本科作業-本二-2014年第一章應用化學反應動力學及反應器設計基礎一、思考題1、間歇系統與連續系統中，反應速率的定義式？2、反應系統中反應速率與化學計量系數有何關系？3、反應速率可以用濃度ci、分壓pi或摩爾分率yi來表述，相應的速率常數kc、kp、ky之間有何關系？4、溫度增加，反應速率常數肯定增加，對否？5、空速的定義是什么？它的大小反映了反應器的什么能力？6、轉化率的定義是什么？在復雜反應系統中,它是否能起到在簡單反應系統中所起到的作用？7、化學反應中哪種吸附起主要作用？8、惰性物質不參加反應，所以對吸附、脫附無任何影響，對否？9、表達反應系統體積變化的參數是什么？10、方程式中反應前后摩爾數的變化是否表示反應體積的變化？第二章氣－固相催化反應本證及宏觀動力學一、思考題1、對于球形催化劑，西勒模數（Thiele）越大，則催化劑的內擴散有效因子如何變化？2、如果在某催化劑上測得的反應速率為r，而內擴散有效因子為0.8，則此反應速率是否為本征反應速率？3、對于氣—固相反應，什么情況下，可以不考慮分子擴散的影響？4、對于球型催化劑粒子，西勒模數的定義式是什么？5、本征化學反應速度在內外擴散阻力完全消除的情況下與宏觀化學反應速度有何關系？6、孔結構對內擴散有無影響？7、在氣體的擴散過程中，如果催化劑的孔徑遠遠小于分子的平均自由程時，可以不考慮哪種擴散？8、對于氣－固相反應，如果本征動力學方程式為r，催化劑的內擴散有效因子為ζ，則宏觀動力學方程式應如何表示？二、計算題1、某可逆反應：，其均勻表面吸附機理的動力學方程式為： 試寫出反應機理及控制步驟，并證明之。2、某可逆反應：，其均勻表面吸附的機理動力學方程式為： 試寫出反應機理及控制步驟，并證明之。3、某可逆反應：的均勻表面吸附機理動力學方程式為：試寫出反應機理及控制步驟，并證明之。4、丁烯在某催化劑上制取丁二烯的總反應方程式為，假設丁烯脫氫化學反應按如下步驟進行：(a)(b)(c)寫出(b)為控制步驟的均勻吸附動力學方程，若反應物和產物的吸附都很若，問此時反應對丁烯是幾級反應。5、用直徑為6毫米的球形催化劑進行一級不可逆反應A→R+P,氣相中Ａ的摩爾分數yA＝0.50，操作壓力Ｐ＝0.10133MPa，反應溫度Ｔ＝500℃，已知單位體積床層的反應速度常數為0.333s-1，床層空隙率為0.5,組分A在顆粒內的有效擴散系數為0.00296cm2/s,外擴散傳質系數為40m／h(1)催化劑內擴散效率因子，其影響是否嚴重。(2)催化劑外表面濃度CAS，并說明外擴散影響是否嚴重(3)計算傳質速度。6、體積為100立方米的管式反應器內部充填半徑為2.50毫米的球形顆粒催化劑，氣體穩定時，每秒有0.24kmol徑為5mm，顆粒有效導熱系數為0.35[J／m.s.k]，每燃燒1mol放出熱量J，燃燒溫度為760℃，氧在催化劑顆粒內的有效擴散系數為cm2/s。試估計定態下催化劑顆粒表面與中心的最大溫差。10、乙烯直接水合制乙醇可視為對乙烯的一級不可逆反應，在300℃，7.09MPa下，，，采用直徑與高均為5的圓柱形催化劑，求內擴散有效因子。11、某催化反應在500℃的催化劑粒子中進行，已知反應速度式為[mol／s.g催化劑]，Ｐ的單位為MPa，顆粒為5*5mm圓柱體，顆粒密度為0.80g／cm3，粒子外表面上Ａ的分壓為0.101325MPa，粒內Ａ組分的有效擴散系數為0.25cm2／s12、異丙苯在某催化劑上裂解生成苯，如催化劑為微球狀，已知ρP＝1.06g／cm3,顆粒孔隙率θ＝0.52,Sg＝350m2／g，求在500℃，１atm，異丙苯在催化劑微孔中的有效擴散系數。異丙苯的分子量為120，微孔的曲節因子δ＝３，異丙苯—苯的分子擴散系數為0.155cm2／s。球型催化劑顆粒直徑為0.5cm，550℃時該反應的速率常數13、計算660Ｋ和30atm下,在孔隙催化劑中,噻吩(分子量84)在氫氣中的有效擴散系數。已知催化劑的比表面Sg＝180m2／g，顆粒的孔隙率θ＝0.4，顆粒的密度ρp＝1.4ｇ／cm3，分子擴散系數DAB＝0.052cm2／s，微孔的曲節因子δ＝2，(顆粒為球型)第三章釜式及均相管式反應器一、思考題1、返混的定義是什么?返混是否總是有害的?2、造成非理想流動的主要因素有哪些?其根本原因是什么?3、返混能造成非理想流動,對否?4、反應器設計的基本方程包括哪些內容?5、絕熱溫升(降)的物理含義是什么?6、串、并連操作各有何特點?工業上何時采用串聯操作?何時采用并聯操作?兩者是否可以互相代替?7、一般情況下返混對反應結果都有不利影響,對否？8、CSTR串聯是否好于單個大體積的CSTR?是否工業上都用多個CSTR串聯來代替單個CSTR?多釜串聯時是否串聯級數越多越好?9、對一級不可逆反應,在相同的反應條件下完成相同的任務時,兩個體積相同的CSTR串聯、并聯的結果是否相同?如果不相同，哪種結果好？10、CSTR與PFR串聯操作時,其順序的變化是否影響反應結果?11、什么情況下串聯操作與單個反應器操作的結果完全相同?12、反應體積的變化是否影響反應結果?它是通過什么途徑起的作用?對于不同反應級數的反應影響程度是否相同?13、轉化率與體積變化相比哪個對反應結果影響大?14、反應體積增大與減少對反應結果有何影響?對不同反應級數的反應影響程度是否相同?15、如果主反應級數大于副反應級數,體積增大對反應是否有利?16、如果反應溫度提高后,目的產物的選擇性明顯增加,從中可以得出什么結論?17、瞬時選擇性與總選擇性有何關系?兩者是否可以相等?18、反應器多態的物理含義是什么?二、計算題1、以醋酸(A)和正丁醇(B)為原料在間歇反應器中生產醋酸丁酯，操作溫度為100℃，每批進料1的A和4.96的B，已知反應速率，試求醋酸轉化率分別為0.5、0.9、0.99時所需的反應時間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為960和740。2、生化工程中酶反應A+P→P+P為自催化反應，反應速率式為，某溫度下k=1.512，原料中含有A0.99kmol/m3，含P為0.01kmol/m3，要求A的出口濃度達到CAf=0.01kmol/m3，該反應器的處理能力為V0＝10m3/h時，試求：(1)反應速率達到最大時A的濃度；(2)采用CSTR反應器時的體積；(3)采用PFR反應器時的體積。3、由醋酸與丁醇生產醋酸丁酯，化學反應為：CH3COOH(A)+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O，每小時處理原料量為735kg，反應混合物密度為0.75kg/l，原料配比為醋酸:丁醇＝1:4.97(mol)，動力學方程為，，求反應器的有效容積：(1)用一個全混流反應器；(2)用兩個全混流反應器串聯，已知：，(3)用一個平推流反應器。4、在間歇反應器中進行液相反應Ａ＋Ｂ→Ｐ，測得此二級反應的反應速度常數為k＝61.5×10-2[l／mol.h]，CA0＝0.307[mol／l]，計算當CB0／CA0＝1和5，轉化率分別為0.5、0.9、0.99所需的反應時間，并對計算結果加以討論。5、在等溫間歇反應器中進行皂化反應：CH3COOC2H5＋NaOH→CH3COONa＋C2H5OH該反應對乙酸乙酯和氫氧化鈉均為一級，反應開始時乙酸乙酯和氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反應速度常數為k=5.6[l/min.mol],要求最終轉化率為0.95，試求所需的反應時間。6、在平推流反應器中進行等溫一級反應，出口轉化率為0.90，現將該反應移到一個等體積的全混流反應器中進行，且操作條件不變，問出口轉化率是多少？7、在150℃等溫平推流反應器中進行一級不可逆反應，出口轉化率為0.60，現改用等體積的全混流反應器操作，料液流率及初濃度不變，要求轉化率達到0.70，問此時全混流反應器應在什么溫度下操作，已知反應活化能為83.68[kJ／mol]8、在全混流反應器中進行如下液相可逆反應：在120℃時，反應速率，反應器的體積為100mL，兩股進料流同時等流量進入反應器，一股含，另一股含，當的轉化率為80％時，每股料液流量為多少。9、液相自催化反應Ａ→Ｐ，反應速度，k=10-2[m3／kmol.s]，進料體積流率V0=0.002m3／s，進料濃度CA0＝2[kmol／m3]，CP0＝0，問當XA＝0.98時，下列各種情況下的反應器體積。(1)單個平推流反應器；(2)單個全混流反應器；(3)兩個等體積全混流反應器串聯。10、在全混流反應器中進行一級可逆反應，，已知該反應溫度下的平衡轉化率，反應器出口實際轉化率，問如何調節加料速率，可使反應轉化率達。11、在平推流反應器中進行氣相反應：A→3B，，反應器進口,含Ａ65％，其余為惰性組分(mol％)，反應是在550K和３kg/cm2下進行反應，已知進料中Ａ的流量為10mol／min，為使轉化率達80％，試求：⑴所需的空速為多少；⑵反應器的有效容積為多少？12、某氣相不可逆反應：A→B＋2C，在60℃，5atm下的平推流反應器內進行,原料氣中含75％的A和25％的惰性物料（mol％），物料的體積流量為,A和惰性物料的分子量分別為60和40，反應速度常數為，轉化率控制為75％，試求：⑴所需的空速為多少？⑵反應器的容積為多少？13、某氣相反應：，已知物料的體積流量,,轉化率，計算下列各情況的反應器的體積(純Ａ進料)：⑴單個平推流反應器；⑵單個全混流反應器；⑶兩個等體積全混流反應器串聯。14、在平推流反應器中，以乙烷氣體為原料進行裂解制乙烯：C2Ｈ6→C2Ｈ4＋Ｈ2；動力學方程式為：，反應溫度為900℃，壓力為1.4atm(絕壓)，反應速度常數k=16.45s-1，進料為乙烷與水的混合物，其配比乙烷:水＝1:0.5(體積)，乙烷進料速度為20噸／時，乙烷的轉化率為60％，設反應器在恒壓下進行，試計算反應時間和反應器的體積。第四章反應器中的混合及對反應的影響一、思考題1、停留時間分布函數的定義是什么？2、停留時間分布密度函數的定義是什么？它與停留時間分布函數有何關系？3、停留時間分布測定方法有哪些？得到的應答曲線是什么？4、平均停留時間與反應時間是否一致？5、方差的物理含義是什么？方差大小，是否影響平均停留時間？返混程度與平均停留時間及方差是否有關系？6、皮克萊準數（Pe）的物理含義是什么？它的倒數表明什么？7、實際反應器中的流動狀態是否可以同時用幾個數學模型進行描述？8、宏觀流體的平均轉化率和平均濃度怎樣計算？均相反應是否有宏觀流體？非均相反應是否有宏觀流體？二、計算題1、用脈沖法測得某反應器出口示蹤物的濃度如下：ｔ(s)0120240360480600720840960C(t)06.512.512.51052.510已知該反應器內進行一級不可逆反應，反應速度常數k＝3.24×10-3s-1，試用多級串聯全混流模型計算轉化率。2、有一理想的釜式攪拌器，已知反應器體積為100升，流量為10L/min，試估計離開反應器的物料中，停留時間分別為0～13、用脈沖法測得停留時間分布數據如下：t(s)04896144192240288336384432c(t)0000.15108400試計算平均停留時間，如在反應器中進行一級反應Ａ→Ｒ，k＝0.0075s-1，求平均轉化率。如分別采用CSTR和PFR，其平均停留時間相同，則反應結果分別為多少。4、用脈沖示綜法測得實驗反應器的停留時間分布關系如下表所示，t(s)123456810152030415267c(t)957819090867767473215731今有一液相反應A＋B→P，已知CA0<<CB0，若此反應在具有相同停留時間的平推流反應器中進行，轉化率可達99％，試計算(1)該反應器的平均停留時間及方差；(2)若實驗反應器以多釜串聯模型描述，可達到的轉化率為多少？5、用脈沖法測得逗留時間分布數據如下：t(min)01.5245.567.58.5101214.517.5E(t)00.3750.3320.2120.1680.1250.1080.0850.0620.0410.0200反應速度常數k＝0.307min-1,試求和實際反應器所能達到的平均轉化率XA。6、一個特殊設計的容器作為一級液相反應的反應器，為判斷反應器內的流動狀況與理想流動狀況的偏離情況，用脈沖法進行示綜試驗，在