反应工程复习4
4 管式反应器
4.1 理想流动模型
1 活塞流模型
基本假设：1）径向流速分布均匀，即所有流体粒子均以相同速度从进口向出口运动，就像一个活塞一样有序地向前移动，故称之为活塞流；2）假定在垂直于流体流动方向的任何横截面上，浓度均匀，温度均匀，即径向混合均匀；3）假设在流体流动方向即轴向上不存在流体的混合，这种混合叫做轴向混合，又称逆向混合，或简称返混。
特点：反应时间相同、停留时间相同、空时相同（等容反应）
2 全混流模型
无论是径向混合还是轴向混合都达到最大，整个反应器内反应物料的浓度、温度均一。这种流动模型叫做完全混合流动模型，简称全混流模型。
3 两者根本区别
活塞流无返混存在，全混流返混程度达到最大，以致反应物料间不存在浓度差，也不存在温度差。
4.2 等温管式反应器设计
设计方程： 1 单一反应
注意：该式与间歇反应器的区别，等容情况下，管式反应器达到一定的转化率所需的空时，与相同温度下间歇釜式反应器达到相同的转化率所需的时间相等。对于定态操作的活塞流反应器，反应物系的浓度系随轴向距离而变，与时间无关，间歇釜式反应器反应物系的浓度则随时间而变，与位置无关。
2 拟均相模型
拟均相模型假定：在气固相催化反应中,若忽略传递的阻力(即忽略传质和传热造成的影响), 则在动力学的表征上与均相一致。
管式反应器中进行气固相催化反应，若符合拟均相假设，则上面的式子仍可用。此时反应体积V R 指催化剂的堆体积,，反应速度常常使用单位催化剂重量作为基准。
R
i i dV dF ?=?-?==A f A x x A
A A R dx C Q V 0)(00τ
4.3 管式与釜式反应器体积的比较
1 单一反应
在原料处理量及组成、反应温度以及最终转化率均相同的情况下，比较管式与釜式反应器所需的反应体积。
1） 动力学特征1：反应速率随转化率单调下降过程，n>0（正常动力学） 管式->最小，单釜->最大，串联釜数N 增加，V R 降低。
2） 动力学特征2：反应速率随转化率单调上升过程，n<0（反常动力学） 单釜->最小，管式 ->最大，串联釜数N 增加，V R 升高。
3） 动力学特征3：反应速率随转化率变化存在极大值，自催化反应
若最终转化率小于与最大反应速率相对应的转化率XAm ，管式体积可能大于也可能小于单釜
2 复杂反应
对复杂反应，主要是产物分布比较，即达到相同的转化率下，目的产物的最终收率大。如果要求反应物的浓度低，以获得高的选择性，显然，对于此种情况釜式反应器优于管式。若要求反应物浓度高，则管式要好于釜式。
4.4 循环反应器
设循环物料量Qr 与新鲜原料量Q 0之比为ψ，则Qr=ψQ 0，ψ称为循环比。
设计方程： 说明：1）当ψ→0时，即为未循环时管式反应器；
2）当ψ→∞时时，X A0→X Af ,相当于在恒定的转化率下操作的釜式
反应器；
3) 对动力学特征3的反应过程，选用合适的循环比下进行操作，反
应体积也是较小的。
4.5 变温管式反应器
??+=
10Af A x x ?+-?+=A f
A f
x x A A A R dx C Q V ???100)
()1(
工业生产中反应器大多数是变温操作，因为：
1) 等温操作比较困难；
2) 对可逆放热反应, 存在最佳温度分布
3) 对复杂反应, 改变温度来改变产物分布
1 管式反应器的热量衡算式
单一反应 2 绝热反应器
说明：1）上述绝热方程式可适用于各类反应器，但在本质上仍然有区别。用于管式反应器时，它反映了不同的轴向位置上温度与转化率的关系。用于间歇式反应器时则反映不同时间下反应物料的转化率与温度的关系。而连续釜式反应器无论是否与环境进行热交换，均为等温操作。
2）绝热条件下进行可逆放热反应，存在着一最佳的进料温度，它与转化率有关，可使所需的反应体积最小。
4.6 管式反应器的最佳温度序列
正确选择操作温度是管式反应器设计的重要内容：
1）对单一反应，依据生产强度最大来确定；
2）对复合反应，依据目的产物的收率最大确定。
1 单一反应
不可逆反应和可逆吸热反应：温度越高，反应速率越快，高温有利。 实际操作温度受材料、能源、催化剂等因素影响
可逆放热反应：存在最佳温度，使反应速率越快。
最佳温度随转化率改变，若管式反应器的温度分布能和最佳的温度序列相同，总反应速率最大。
2 复合反应
1）平行反应
0h ()()
A A R A Gw dx A dT pt R T C dZ M dZ S GC H U T T =-?--A x T T λ+=0A pt A R T R M C w H 0)(?-=λ21E Q
B A E P B A →+→+21E E <
目标P 产量最大：前期低温，后期高温；
目标P 收率最高：选用低温下反应；
实际：综合各种因素，原料和产品的价格，设备的造价，操作的费用等。
2） 串联反应 目标产物P 的收率最大：
存在最佳反应时间，控制一个合适的空时十分必要，对等温过程，若从P 收率最大的优化，不存在最佳操作温度，当E1 对非等温操作，合理的操作温度序列可提高产物的收率，当E1 Q P A →→ 化学反应工程考试总结 一、填空题： 1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指质 量传递、热量传递和动量传递，“一反”是指反应动力学。 2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升 高有利于活化能高的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。 3.测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输 入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。 4.在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的 两种最主要的方法为积分法和微分法。 5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ，轴 向扩散模型的唯一模型参数为Pe（或Ez / uL）。 6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳 定性。 7.平推流反应器的E函数表达式为 , () 0, t t E t t t ?∞= ? =? ≠ ?? ，其无 因次方差2θσ= 0 ，而全混流反应器的无因次方差2θσ＝ 1 。 8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol hr )，该反应为 2 级 反应。 9.对于反应22 A B R +→，各物质反应速率之间的关系为 (-r A)：(-r B)：r R＝ 1：2：2 。 10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产 物是中间产物的串联反应。 →+，则其反应速率表达式不能确11.某反应的计量方程为A R S 定。 12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67℃时转化 50％需要30 min, 而在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46×105 (J / mol ) 。 13.反应级数不可能（可能/不可能）大于3。 14.对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应 器时主要考虑反应器的大小；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率； 15.完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度均一， 并且等于（大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。 二.单项选择 10.(2) B 1、气相反应CO + 3H2CH4 + H2O进料时无惰性气体，CO与2H以1∶2 δ=__A_。 摩尔比进料，则膨胀因子CO A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S P在间歇式反应器中，则目的产物P C___A____。 的最大浓度= max ,P 一、填空题（本大题共14小题，每空1分，共20分） 请在每小题的空格上，填入正确的答案 1.固体催化剂的主要组成有主催化剂（活性成份），___助催化剂_和____载体____。 2.化学反应过程按操作方法分为__连续操作、分批式操作(或间隙操作)、半分批式（半间隙）操作。 3.均相反应是指 参与反应的物质均处于同一相 。 4.关键反应组分K 的转化率的定义式为0 0k k k k n n n x -=(或用相应的文字表述)_。 5.生成目的产物的反应称为____主反应 _，其它的均称为____副反应__。 6.平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主E ＞ 副E ，选择性S p 与浓度无关，仅是__温度_ 的函数。 7.链反应的三个阶段为链的引发、_链增长 、链终长。 8.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_内扩散__和__外扩散_的影响。 9.对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当孔径较大时，扩散阻力是由分子间碰撞所致，这种扩散通常称为__分子扩散（或容积扩散）_。 10. 实际反应器中停留时间分布密度E(t)的方差2 θσ为_____0~1___。 11.具有良好搅拌装置的釜式反应器按___理想混合(或全混流)___反应器处理。 12.对于恒容的平推流管式反应器___平均停留时间(或-t ) 、__空时(或τ)_、反应时间一致。 13.对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选用___全混流(或完全混合）_反应器为宜。 14.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_ 微观流体_。 1.工业催化剂所必备的三个主要条件是：__活性好__、___选择性高___、寿命长。 2. 平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主 E ＞副E ，提高选择性P S 应____提高温度____。 实验十四 连续流动反应器中的返混测定 4学时 A 实验目的 本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的措施。本实验目的为 (1) 掌握停留时间分布的测定方法。 (2) 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系。 (3) 了解模型参数n 的物理意义及计算方法。 B 实验原理 在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一 一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。 物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数f ()t 和停留时间分布函数F ()t 。停留时间分布密度函数f ()t 的物理意义是：同时进入的N 个流体粒子中，停留时间介于t 到t+dt 间的流体粒子所占的分率N dN 为f ()t dt 。停留时间分布函数F ()t 的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t 的物料的分率。 停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q 的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。 由停留时间分布密度函数的物理含义，可知 ()()Q dt t C V dt t f ?= (1) ()?∞ =0 dt t VC Q (2) 所以 ()() ()() ()dt t C t C dt t VC t VC t f ??∞ ∞ = = (3) 由此可见()t f 与示踪剂浓度()t C 成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料， 反应工程考试复习题 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 一、填空题（本大题共14小题，每空1分，共20分） 请在每小题的空格上，填入正确的答案 1.固体催化剂的主要组成有主催化剂（活性成份），___助催化剂_和____载体____。 2.化学反应过程按操作方法分为__连续操作、分批式操作(或间隙操作)、半分批式（半间隙）操作。 3.均相反应是指 参与反应的物质均处于同一相 。 4.关键反应组分K 的转化率的定义式为0 0k k k k n n n x -=(或用相应的文字表述)_。 5.生成目的产物的反应称为____主反应 _，其它的均称为____副反应__。 6.平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与浓度无关，仅是__温度_ 的函数。 7.链反应的三个阶段为链的引发、_链增长 、链终长。 8.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_内扩散__和__外扩散_的影响。 9.对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当孔径较大时，扩散阻力是由分子间碰撞所致，这种扩散通常称为__分子扩散（或容积扩散）_。 10. 实际反应器中停留时间分布密度E(t)的方差2θσ为_____0~1___。 11.具有良好搅拌装置的釜式反应器按___理想混合(或全混流)___反应器处理。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 12.对于恒容的平推流管式反应器___平均停留时间(或- t ) 、__空时(或τ)_、反应时间一致。 13.对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选用___全混流(或完全混合）_反应器为宜。 14.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_ 微观流体_。 1.工业催化剂所必备的三个主要条件是：__活性好__、___选择性高___、寿命长。 2. 平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应____提高温度____。 3．已知反应S P B A +→+，A 的转化率的定义式为___0 0A A A A n n n x -= _________。 4.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是__多 _分子层的，而化学吸附是__单_分子层的。 5.固体催化剂的比表面积的经典测定方法是基于____BET _______方程。 6.流动循环（无梯度）式反应器是指消除____温度梯度 ______、__浓度梯度________的存在，使实验的准确性提高。 7.对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约___ 0.1μm______时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素。 8.全混流反应器的空时τ是___反应器的有效容积__与___进料流体的容积流速____之比。 一、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 ) 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) 2.四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2θσ为( B ) A ． 1.0 B. 0.25 C ．0.50 D ．0 3．对一平行—连串反应R A Q P A ?→??→??→?) 3()2()1(，P 为目的产物，若活化能次序为：E 2 化学反应工程是建立在生产和科学实验基础上的一门学科，它不仅有完整的理论体系，而且具有一些独特的实验研究方法。化学反应工程实验应达到如下教学目的： 加深对化学反应工程专业知识的理解与运用，学习并掌握各种仪器设备的安装、使用，熟悉化学反应工程中所学的原理，熟练掌握反应停留时间的测定和各种反应器的校正、使用。 连续流动反应器中的返混测定 通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度 掌握停留时间分布的测定方法；了解停留时间分布与多釜串联模型的关系；了解模型参数N的物理意义及计算方法。 反应精馏制备技术 设计反应精馏实验装置，将分离过程、传热过程与化学反应在精馏塔内有机耦合了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程；掌握反应精馏的操作；能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析；了解反应精馏与常规精馏的区别；学会分析塔内物料组成的方法。培养学生的开放性思维和动手能力。 反应精馏法是将化学反应过程与精馏分离过程同时进行生产产品的操作。由于物理过程与化学过程同时存在，使过程更加复杂。 在实验教学过程中注重激发学生的学习热情和兴趣，采用引导、启发、讨论、讲授多种方式结合的方法，理论与科研的成果和需要结合。 在讲课中检查学生是否预习实验讲义，在实验过程中考察他们的动手能力和解决问题能力，要求他们认真记录和处理数据，完成实验报告并对实验现象进行讨论，对他们进行综合考核和评分。以平时成绩为主。 视实验条件成熟与否，部分实验采用上机模拟或改用仿真实验系统进行。以达到实验教学要求为目标，拓宽学生的认识，提高学生解决工程问题的能力，适应规模日益扩大且过程日益复杂的现代化工系统对计算机模拟和优化的需求在连续流动反应器中进行化学反应时，反应进行的程度除了与反应系统本身的性质有关外，还与反应物料在反应器中停留时间长短有密切关系。停留时间越长，则反应越完全。停留时间通常是指从流体进入反应器开始，到其离开反应器为止的这一段时间。显然对流动反应器而言，停留时间不象间歇反应器那样是同一个值，而是存在一个停留时间分布。造成这一现象的主要原因是流体在反应器内流速分布的不均匀，流体的扩散，以及反应器内的死区等。停留时间分布的测定不仅广泛应用于化学反应工程及化工分离过程，而且应用于涉及流动过程的其它领域。它也是反应器设计和实际操作所必不可少的理论依据。 化学反应工程复习总结https://www.wendangku.net/doc/4a6658694.html,work Information Technology Company.2020YEAR 一、 绪论 1． 研究对象是工业反应过程或工业反应器 研究目的是实现工业反应过程的优化 2． 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3． 优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 4． 工程思维方法 二、化学反应动力学 1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应 基本特征、分析判断 2. 化学反应速率的工程表示 ) )((反应区反应时间反应量 反应速率＝ 3. 工业反应动力学规律可表示为： )()(T f C f r T i C i ?= a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。 b) 温度效应——E 工程意义是：反应速率对温度变化的敏感程度。 已知两个温度下的反应速率常数k ，可以按下式计算活化能E ： E ——cal/mol ，j/mol T ——K R = 1.987cal/mol.K = 8.314 j/mol.K 三、PFR 与CSTR 基本方程 1. 理想间歇：??-=--==Af A Af A x x A A A c c A A R r dx c r dc v V t 00) ()(00 反应结果r ， 工程问题 2. 理想PFR ： ??-=--==Af A Af A x x A A A c c A A R p r dx c r dc v V 00) ()(00τ 3. CSTR ： ) ()(00A A A A A A R p r x c r c c v V -= --== τ 4. 图解法 四、简单反应的计算 n=1,0,2级反应特征 0(1)A A A c c x =- 浓度、转化率、反应时间关系式 PFR →CSTR ，CSTR ←PFR 基本关系式 PFR （间歇） CSTR 00 ()Af A c R A p c A V dc v r τ ==--? 0() A A R m A c c V v r τ-= =- n=0 0A A p c x k τ= 0A A p c x k τ= n=1 1 ln 1p A k x τ=- 0A A m A c c kc τ-= x x τ/c A0 τ 4?从反应器停留时间分布测定中 ，求得无因次方差「二 _ 0.98 ，反应器可视为 XXX 大学 化学反应工程 试题B （开）卷 （答案）2011 — 2012学年第一学 期 一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1.反应器中等温进行着 A T P （1）和A T 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 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 一为（） 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 A . 1.0 B. 0.25 C . 0.50 A （1） > A ⑶ > D . 0 P —-(2)， Q 3. 对一平行一连串反应 为了目的产物的收率最大， A .先高后低 B.先低后高 C .高温操作 4. 两个等体积的全混流反应器进行串联操作， 与第二釜的反应速率-広2之间的关系为（ A . -r Ai > -r A2 B . -r Ai 则最佳操作温度序列为（ ,P 为目的产物，若活化能次序为：E 2 化学反应过程 简答填空名词解释 1.任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料预处理，化学反应过程和产物的后处理三个 组成部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。 2.工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：1，由物料的不均匀混合和停留时间 不同引起的传质过程；2，由化学反应的热效应产生的传热过程；3，多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。 3.化学反应和反应器的分类：1.按反应系统设计的相态分类分为：○1均相反应，包括气相均相 反应和液相均相反应；○2非均相反应，包括气-固相、气-液相、液-固相、气-液-固相反应。 2.按操作方式分类分为：间歇操作，连续操作和半连续操作。 3.按反应器型式来分类分为： 管式反应器，槽式反应器和塔式反应器。4.按传热条件分为：等温反应器，绝热反应器和非等温绝热反应器。化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。 4.反应速率：单位反应体系内反应程度随时间的变化率。 5.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。 6.半衰期：反应转化率从0变成50%所需时间称为该反应的半衰期。 7.建立动力学方程的方法有：积分法、微分法、最小方差分析法。 8.反应器开发的三个任务：○1根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器型式；○2结合动力 学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件；○3根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。 9.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热量衡算方程式。 10.停留时间分布：在反应器中，由于流动状况不同，物料微元体在反应器中的停留时间可能是 各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布 11.平均停留时间：各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。 12.充分混合：指反应器内的物料在机械搅拌的作用下参数各处均一。 13.间歇反应器特性：○1由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各未知的物料温度、浓度都 相同；○2由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物理在反应器中停留时间相同，无返混现象；○3出料组成与反应器内物理的最终组成相同；○4为间歇操作，有辅助生产时间。 14.平推流反应器：指通过反应器的物料沿着同意方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应 器中向前平推。 15.理想置换反应器的特性：○1物料无返混，所有物料通过反应器时间相同。○2在垂直于流动方 向上的同一截面，不同径向未知的流体特性是一致的。○3在定常态下操作，反应器内的状态只随轴向位置改变，不随时间改变。 16.全混流反应器特性：○1物料在反应器内充分返混；○2反应器内各处物料参数均一；○3反应器 的出口组成与内物料组成相同；○4反应过程中连续进料与出料，是一定常态过程。 17.循环反应器的基本假设：反应器内为理想活塞流动；管线内不发生化学反应;整个体系处于 定常态操作。 18.PFR和CSTR的选择：转化率低的自催化反应，CSTR优于PFR；转化率高的PFR较适宜。 19.可逆反应速率总是随转化率升高而降低。可逆吸热反应速率总是随温度升高而加快，而可逆 放热反应按最佳温度曲线操作时速率最大。 20.平行反应：反应物能同时进行两个或两个以上的反应。称之为平行反映 21.连串反应：指反应产物能进一步反应成其他副产物的过程。 22.连串反应中，为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2比值增加，使c A度增加，c P浓度 实验3 连续流动反应器中的返混性能测定 一、实验目的 1. 掌握停留时间分布的测定方法。 2. 了解脉冲法示踪剂测定反应器内示踪剂浓度随时间的变化关系。 3. 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系及模型参数的计算方法。 二、实验原理 在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。在反应器设计、放大和操作时，需要知道反应器内返混程度的大小，返混程度一般很难直接测定，通常采用示踪剂停留时间分布测定来研究。经研究发现相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，但返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。 停留时间分布的测定有脉冲法和阶跃法等，常用的是脉冲法，当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪剂浓度的变化。 000 ()()()()()()()()()()t dF t F t E t E t dt t dtmKCl dt c t Qc t dt mE t dtE t m Qc t dt Qc t dt ∞∞==+===???停留时间分布可用分布函数()F t 和停留时间分布密度函数()E t 来表示，两者的关系为： 0()()t F t E t dt =? ()()dF t E t dt = 停留时间分布密度函数()E t 的物理意义是：同时进入的流体粒子中，停留时间介于t 到t dt +之间的流体粒子所占的分率为()E t dt 。停留时间分布函数()F t 的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t 的物料所占的分率为()F t 。 当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量m 的示踪剂，并开始在出口流体中检测示踪剂的浓度变化。 那么， ()()Q c t d t m E t d t = ()()Qc t E t m = ()m Qc t dt ∞=? 0() ()()c t E t Qc t dt ∞=? 可见()E t 与示踪剂的浓度()c t 成正比。本实验中用水作为连续流体，饱和KCl 作为示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定的范围内，KCl 浓度与电导值成正比，可用电导值来表达示踪剂的停留时间变化关系。 三、实验装置与试剂 《化学反应工程》试题 XXX大学化学反应工程试题B（开）卷 （答案）2011—2012学年第一学期 一、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 ) 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) 2.四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( B ) A． 1.0 B. 0.25 C．0.50 D．0 3．对一平行—连串反应，P为目的产物，若活化能次序为：E2 专业资料 一、填空题（本大题共14小题，每空1分，共20分） 请在每小题的空格上，填入正确的答案 1.固体催化剂的主要组成有主催化剂（活性成份），___助催化剂_和____载体____。 2.化学反应过程按操作法分为__连续操作、分批式操作(或间隙操作)、半分批式（半间隙） 操作。 3.均相反应是指 参与反应的物质均处于同一相 。 4.关键反应组分K 的转化率的定义式为0 0k k k k n n n x -=(或用相应的文字表述)_。 5.生成目的产物的反应称为____主反应 _，其它的均称为____副反应__。 6.平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主E ＞ 副E ，选择性S p 与浓度无关，仅是__温度_ 的函数。 7.链反应的三个阶段为链的引发、_链增长 、链终长。 8.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_扩散__和__外扩散_的 影响。 9.对于多性的催化剂，分子扩散很复杂，当径较大时，扩散阻力是由分子间碰撞所致，这 种扩散通常称为__分子扩散（或容积扩散）_。 10. 实际反应器中停留时间分布密度E(t)的差2θσ为_____0~1___。 11.具有良好搅拌装置的釜式反应器按___理想混合(或全混流)___反应器处理。 12.对于恒容的平推流管式反应器___平均停留时间(或-t ) 、__空时(或τ)_、反应时间一致。 13.对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选用___全混流(或完全混合）_反 应器为宜。 14.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_ 微观流体_。 1.工业催化剂所必备的三个主要条件是：__活性好__、___选择性高___、寿命长。 2. 平行反应P A →(主反应)；S A →(副反应)，主副反应均为一级不可逆反应，若主E ＞ 副E ，提高选择性P S 应____提高温度____。 连续均相管式循环反应器中的返混实验 一、实验目的 在工业生产上，对某些反应为了控制反应物的合适浓度，以便控制温度，转化率和收率，同时需使物料在反应器内有足够的停留时间，并具有一定的线速度，而将反应物的一部分返回到反应器的进口，使其与新鲜的物料混合再进入反应器进行反应，对于这种反应器循环比与返混之间的关系就需通过实验来测定，此研究是很有现实意义的。 本实验通过用管式循环反应器来研究不同循环比下的返混程度。掌握用脉冲法测停留时间分布的方法。改变不同的条件观察分析管式循环反应器中流动特征，并用多釜串联模型计算参数N 。 二、实验原理 在实际连续操作的反应器内由于各种原则，反应器内流体偏离理想流动而造成不同程度的逆向混合，称为返混。通常利用停留时间分布的测定方法来研究反应器内返混程度，但这两者不是完全对应的关系，即相同的停留时间分布可以由不同的流动情况而造成，因此不能把停留时间分布直接用于描述反应器内的流动状况。而必须借助于较切实际的流动模型，然后由停留时间分布的测定求取数学期望，方差，最后求取模型中的参数。 停留时间分布的表示方法有二种，一种称为分布函数，()F t =。 其定义是： ()1 0E F t dt =? 即流过系统的物料中停留时间小于t 的（或说成停留时间介于0—t 之间的）物料的百分率。 另一种称为分布密度E()t 。其定义即在同时进入的N 个流体粒子中其中停留时间介于t t dt +和间的流体粒子所占的分率/dN N 为E()t dt 。 E()()t F t 和之间关系 ()E()dF t t dt = 停留时间分布的测定方法是多种多样的。其中脉冲法最为简单。即当被测定的系统达到稳定后，在系统入口处瞬时注入，定量的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪物的浓度变化。（本实验用电导仪来检测示踪物的浓度变化，因浓度与电导成正比关系，示踪剂为强电解质）。所以可得停留时间分布密度E()t 的关系，可求得平均停留时间τ 和停留时间分布的离散度2 t σ E()E()t t t t t τ?=?∑∑ 222E()E()t t t t t t σ τ?=-?∑∑ 同样，无因次方差为：2212θσστ =，以N 表示虚拟釜数，则21N θσ=，可以求取模型参数N 。 2.14在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应：试推导异丙苯分解的速率方程 解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其它两步达到平衡，描述如下： 以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程： 由于将代入上式得： ，整理得： 将代入速率方程中 其中 2.16设有反应，其反应步骤表示如下： （1）（2）（3） 若（1）速率控制步骤，试推导其动力学方程。 解：先写出各步的速率式： 由于（1）是速率控制步骤，第（2）步是不可逆反应，其反应速率应等于（1） 的吸附速率，故有：整理得： 根据定态近似原则 因为 将 代入上式，化简后得： 最后将 代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式。 65326636(）?+C H CH CH C H C H θσσ θθθ+?= =A V A A A A V A p A A K K p σσθθ?+=- A A R B A B R r k kp θσσ θθθ?+= =B V B B B B V B p B B K K p θθ=- A A R B r k kp 1θθθ++=A B V ,θθA B 1θθθ++=A A V B B V V K p K p 1 1θ= ++V A A B B K p K p ,,θθθA B V ()/111-=-= ++++++ A A R B B A B R P A A A B B A A B B A A B B kK p kp K p k p p p K r K p K p K p K p K p K p /== A P A B k kK K kK kK →+A B D σσ+?A A σσ→+A B D σσ?+B B 123(1)(2)(3)σσθθσσθσσθθ+?=-→+=?+=-aA A V dA A S A dB B aB A V A A r k p k A B D r k B B r k k p θθθ-=aA A V dA A S A k p k k θθ=+aA A V A S dA k p k k 0()( )/θθθθθθθθθθ=-+==+=++=++B S A dB B aA A V S aA A dB B S A aA A V aB B V S aA S aA A B aB B V dB S aA d k k k p dt k k p k k k p k p k k k k p k p k k k 1θθθ++=A B V ,θθA B 1 1θ= + ++V aA A B B S dA k p K p k k ,θθA V 1()1-+= = +++++ ++aA A aA A dA S dA S aA A aA A S dA aA A S dA B B B B S dA k p k p k k k k k p r k p k k k p k k K p K p k k 化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应 CO + 3H 2 CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔比进料， 则膨胀因子CO δ=__A_。 A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S K 1 K 2 P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=m ax ,P C ___A____。 A. 1 22 )(210K K K A K K C - B. 2 2/1120 ]1)/[(+K K C A C. 122 )(120K K K A K K C - D. 2 2/1210]1)/[(+K K C A 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 P S =__C_。 A. A A P P n n n n --00 B. 0 A P P n n n - C. 0 0S S P P n n n n -- D. 0 0R R P P n n n n -- 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 5 、对于单一反应组分的平行反应A P(主) S(副)，其瞬间收率P ?随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为 ____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 7 、一级不可逆液相反应 A 2R ，3 0/30.2m kmol C A =， 出口转化率 7.0=A x ，每批操作时间 h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3 m 。 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 ， s l mol C r A A ?=-/01.0，当l mol C A /10=时，求反应至 l mol C A /01.0=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 = opt τ_____D__。 A. 1 212) /ln(K K K K - B. 1 221)/ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 2 11K K 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项____B___。 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？ 答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。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。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。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只比，所以三者相等。 2、简述非理想流动向扩散模型的特点 答：①在管内径向截面上流体具有均一的流速。②在流动方向上流体存在扩散过程，该过程类似于分子扩散，符合Fick定律。③轴向混合系数在管内为定值。④径向不存在扩散。⑤管内不存在死区或短路流 3、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？ 答：阶跃示踪发是对于定是常态的连续流动系统，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 A0的流体，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。对应的曲线为F（t），F(t)=C t /C 0。 4、简述脉冲示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？ 答：脉冲示踪法是对于常态的连续流动系统，在某瞬间t=0将流入体系的流体切换为含有示踪剂A且浓度为C A0的流体，同时保持体系内流动模式不变，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。对应的曲线为F(t)，F（t）= C A /C A0 5、气-固相催化反应的动力学步骤？ 答：①反应物从气流主题向催化剂的外表面和内孔扩散。②反应物在催化剂表面上吸附。 ③吸附的反应物转化成反应的生成物。④反应生成物从催化剂表面上脱附下来。⑤脱附下来的生成物向催化剂外表面、气流主体中扩散。 6、简述双膜理论 答：该模型设想在气-液两相流的相界面处存在着呈滞留状态的气膜和液膜，而把气液两相阻力集中在这两个流体膜内，而假定气相主体和液相主题内组成均一，不存在传质阻力。组分是通过在气膜和液膜内稳定的分子扩散过程来进行传质的，通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间的溶于液体且达到平衡。因此，把复杂的相间传质过程模拟成串联的稳定的双模分子扩散过程的叠加，相间传质总阻力等于传质阻力的加和。 7、简述固定床反应器的优缺点？ 答：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③容积来获得较大的生产能力④固定床中传热较差⑤催化剂的更换必须停产进行 8、简述理想反应器的种类及其特点？ 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，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。 9、气固催化测定本征动力学的基本要求，及其原因和采取的措施？ 答：测定气固催化本征动力学时，必须消除内、外扩散的影响，使过程属于动力学控制。 原因：仅在这种情况下的宏观动力学与本征动力学相同。措施：增大外扩散传质系数（增强对流）及催化剂颗粒的外表面积；减小催化剂颗粒体积。 10、简述建立非理想流动的流动模型的步骤？ 答：通过冷态模型实验测定实验装置的停留时间分布；根据所得的有关E（t）或F(t)的结果通过合理的简化提出可能的流动模型，并根据停留时间分布的实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数；结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结果;通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性。 11、简述脉冲示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线？ 答：脉冲示踪法是在定常态操作的连续流动系统的入口处在t=0的瞬间输入一定量M克的示踪剂A，并同时在出口处记录出口物料中示踪剂的浓度随时间的变化。对应的曲线E(t)，E(t)=C t V/M 12、简述气-液反应的宏观过程：A（g）+bB（l）→产物（l）？ 答：①反应物气相组分从气相主体传递到液相界面，在界面上假定达到气液相平衡；②反应物气相组成A从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应；③液相内的反应产物想浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散 ④气相产物向气相主题扩散 13、简述气固相催化反应固定床反应器非均相模型和拟均相一维模型的特点？ 答：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。非均相模型考虑了粒子与流体间温度与浓度的差别。拟均相一维模型是忽略床层中粒子与流体的温度与浓度的差别，考虑在流体流动的方向（轴向）上有温度和浓度的变化，而在与流向垂直的截面上（径向）则是等温和等浓度的。 14、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。15、停留时间分布函数F(t)的含义？ 答：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体，在出口流体中停留时间小于化学反应工程试题集及复习题
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