化学反应工程-模拟题三及答案
一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应 A P ，已知反应速率为
r A kC A2，求：
（1）当CSTR 中的转化率为0.5 时，若将反应器改为同体积的PFR，反应条件不变，则转化率为多少？（9 分）
（2）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器体积增大10倍，反应条件保持不变，则转化率为多少？（9 分）
二、在一个等温活塞流反应器中，发生不可逆气相基元反应 A 2B 。反应物 A 和稀
释剂 C 以等摩尔比加入， A 的转化率为90%。如果 A 的摩尔进料流率减少一半，假设C的进料流率保持不变，那么 A 的转化率为多少？（18分）
、有如下平行反应：
P（主反应）
AB
S（副反应）
其动力学方程分别
r P k2C A0.5C B1.8，r S k1C A C B0.3，其中k1k21
为：
（1）当A和B的初始浓度为C A0 C B0 15mol / L ，均从反应器入口加入，计算
A 的转化率为0.5 时的瞬时选择性。（5 分）
（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？（10 分）
四、假设某实验室有一非理想化学反应器，请问如何对这个反应器进行分析，如
何求该反应器中反应物的转化率？（14 分）
五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应 A P ，催化剂的粒径为 2.4mm，气流主
体中 A 的浓度为1mol/m3，测得单位床层表观反应速率
（－r A）obs＝2.77×10-5 mol/（cm3.s），组分 A 在颗粒内有效扩散系数为
0.15cm2/s，外部传质系数为K G＝30cm/s。请问：
（1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5 分）（2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10 分）
六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据：
1）在什么条件下外扩散为控制步骤？（ 3 分）
2）在什么条件下内扩散为控制步骤？（ 3 分）
3）在什么条件下反应速率为控制步骤？（ 6 分）
4）分别求出第4组和第5组实验中的外扩散有效因子？（4分）
5）分别求出第6组和第8组实验中的内扩散有效因子？（4分）
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模拟考试卷
化学反应工程试卷 C （开卷）答案
、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应 A P ，已知反应速率为r A kC A2，
求：
（1）当 CSTR 中的转化率为 0.5 时，若将反应器改为同体积的 PFR ，反应条件 不变，则转化率为多少？（ 9 分）
（2）当 CSTR 中的转化率为 0.5时，若将反应器体积增大 10倍，反应条件保持 不变，则转化率为多少？（ 9 分）
解：对于液相二级反应， CSTR 反应器的体积 V
V 2
(1 X
X A1A1
)2 / (1 X
X A2A2
)2 0.1，解得X A2 0.8
二、在一个等温活塞流反应器中，发生不可逆气相基元反应 A 和稀释剂 C 以等摩尔比加入， A 的转化率为 90%。如果 A 的摩尔进
料流率减少 一半，假设 C 的进料流率保持不变，那么 A 的转化率为多少？（ 18分）
F A0X A
，
2 2
，
kC 2
A0 (1 X A )2
PFR 反应器的体积 V
F A0X A
2
kC A 2
0(1 X A )
1）当 CSTR 中的转化率为 0.5 时，可推导出 V F A0
kC A 2
0 (1
0.5 2
2
2
0.5)2
F A0 kC A0
F A0 X A 对同体积的 PFR ：2 kC A
2A 00
kC 2A0
A (10 A
X 'A
) ，求得X A '
0.667
2）由 于反 应条 件不变， 两个 反应 器的 F A0 、 C A0 和 k 相 同， 所以
V 1 2B 。反应物 A 解：对于不可逆气相基元反应 2B ，膨胀因子 ＝2-1＝1
对于一级反应， V kC
A0A0
（1
)ln
1 x
1x
第一种情况
下： 因为 F A0 F C0
，所以 y A0 0.5 y A0 1*0.5 0.5
y A0P T
RT
第二种情况
下：
C A0
0.5
R P T T
因为 F '
A0
0.5F A0 ， F C0
F C 0
F A0 所以 y 'A0
0.33
y A0
0.33*1 0.33
C'A0y A0P T 0.33P T
RT RT
F'C'2
所A0 0.5 ，A0
F A0C
A03
V FA0(1)ln 11x（1）
kC A01x
代入已知量，整理得到：VkCA03.0
F A0
F A0 1 ' '
V'
A0(1')ln'x（2）
kC A0 1 x'
把式（1
）/式
（2
），
整理得：
(1')ln1'x'4
1x
代入'，试差得：X'＝0.95
可见当 A 的摩尔进料流率减少一半，而 C 的进料流率保持不变， A 的转化率为95％。
、有如下平行反应：
P（主反应）
AB
S（副反应）
其动力学方程分别为：r P k2C A C B ，r S k1C A C B ，其中k1 k2 1
（1）当A和B的初始浓度为C A0 C B0 15mol / L ，均从反应器入口加入，计算
A 的转化率为0.5 时的瞬时选择性。（5 分）
（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？（10 分）
解：根据瞬时选择性的定义：S rP k1
C
A
.5 1
C
1
B
.8 0.3
CA
0.5
C
1
B
.5
r S k2
（1）由于 A 和 B 的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程中C A＝C B，所以瞬时选择性S C A
当A 的转化率为0.5，C A＝C A0（1-0.5）＝7.5mol/l，S＝C A ＝7.5；
（2）由于S C A0.5C1B.5，所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使A
的浓度尽可能低，而 B 的浓度尽可能高，为此可以采用以下方法：·用管式反应器，
连续将 A 注入反应器
·用一系列的CSTR反应器串联，在第一个反应器中注入B，在每一个反应器
中注入A，这样进入下一个反应器之前 A 基本反应完。
四、假设某实验室有一非理想化学反应器，请问如何对这个反应器进行分析，如何求该反应器中反应物的转化率？（14 分）答：（1）首先，采用注入示踪剂的方法测定该反应器的停留时间分布，可采用脉冲法或阶跃法；
（2）然后对停留时间分布情况进行分析，求出其停留时间分布函数E（t）、平均停留时间和方差；
（3）根据所求得的平均停留时间和方差，选择适当的非理想反应模型（如：离散模型、多釜串连模型和轴向扩散模型）求解反应器中反应物的转化率。
五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应 A P ，催化剂的粒径为 2.4mm，气流主体中 A 的浓度为1mol/m3，测得单位床层表观反应速率（－r A）obs＝2.77×10-5 mol/（cm3.s），组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm2/s，外部传质系数为K G＝
30cm/s。请问：
（1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5 分）
（2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10 分）
解：（1）由Mears 判据得：
( r A)obs Rn
k G C AG 5 3 1
2.77 10 5(mol /(cm
3.s)) 0.24(cm) 1
6 2 3 0.1108 0.15
30(cm / s) 1 10 6(mol/cm3)
可见外扩散无影响
2）由Weisz-Prater判据得：
可见内扩散有影响。可通过减小催化剂直径来消除内扩散的影响
六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据：
（1）在什么条件下外扩散为控制步骤？（ 3 分）
（2）在什么条件下内扩散为控制步骤？（ 3 分）
（3）在什么条件下反应速率为控制步骤？（ 6 分）
（4）分别求出第4组和第5组实验中的外扩散有效因子？（4分）
（5）分别求出第6组和第8组实验中的内扩散有效因子？（4分）解：（1）在T＝350K，N<900，dp=1.8，外扩散为控制步骤。
（2）在T＝350K，N＝1100，dp>0.4，内扩散为控制步骤。
（3）在T＝350K，N＝1100，dp<0.4，反应速率为控制步骤；
在T＝300K，N>600，dp<1.8，反应速率为控制步骤。
外扩散有影响时的反应速率外扩散无影响时的
反应速率
第（4）组实验中，x＝0.4＝0.67
0.6
第（5）组实验中，x＝0.6＝1
0.6
5）由定义可知：内扩散有效因子，催化剂颗粒的实际反应速率内扩散无影响时的反应速率
C WP 2 r A obsR
D e C As
5 3 1 2
2.77 10 5(mol /(cm
3.s)) ( 0.24(cm))2
0.15(cm2/ s) 1 10 6(mol /cm3)
2.6592 1
4）由定义可知：外扩散有效因子，