___。
A. 加料时间 B. 反应时间 C. 物料冷却时间 D. 清洗釜所用时间 11、全混流反应器中有___B__个稳定的定常态操作点。
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
12、全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着
χA 的增大而减小，此时该反应的反应级数n _ D_ 。
A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 13、当反应级数n_D_时，微观流体具有比宏观流体高的出口转化率。
A. =0 B. =1 C. ＞1 D. ＜1 14、轴向分散模型的物料衡算方程的初始条件和边界条件与___C__无关。
A. 示踪剂的种类 B. 示踪剂的输入方式 C. 管内的流动状态 D. 检测位置
15、对于气-液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用___C____装置。 A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜
-
16、催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为为__C__。
d ψ
=k d C i m ψd dt ，当平行失活对反应物有强内扩散阻力时，d
A. ≈0 B. =1 C. →3 D. ≈1 17、不属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是__A__。 A. 粒子与流体间有温度差 B. 粒子与流体间无温度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层轴向有温度梯度 18、属于气固相催化反应固定床反应器拟均相二维模型的特点是___A____。 A. 粒子与流体间有浓度差 B. 粒子与流体间无浓度差 C. 床层径向有温度梯度 D. 床层径向有浓度梯度
19、下列哪一项不属于流化床反应器按深度而分的第Ⅱ级模型的特点__C__。 A. 各参数均为恒值 B. 参数值不随床高而变 C. 参数值与气泡大小无关 D. 参数值与气泡大小有关
20、流化床反应器中的操作气速
U 0是根据具体情况定的，一般取流化数U 0m f
在__B__范围内。
A. 0.1～0.4 B. 1.5～10 C. 10～15 D. 0.4～1.5
21、全混流反应器进行放热反应时，要使反应器操作在稳定的定常态，则必须满足以下条件 C A ．移热速率>放热速率 B．移热速率放热速率随温度的变化率 D ．移热速率随温度变化率
A ．外扩散阻力 B．内扩散 C．内外扩散 D．吸附和脱附 23、等温液相反应 A+B→P rp =kl C A C B ， 2A→R rR =k2C A
P 为目的产物，有下列四种方案可供选择，从提高P 的收率着眼适宜选用 D A ． 间歇釜式反应器，A 和B 一次性加入； B．全混流反应器； C ．半间歇釜式反应器，A 一次性加入，B 连续滴加； D ．半间歇釜式反应器，B 一次性加入，A 连续滴加。
24、乙苯在催化剂上脱氢生成苯乙烯，经一段时间反应后，苯乙烯生成量不再增加，乙苯仍大量存在，表明这是一个 B 反应。 A ．慢速 B．可逆 C．自催化 D．不可逆 25、等温恒容下进行各步均为一级不可逆串联反应
A
2
P
S 若保持相同的转化率x ，调节反应温度使
A
k 2/k1降低，则P 的收率将 A
A. 增大 B．减小 C．不变 D．先增后减 26、在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为___A___。 A. 空时τ B. 反应时间t C. 停留时间t D. 平均停留时间 27、阶跃示踪法测定停留时间分布 对应曲线为___B___。
A. E（t ）曲线 B. F（t ）曲线 C. I（t ）曲线 D.y （t ）曲线
28、气固催化反应的内扩散模数 ，其中L 为特征长度，若颗粒为球形则L=___D___。 A. 厚度/2 B. R C. R/2 D. R/3
29、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用___A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 三、分析解答题
1、简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系？
空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。（①分）反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。（①分）停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。（①分）由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。（②分）
2、简述阶跃示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？
阶跃示踪法是对于定常态的连续流动系统，（①分）在某瞬间t=0将流入系统的流体切换为含有示踪剂A 且浓度为
C A 0的流
体，（①分）同时保持系统内流动模式不变，并在切换的同时，在出口处测出出口流体中示踪剂A 的浓度随时间的变化。（①
F (t ) =
分）对应的曲线为F （t ），
C A
C A 0
。（②分）
3、简述均相反应及其动力学的研究内容？
答：参与反应的各物质均处于同一个相内进行的化学反应称为均相反应。均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。 4、对于可逆放热反应如何选择操作温度？
答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度； 2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。
5、简述气-液反应的宏观过程：A （g ） + bB（l ）→ 产物（l ）？
1）反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上假定达到气液相平衡； 2）反应物气相组分A 从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应； 3）液相内的反应产物向浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散； 4）气相产物向气相主体扩散。
6、简述固定床反应器的优缺点？
1）催化剂在床层内不易磨损； 2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力； 3）固定床中的传热较差； 4）催化剂的更换必须停产进行。
2
，r R =k 1C A ，其活化能为E 1；r S =k 2C A ，其活化能为E 2，当E 1 ＞E 2时如何选
A
7
、对于反应
择操作温度可以提高产物的收率？
k 10r R k 10e -E 1/RT
S R ==C =e A -E 2/RT
r S k 20e k 20
答：对于平行反应
度，方可提高R 的选择性，提高R 的收率 10、简述理想反应器的种类？
E 2-E 1RT
C A
，所以，当
E 1＞E 2时应尽可能提高反应温
通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。
11、简述气固流化床反应器鼓泡床模型的特点？
答：假定床顶出气组成完全可用气泡中的组成代表，而不必计及乳相中的情况，对气泡的组成进行计算便可以达到反应的转化率
12、简述理想反应器的种类。
答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间 四、计算题
1、醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二氧化碳：
k 1k 2
CH 3COOH −−→CH 2=CO +H 2O CH 3COOH −−→CH 4+CO 2
-1-1
k =4. 65s , k =3. 74s 12已知在916℃时，试计算：
1） 99%的醋酸反应掉的时间；
2）在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。
解：设在时间t 时乙烯酮和甲烷的浓度分别为x 和y ，初始为
C A 0，则
dx
=k 1(C A 0-x -y ) dt dy
=k 2(C A 0-x -y ) dt
d (x +y )
=(k 1+k 2)(C A 0-x -y ) dt 相加得
d (x +y )
=(k 1+k 2) dt
C -(x +y ) A 0将其积分
ln
C A 0
=(k 1+k 2) t
C A 0-(x +y )
1） 当转化率为99%时
x +y =0. 99C A 0
t =
11
ln =0. 549s
4. 65+3. 741-0. 99
S P =
2） 瞬时选择性为
dx
dy
积分得
x k 14. 65==
y k 23. 74
S =
x
=55. 4%y
2、反应A → B为n 级不可逆反应。已知在300K 时要使A 的转化率达到20%需12.6分钟，而在340K 时达到同样的转化率仅需3.20分钟，求该反应的活化能E 。
解：
-r A =-
-⎰
C A C A 0
dC A n
=kC A dt
t dt dC A =n ⎰0t C A
1⎡11⎤⎢n -1-n -1⎥=kt n -1⎣C A C A 0⎦ 即
达20%时，
C A =0. 8C A 0
k =
111
(1. 25n -1-1) ⨯=M ⨯n -1
t t (n -1) C A 0
式中M 为常数
∴
k 300=M ⨯k 340
k 300
ln
11
k 340=M ⨯
12. 6 3. 2 M /3. 2E 11=ln =(-)
M /12. 68. 314300340
E=29.06（kJ/mol）
2
-r =3. 66P atm /h ，求k C 。 A A 3、气相反应在400K 时的速率式
22σ=112. 5min , =15min ，如果这个反应器可以用等体积多釜串联模型来描述，并在
4、有一个反应器测其方差t
这个反应器中进行液相反应A + B → 2R，已知
-r A =kC A C B ，C A 0=C B 0=12mol /l ，
k =1l /mol ⋅min ，求反应器的出口转化率？
σθ=
解：
2
σt 2
2
=
112. 5
=0. 5152 ①分
σθ2=
1
⇒N =2N ②分
τ=
则每个反应器的停留时间为
15
==7. 5min N 2 ①分
对第一个釜进行物料衡算
2
C A 0=C A 1+(-r A 1) τ1=C A 1+kC A 1τ1 ①分
2
7. 5C A 1+C A 1-1=0 ①分 整理得
解得
C A 1=0. 30mol /l ①分
同理对第二个釜进行物料衡算
2
C A 1=C A 2+(-r A 2) τ2=C A 2+kC A 2τ2 ①分
解得
C A 2=0. 144mol /l ①分 x A =
C A 0-C A 21-0. 144
==85. 6%
C A 01
-r A =kC A kmol/m·h ，k=9.52×10exp[-7448.4/T] h
3
9
-1
6、在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A → 2R，，
C A 0=2.3
kmol/m，
3
M R =60，C R 0=0，若转化率x A =0.7，装置的生产能力为50000 kg产物R/天。求50℃等温操作所需反应器的
有效容积？（用于非生产性操作时间t 0=0.75 h） 解：反应终了时R 的浓度为
C R =2C A 0x A =3. 22(kmol /m 3)
t =C A 0⎰
x A
dx A 1x A dx A 11
=⎰=ln
kC A k 01-x A k 1-x A
. 4⎤⎡7448
k =9. 52⨯109exp ⎢-⎥=0. 92273+50⎣⎦ t =
11
ln =1. 31(h ) 0. 921-0. 7 VC R M R 50000
=t +t 024
V =
50000⨯2. 06
=22. 2(m 3)
24⨯3. 22⨯60
二、选择题（每题2分，共20分） 1.
对于反应pP + sS，则r P =__A_____(-r A ) 。
p A. |a |
p B. a
a C. p
|a |D. p
αA 2.
对于一非恒容均相化学反应A
αB B ，反应产物B 的化学反应速率r B =____B___。
dn A
r B =
Vdt A.
dn
r B =B
Vdt B.
dC A
r B =
dt C.
r B =
D.
dC B
dt
3. 气相反应4A + B → 3R + S进料时无惰性气体，A 与B 以3∶1的摩尔比进料，则膨胀因子
δA =_____C__。
（A ）1/4
（B ）2/3
（C ） –1/4
（D ）–2/3
4.
反应
C 4H 2C 2H 4 + H2，k =2. 0s -1，则反应级数n=___B____。
（A ）0 （B ）1 （C ）2 （D ）3
5. 串联反应A → P（目的）→R + S，目的产物P 的得率
X P =__A_____。
n P -n P 0
n -n A A. A 0n P -n P 0
n A 0
B. n P -n P 0n -n S 0
C. S
n P -n P 0n -n R 0
D. R
t
6. 一级连串反应A → P → S在平推流管式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的反应时间opt
1K 1K 2
=
____C___。
A.
ln(K 2/K 1) ln(K 2/K 1) ln(K 1/K 2)
K 1K 2 K 2-K 1 C. K 2-K 1 D.
B.
7. 气—液相反应中的膜内转化系数γ在____B___范围内，反应为中等速率的反应。 A. ＜0.02 B. 0.02＜γ＜2 C. ≥2 D. ＞2
8. 气固催化反应的内扩散模数
m -1
φL =L k V C S /D e
，其中L 为特征长度，若颗粒为圆柱形则L =_____C__。
A. 厚度/2 B. R C. R/2 D. R/3 9. 下列不属于Langmuir 型等温吸附的假定的是_D______。
A. 均匀表面 B. 吸附机理相同 C. 分子间无作用 D.多分子层吸附
2
σ=_____C__。 θ10. 全混流流动的E （t ）曲线的方差
A. 0 B. 0～1 C. 1 D. ＞1 四、 分析与推导题（每题15分，共30分）
1. 某均相反应系统中包括如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。
31
A+2B C 2A+C D k k
2
4
k k
解：
r A =-k 1C A C B 2+k 2C C -2k 3C A 2C C +2k 4C D
r B =-2kC A C B 2+2k 2C A
r C =k 1C A C B -k 2C C -k 3C A C C +k 4C D r D =k 3C A 2C C -k 4C D
22
五、 计算题（共20分）
有一级不可逆反应A → P ，在85℃时反应速率常数为3.45×102 min-1，若日产4×104 Kg 的产品P ，A 和P 的密度均为1.25 Kg/l,
－
今拟在某一间歇釜式反应器中进行，若辅助操作时间为0.5 h, 最终转化率为95%，求: （1）每批操作所需反应时间？
（2）若装填系数为0.75，求反应器的体积？ 解:(1)达到要求的转化率所需的反应时间
t r =C A 0⎰0
X Af
d x A
-r =C A A 0⎰0
X Af d x A kC A =C A 0⎰d x 0X Af
A
kC A 01-x A =1X Af 1k ⎰0
1-x d x A A =-1k ln ⎛
⎝
1-x A f ⎫⎪⎭∴t r =-1
ln 0. 05=86. 83min =1. 45h
3. 45⨯10-2
（2）由P M =ρR T , ρA =ρP 知M A =M P
每小时A 进料量为F A 0=
4⨯104
24M P 处理体积V 0=
F A 00M A
4C =
F A ρ
=
4⨯1024⨯1. 25
A O
=1. 33m 3/h
反应器的有效体积V R ' =V 0t t =V 0⎛ ' ⎝t r +t ⎫⎪
⎭
=1. 33⨯(1. 45+0.5)
=1.95h
实际反应体积V V R =
'
2.59
ϕ
=
0.75
=3.45m 3