一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应P A →，已知反应速率为2A A kC r =-，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）三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：8.15.02B A P C C k r =，3.01B A S C C k r =，其中121==k k ，（1）当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /1500==，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P A →，催化剂的粒径为 2.4mm ，气流主体中A 的浓度为1mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝2.77×10-5 mol/(cm 3.s)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm 2/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：BA +)(P 主反应)(S 副反应（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）中国石油大学（北京）远程教育学院模 拟 考 试 卷化学反应工程 试卷C (开卷)答案一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应P A →，已知反应速率为2A A kC r =-，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 2200)1(A A AA X kC X F V -=， PFR 反应器的体积)1(200AA AA X kC X F V -=（1）当CSTR 中的转化率为0.5时，可推导出222002)5.01(5.0A A A A kC F kC F V ⨯=-⨯⨯=对同体积的PFR ：)1(2'20'0200A A A A A A X kC X F kC F -=⨯，求得667.0'=A X （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1.0)1(/)1(22221121=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=A A A A X X X X V V ，解得8.02=A X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） 解：对于不可逆气相基元反应A 2B →，膨胀因子δ＝2-1＝1 对于一级反应，A0A0F 1V (1)ln x kC 1x ⎡⎤=+ε-ε⎢⎥-⎣⎦第一种情况下：因为00A C F F =，所以00.5A y =01*0.50.5===A y εδ000.5A T T A y P PC RT RT== 第二种情况下： 因为0'00.5A A F F =，0'00C C A F F F ==所以0'0.33=A y''0.33*10.33===A y εδ0''00.33A A T T y P P C RT RT==所以0'00.5A A F F =，0'023A A C C =A0A0F 1V (1)ln x kC 1x ⎡⎤=+ε-ε⎢⎥-⎣⎦（1） 代入已知量，整理得到：3.0=A A VkC F 0'''''''01(1)ln 1⎡⎤=+-⎢⎥-⎣⎦A A F V x kC x εε （2） 把式（1）/式（2），整理得：''''1(1)ln 41+-=-x x εε 代入'A ε，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％。

三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：8.15.02B A P C C k r =，3.01B A S C C k r =，其中121==k k ，（1）当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /1500==，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：5.15.03.08.115.021B A B A S P C C C C k k r r S ---===（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A C S =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5.1B 5.0A C C S -=，所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使ABA+)(P 主反应)(S 副反应的浓度尽可能低，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P A →，催化剂的粒径为 2.4mm ，气流主体中A 的浓度为1mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝2.77×10-5 mol/(cm 3.s)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm 2/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：15.01108.0)/(101)/(301)(24.021))./((1077.2)(3635<=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---cm mol s cm cm s cm mol C k Rnr AGG obs A 可见外扩散无影响。

（2）由Weisz-Prater 判据得：B AA B()16592.2)/(101)/(15.0))(24.021())./((1077.2362235221>=⨯⨯⨯⨯⨯=-==--cm mol s cm cm s cm mol C D R obs r C As e A WPηφ 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。

（4）由定义可知：外扩散有效因子，x η=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 0.40.670.6η＝＝ 第（5）组实验中，x 0.610.6η＝＝（5）由定义可知：内扩散有效因子，速率内扩散无影响时的反应速率催化剂颗粒的实际反应=η第（6）组实验中，0.60.32.0η＝＝第（8）组实验中，1.80.92.0η＝＝。