2004-2005期末考试试卷

南京工业大学 化学反应工程 试题A（开）卷

20０5--20０6学年第 一 学期 使用班级

题号 得分 一 二 三 四 总分 一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1．反应器的类型不同，则( )也将有不同。

A．反应动力学 B．传递特性 C．反应的相态 D．反应的可逆性

2．等温恒容下进行各步均为一级不可逆串联反应

k1k2AP(主产物)R(副产物)若保持相同的转化率xA，调节反应温度

使k2/k1降低，则P的收率将( )

A.增大 B．减小 C．不变 D．先增后减

3．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，但乙苯仍大量存在，表明这是一个( )反应。 A．慢速 B．可逆 C．自催化 D．不可逆

4．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( )

A．移热速率>放热速率 B．移热速率<放热速率 C．移热速率随温度变化率>放热速率随温度的变化率 D．移热速率随温度变化率<放热速率随温度的变化率 5．等温一级不可逆液相反应，采用下列三种方案进行： (1)一个间歇反应釜，容积V1(仅考虑反应时间所需)， (2)一个平推流反应器，容积V2，

(3)二个等体积全混流反应器串联，总容积为V3。

上述三种情况反应温度、物料处理量及转化率均相同，则容积比较为( ) A．V12A→R rR=k2CA2

有下列四种方案可供选择：

(1) 间歇釜式反应器，A和B一次性加入；(2)半间歇釜式反应器，A一次性加入，

B连续滴加

(3)半间歇釜式反应器，B一次性加入，A连续滴加；(4)全混流反应器。 从提高P的收率着眼适宜选用( )

A．(1) B．(2) C．(3) D．(4)

7．由示踪法测得一反应器的停留时间分布密度函数E(t)=0.1exp(-t/10) min-1，可判别该反应器的流型为( )

A．平推流 B．全混流 C．轴向分散 D．多级混合 8．气固催化反应本征速率是指排除( )阻力后的反应速率。

A．外扩散阻力 B．内扩散 C．内外扩散 D．吸附和脱附

9．所谓固定床积分反应器是指反应物一次通过后，转化率大于( )的情况。 A．10％ B．25％ C．40％ D．50％

10．用硫酸吸收氨气气液反应，若H2SO4浓度大于临界浓度，则该过程的宏观反应速率的阻力主要集中在( )。

A．气膜内 B．相界面 C．相界面和气膜内 D．液膜内

二、填空题（每题5分，共30分）

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南京工业大试题

1．一气固催化反应A2BR，若反应机理为：

A222ABBABR,此步为控制步骤RR

则本征反应速率方程为：

k1APk2AQ，2．一液相复合反应均为一级不可逆反应。在单一连续釜中等温反应，

已知该温度下，k17k2,问当最终转化率为80％时，目的产物P的瞬时选择性

为： ，总选择性为： 。

3． 要使固定床反应器所用催化剂量最少，对简单不可逆反应，应尽可能在 温度下操作；对可逆放热反应，应尽可能在 温度下操作；对可逆吸热反应，应尽可能

在 温度下操作。

14. (RA)对xA的曲线上存在极小值的情况是___ _____反应和____ ______反应的

特征。

5．已知一实际流动反应器，Pe=20，该反应器若用多级混合模型描述，则模型参数N=________。

P，在四段 6. 可逆放热反应A绝热式固定床中进行，床层温度与转化率的关系 如图所示。试比较各段床层的

(1)进出口温差大小 ； (2)催化剂用量多少 ； (3)若整个床层以T4等温操作，则催化剂总装 填量比原来 (①增多 ②减少)(假定各段绝 热温升相同)

三、问答题：（每题6分，共12分）

1.均相CSTR反应器中，放热S形曲线与移热直线一般有3个交点，高温区交点、中温区交点、低温区交点的特征分别是什么？工业上一般选择什么区交点为操作点？为什么？

2．为什么说对于反应级数大于零的不可逆反应，反应温度越高，消除内扩散影响所要求的粒度越小；反应物浓度越高，消除内扩散影响所要求的粒度越小？

四、计算题：（第1，2题均为12分，第3题为14分，共38分）

1. 在一反应体积为3 m3的连续釜式反应器中等温进行下列液相反应：

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南京工业大试题

ABP rP1.6CA kmol/m3hrP及rQ分别为产物P及Q的生成速率，P为目的产物。反应用的原料为A及B的

混合液，其中CA0＝2 kmol/m3，每小时处理混合液6 m3。 求：反应器出口A、P、Q的浓度，P的收率及总选择性。

2AQ rQ0.2CA2 kmol/m3h

2. 已知一闭式液相反应器在流量为5L／s下进行脉冲示踪，得到停留时间分布密

1e20度函数E(t)=

t20s，试求：

-1

（1）平均停留时间;

（2）该反应器的反应体积为多少？

2（3）E(θ)、F(θ)和

（4）若将该反应器用多釜串联模型描述，其模型参数N为多少？

cat.A(g)R(g)，在消除了内、外扩散阻力后，测得3． 一级气固催化反应

如下数据： T(℃) 400 CA(kmol/m3) 1 (-RA)( kmol/ m3cat.s) 0.1 450 1 2 现将这种催化剂装在固定床中进行等温反应(400℃)，可视为活塞流。在进料流量为3.6m3/h（此时外扩散可忽略不计）时，反应器出口转化率为80％。已知催化剂

3装填量为200kg，颗粒密度P2000kg/m，求：

（1）400℃时的内扩散有效因子η值

（2）若将反应温度提高到450℃，进行等温反应，出口转化率仍为80％，求催化剂装填量。

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南京工业大试题

南京工业大学 化学反应工程 试题B（开）卷

2005—2006学年第一学期 使用班级

题号 一 二 三 四

得分 二、 单项选择题： （每题2分，共20分） 1．反应器中等温进行着A→P(1)和A→R(2)两个反应，当降低A的浓度后，发现反应生成P的量显著降低，而R的生成量略降低，表明( )

A．反应(1)对A的反应级数大于反应(2) B．反应(1)对A的反应级数小于反应(2)

C．反应(1)的活化能小于反应(2) D．反应(1)的反应速率常数大于反应(2)

22.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值为( )

总分 A． 1.0 B. 0.25 C．0.50 D．0

(1)(2)APQ3．对一平行—连串反应AR，P为目的产物，若活化能次序为：

E2A．先高后低 B.先低后高 C．高温操作 D．低温操作

4．两个等体积的全混流反应器进行串联操作，反应为一级不可逆，则第一釜的反应速率-rA1与第二釜的反应速率-rA2之间的关系为( )。两釜反应温度相同。

A．-rA1 > -rA2 B．-rA1 = -rA2 C．-rA1 < -rA2 D.不能确定何者为大

(3)Da0.1uL5. 已知一闭式反应器的r，该反应器若用多釜串联模型来描述，则模型

参数N为（ ）。

A． 4.5 B. 5.6 C．3.5 D．4.0

6．固体催化剂之所以能起催化作用，是由于催化剂的活性中心与反应组分的气体分子主要发生( )。

A．物理吸附 B．化学反应 C．化学吸附 D．质量传递 7．包括粒内微孔体积在内的全颗粒密度称之为( )

A．堆(积)密度 B．颗粒密度 C．真密度 D．平均密度

8．在气固催化反应动力学研究中，内循环式无梯度反应器是一种( )。

A．平推流反应器 B. 轴向流反应器 C. 全混流反应器 D. 多釜串联反应器

9．某液相反应，其反应式可写成A+CR+C这种反应称为( )

A．均相催化反应 B．自催化反应 C．链锁反应 D.可逆反应

10．高径比不大的气液连续鼓泡搅拌釜，对于其中的气相和液相的流动常可近似看成( )

A．气、液均为平推流 B．气、液均为全混流

C．气相平推流、液相全混流 D．气相全混流、液相平推流

二、填空题（每题5分，共30分）

1．一不可逆反应，当反应温度从25℃升高到35℃时，反应速率增加一倍，则该反应的活化能为 。

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2．一气固催化反应ABR，若本征反应速率方程为：

rkSKAPAKBPB(1KAPAKBPB＋KRPR)2

则该反应可能的反应机理为 3．间歇釜反应器中进行如下反应：

AP (1) －rA1＝k1CAa1 AS (2) －rA2=k2CAa2

在CA0和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中CP/CS增大，表明活化能E1

与E2的相对大小为 ；在温度和反应时间保持不变下，增高反应物浓度，釜液中CP/CS增大，表明反应级数al、a2的相对大小为 。 A．al>a2 B．alE2

20.98,反应器可视4．从反应器停留时间分布测定中,求得无因次方差

为 ,

20.02,则反应器可视为 。 又若求得无因次方差

5．有两个有效容积不等的全混流反应器串联操作，反应为二级不可逆反应A→P，若大釜在先，小釜在后，出口转化率为xA1，小釜在先、大釜在后，则出口转化率为xA2，两种情况下，进料流速、进料浓度和反应温度均相同，比较xA1和xA2的相对大小为 xA16. 在固定床反应器中，分别进行一级和二级不可逆气固催化反应，试比a、b两处的η值大小（a处靠近反应器的进口，b处靠近反应器的出口），并说明理由。 （1）一级放热反应，绝热操作； （2）二级反应，等温操作。

三、问答题（每题6分，共12分）

k12ABP20.5rPk1CACB0.52k2rQk2CACBA2BQ1.液相复合反应, 若

为使目的产物P的选择性高，应选择：

(1) 若采用间歇反应釜，其加料方式为？ (2) 若采用管式反应器，其进料方式为？

(3) 若E1>E2，则反应温度应尽可能采用高温或低温？

2. 在四段绝热式固定床反应器中进行n级不可逆反应,各段的催化剂量相同,且控制进入各段的反应物料温度相等.若n>0,试问

(1) 哪一段的净转化率最大?哪一段最小?

(2) 若段间采用冷激方法进行降温,试问第一段与第二段之间和第二段与第三段之间 哪处需加入的冷激剂量多?为什么?

四、计算题：（第1，2题均为12分，第3题为14分，共38分）

1.在反应体积为1 m3的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：

H2COCHCH3H2OH2COHCHOHCH3

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南京工业大试题

该反应对环氧丙烷为一级，对水为零级，反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3，环氧丙烷的最终转化率为90%。 （1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h，则丙二醇-1，2的日产量是多少？ （2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？

（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？

2.对一闭式反应器进行停留时间分布实验测定，在Q＝300L/min下，得到E(t)～t关系如下图所示。由于该图放置已久，纵坐标模糊不清。试根据E(t)函数性质确定并计算：

（1）E(t)

－1（2）F(t) E(t) /min （3）该反应器体积为多少？

（4）多级串联模型参数N为多少？

2(5)无因次方差为多少？ （6）轴向扩散模型参数Pe为多少？

0 10 20 t/min 3．某一级不可逆气固催化反应，在反应温度150℃下，测得kP=5s-1,有效扩散系数DeA=0.2cm2/s。求：

（1） 当颗粒直径为0.1mm时，内扩散影响是否已消除？

（2） 欲保持催化剂内扩散有效因子为0.8，则颗粒直径应不大于多少？

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（3） 单项选择题： （每题2分，共20分）

一、答案为： 1 2 3 4 5 B A B C B 二、填空题（每题5分，共30分）

1．一气固催化反应A2BR，若反应机理为：

6 C 7 B 8 C 9 B 10 A A222ABBABR,此步为控制步骤RR

kSKAPAKBPBr(1KAPAKBPBKRPR)2k2则本征反应速率方程为：

k1APQ，2．一液相复合反应A均为一级不可逆反应。在单一连续釜中等温反应，k17k2,问当最终转化率为80％时，已知该温度下，目的产物P的瞬时选择性为：

0.875 ，总选择性为： 0.875 。

3． 要使固定床反应器所用催化剂量最少，对简单不可逆反应，应尽可能在 高温 温度下操作；对可逆放热反应，应尽可能在 最佳 温度下操作；对可逆吸热反应，应尽可能在 高温 温度下操作。

14. (RA)对xA的曲线上存在极小值的情况是___可逆放热反应_____反应和____

自催化______反应的特征。

5．已知一实际流动反应器，Pe=20，该反应器若用多级混合模型描述，则模型参数N=____10.53____。 P，在四段 6. 可逆放热反应A 绝热式固定床中进行，床层温度与转化率的关系 如图所示。试比较各段床层的

(1)进出口温差大小 (3)填量比

三、问答题：（每题6分，共12分）

1.均相CSTR反应器中，放热S形曲线与移热直线一般有3个交点，高温区交点、中温区交点、低温区交点的特征分别是什么？工业上一般选择什么区交点为操作点？为什么？

答：高温区交点特征：热稳定点，T高，反应速度快，能达到的转化率高，中温区交点的特征：热不稳定点；低温区交点的特征是热稳定点，T低，反应速度慢。

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T1T2T3T4 (2)催化剂用量多少 Wl若整个床层以T4等温操作，则催化剂总装 原来 ① (①增多 ②减少)(假定各段绝 热温升相同)

南京工业大试题

工业上一般选择高温区交点为操作点，T高，反应速度快，易达到高转化率。 2．为什么说对于反应级数大于零的不可逆反应，反应温度越高，消除内扩散影响所要求的粒度越小；反应物浓度越高，消除内扩散影响所要求的粒度越小？

答：

1kP-1＝LCAS2DeATkP为了使，必须L同理CAGCAS为了使，必须L

四、计算题：（第1，2题均为12分，第3题为14分，共38分）

1. 在一反应体积为3m3的连续釜式反应器中等温进行下列液相反应：

ABP rP1.6CA kmol/m3hrP及rQ分别为产物P及Q的生成速率，P为目的产物。反应用的原料为A及B的

混合液，其中CA0＝2 kmol/m3，每小时处理混合液6 m3。 求：反应器出口A、P、Q的浓度，P的收率及总选择性。

2AQ rQ0.2CA2 kmol/m3h

解： (RA)rP2rQ CCACA0CAVr3A0Q0(RA)1.6CA0.4CA262CA1 1.6CA0.4CA22  CA1 kmol/m3 VCCPCPrP0.5Q0RP1.6CA1.61

CP0.8 kmol/m3CQCQCQVr0.522Q0RQ0.2CA0.21

CQ0.1 kmol/m3CP0.80.40CA02YP0.40.8XA0.5

YPSP 第 8 页 共 12 页

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SPRP1.6CA44(RA)1.6CA0.4CA24CA5或：

2已知一闭式液相反应器在流量为5L／s下进行脉冲示踪，得到停留时间分布密度函数

120e-1

E(t)=20s，试求：

（1）平均停留时间;

（2）该反应器的反应体积为多少？

2（3）E(θ)、F(θ)和

t（4）若将该反应器用多釜串联模型描述，其模型参数N为多少？

1t0tE(t)dt0te20dt20s20解：（1）

t（2）

t20VQ0520100L rE()20E(t)e（3）

e，属于全混流理想流动反应器

F()1e 2＝1

模型参数N＝1

cat.A(g)R(g)，在消除了内、外扩散阻力后，测得3． 一级气固催化反应

如下数据： T(℃) 400 CA(kmol/m3) 1 (-RA)( kmol/ m3颗粒.s) 0.1 450 1 2 现将这种催化剂装在固定床中进行等温反应(400℃)，可视为活塞流。在进料流量为3.6m3/h（此时外扩散可忽略不计）时，反应器出口转化率为80％。已知催化剂

3装填量为200kg，颗粒密度P2000kg/m，求：

（1）400℃时的内扩散有效因子η值

（2）若将反应温度提高到450℃，进行等温反应，出口转化率仍为80％，求催化剂装填量。 解：

三、 单项选择题： （每题2分，共20分） 一、答案为： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A B B A B C B C B B 二、填空题（每题5分，共30分）

1．一不可逆反应，当反应温度从25℃升高到35℃时，反应速率增加一倍，则该反应的活化能为 52894 J／mol 。

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南京工业大试题

lnk2E11()ln2k1RT1T2E11()ln28.314298308解：E52894J/mol，

2．一气固催化反应ABR，若本征反应速率方程为：

r

则该反应可能的反应机理为

kSKAPAKBPB(1KAPAKBPB＋KRPR)2

AσAσB22σ2BσkSAσBσRσσ (此步为速率控制步骤 ）RσRσ

3．间歇釜反应器中进行如下反应：

AP (1) －rA1＝k1CAa1 AS (2) －rA2=k2CAa2

在CA0和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中CP/CS增大，表明活化能E1

与E2的相对大小为 E1高反应浓度，釜液中CP/CS增大，表明反应级数al、a2的相对大小为 al>a2 。 A．al>a2 B．alE2

20.98,反应器可视为 全混4．从反应器停留时间分布测定中,求得无因次方差

流反应器 ,

20.02,则反应器可视为 活塞流反应器 。 又若求得无因次方差

5．有两个有效容积不等的全混流反应器串联操作，反应为二级不可逆反应A→P，若大釜在先，小釜在后，出口转化率为xA1，小釜在先、大釜在后，则出口转化率为xA2，两种情况下，进料流速、进料浓度和反应温度均相同，比较xA1和xA2的相对大小为 xA16. 在固定床反应器中，分别进行一级和二级不可逆气固催化反应，试比较a、b两处的η值大小（a处靠近反应器的进口，b处靠近反应器的出口），并说明理由。 （1）一级放热反应，绝热操作；ηa>ηb （2）二级反应，等温操作。ηa<ηb

三、问答题（每题6分，共12分）

k12ABP20.5rPk1CACB0.52k2rQk2CACBA2BQ1.液相复合反应, 若

为使目的产物P的选择性高，应选择：

(3) 若采用间歇反应釜，其加料方式为？ (4) 若采用管式反应器，其进料方式为？

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(3) 若E1>E2，则反应温度应尽可能采用高温或低温？

答：为使目的产物P的选择性高，应选择： (1)若采用间歇反应釜，其加料方式为 A一次性加入，B连续滴加 ； (2)若采用管式反应器，其进料方式为 A从反应器进口处加入，B沿管长多处加入 ；

(3)若E1>E2，则反应温度应采用 高

温 。

2. 在四段绝热式固定床反应器中进行n级不可逆反应,各段的催化剂量相同,且控制进入各段的反应物料温度相等.若n>0,试问

(3) 哪一段的净转化率最大?哪一段最小?

(4) 若段间采用冷激方法进行降温,试问第一段与第二段之间和第二段与第三段之间 哪处需加入的冷激剂量多?为什么?

解:(1)虽然各段进口温度相等,在催化剂量相同的情况下,净转化率也按1至4段的顺 序递减,第一段最大,第二段次之, 第三段再次之，第四段最小.

(2)因第一段反应量大于第二段反应量,所以1-2段间要取出的热量比2-3段间要取出 的热量大,因而1-2段间需要的冷激量也大于2-3段间需要的冷激剂量.

四、计算题：（第1，2题均为12分，第3题为14分，共38分）

1.在反应体积为1 m3的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：

该反应对环氧丙烷为一级，对水为零级，反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3，环氧丙烷的最终转化率为90%。 （1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h，则丙二醇-1，2的日产量是多少？ （2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？

（3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？

31V1m,rkC,k0.98h,CA02.1kmol/l,XA0.9 AA解：rH2COCHCH3H2OH2COHCHOHCH3

（1） 一级不可逆反应：

11ln(1xAf)ln(10.9)2.35hk0.98VrQ0(tt0)Q0(2.350.65)1tQ01/3m3/h

3CX2.10.91.89kmol/m丙二醇的浓度=A0A

丙二醇的产量=Q0CA0xAf＝1.891/30.63kmol/h15.15kmol/日

(2) 采用定态下连续操作

VrQ0XAfk(1XAf)所以Q0=0.109m3/h

Q00.910.98(10.9)

丙二醇的产量=0.1091.890.2058kmol/h4.939kmol/日

（3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反应速率慢，故产量低。

2.对一闭式反应器进行停留时间分布实验测定，在Q＝300L/min下，得到E(t)～t关系

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南京工业大试题

如下图所示。由于该图放置已久，纵坐标模糊不清。试根据E(t)函数性质确定并计算：

（1）E(t)

－1（2）F(t) E(t) /min （3）该反应器体积为多少？

（4）多级串联模型参数N为多少？

2(5)无因次方差为多少？ （6）轴向扩散模型参数Pe为多少？

0 10 20 t/min 答：

（1）E(t)＝ -1/200(t-20)

2

(2）F(t)＝ -t/400+0.1t

3

（3）V＝ 2 m （4）多级串联模型参数N＝ 2

(5)无因次方差

2211N2

22-2(1-e-Pe)0.5PePe（6）Pe2.56

3．某一级不可逆气固催化反应，在反应温度150℃下，测得kP=5s-1,有效扩散系数DeA=0.2cm2/s。求：

（4） 当颗粒直径为0.1mm时，内扩散影响是否已消除？

（5） 欲保持催化剂内扩散有效因子为0.8，则颗粒直径应不大于多少？

(1) dP6kP0.01510.00833DeA60.23  1(2) 1110.8tanh33试差，得 ＝0.68dP6kPdPDeA655dP0.680.26

解：dP0.816 cm

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