一、在体积为2.5m 3的理想BR 反应器中进行液相等温一级基元反应A P →， k ＝2.78×10-3 s -1，进口摩尔流率F A0＝11.4 mol/s ，反应物A 初始浓度04/A C mol L =，求：（1）当反应器中A 的转化率为80％，求所需的时间？（6分）（2）若将反应移到CSTR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）（3）若将反应移到PFR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：C B A →+2，该反应对A 和B 均是一级。

反应器的入口体积流率为2.5L/min ，进料为等摩尔的组分A 和B 。

入口温度和压力分别是727℃和10atm 。

在此温度下的反应速率常数k ＝4L/mol ·min 。

求：（1）反应器入口处（即X A =0时）A 的浓度？ （4分）（2）反应器入口处（即X A =0时）的反应速率？（4分）（3）当A 的转化率为40%时的浓度？（4分）（4）当A 的转化率为40%时的反应速率？（6分）三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：3.01B A P C C k r =，8.15.02B AS 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 /2000==，A 和B 均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.9时的瞬时选择性。

（6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？（8分）四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中，哪些点是稳定操作点，哪些点是不稳定操作点，并分析其原因？（12分）B A +)(P 主反应→)(S 副反应→R(T),G(T)五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A→P，当空时为25min 时，A的转化率达62％。

将反应器放大进行中试，反应器型式为管式，其停留时间分布的实测结果如表所示，反应器的平均停留时间为43 min，方差为233min2。

求（1）停留时间小于40 min的物料所占的分率约为多少？（6分）（2）在与小试相同的温度及空时下操作，分别采用多釜串联模型预测反应器出口A的转化率。

（12分）六、用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应PA→，气流主体中A的浓度为40mol/m3，测得单位床层表观反应速率(－r A)obs＝400kmol/(m3.h)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.002778 cm2/s，外部传质系数为K G＝50m/h。

请问：（1）外扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求外扩散有效因子。

（4分）（2）内扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求内扩散有效因子。

（10分）（3）当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？（6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A (开卷)答案一、在体积为2.5m3的理想BR反应器中进行液相等温一级基元反应A P→，k＝2.78×10-3 s-1，进口摩尔流率F A0＝11.4 mol/s，反应物A初始浓度04/A C mol L =，求：（1）当反应器中A 的转化率为80％，求所需的时间？（6分）（2）若将反应移到CSTR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分）（3）若将反应移到PFR 中进行，其它条件不变，求所需反应器体积？（6分） 解：（1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：31111ln ln 579()1 2.78*1010.8t s k x -===-- （2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：003011.40.84100.7()(1) 2.78104(10.8)-⨯====--⨯⨯⨯-A A A A A A A F XF X V L r kC X （3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：00030000111.4ln ln51650()(1)(1) 2.78104-=====---⨯⨯⎰⎰A A X X A A A A A A A A A A dX F dX F V F L r kC X kC X 二、在一个等温活塞流反应器中进行气相反应：C B A →+2，该反应对A 和B 均是一级。

反应器的入口体积流率为2.5L/min ，进料为等摩尔的组分A 和B 。

入口温度和压力分别是727℃和10atm 。

在此温度下的反应速率常数k ＝4L/mol ·min 。

求：（1）反应器入口处（即X A =0时）A 的浓度？ （4分）（2）反应器入口处（即X A =0时）的反应速率？（4分）（3）当A 的转化率为40%时的浓度？（4分）（4）当A 的转化率为40%时的反应速率？（6分）解：对于反应C B A →+2，2211-=--=δ入口处：F A0＝F B0，则y A0＝0.5，所以10-=⨯=δεA y（1）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为：A0A0y P 0.510atm C 0.061(mol /L)RT 0.082(L atm /mol K)(727273)K⨯===⋅⋅⨯+ （2）入口处的反应速率：223A A0B0A0r kC C kC 40.0610.061 1.4910(mol /dm L)--===⨯⨯=⨯⋅（3）当A 的转化率为40%时A 的浓度为：A A0A0A01X 1X C C C C 0.061(mol /L)1X 1X --⎛⎫⎛⎫==== ⎪ ⎪+ε-⎝⎭⎝⎭（4）当A 的转化率为40%时B 的浓度为： B B A0A0A0b 2X 1X 12X 10.8a 1C C C C 0.0610.0203(mol /L)1X 1X 1X 10.4⎛⎫⎛⎫Θ-- ⎪ ⎪--⎛⎫====⨯= ⎪ ⎪ ⎪+ε---⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭3A A B r kC C 40.0610.0203 4.9610(mol /L min)--==⨯⨯=⨯⋅三、有如下平行反应：其动力学方程分别为：3.01B A P C C k r =，8.15.02B AS 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 /2000==，A 和B 均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.9时的瞬时选择性。

（6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？（8分） 解：根据瞬时选择性的定义：5.15.08.13.05.0121---===B 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 /1=当A 的转化率为0.9，C A ＝C A0（1-0.9）＝2mol/l ，S ＝0.5；（2）由于5.15.0-=B AC C S ，所以在反应过程中，为了使S 尽可能大，需要使A 的浓度尽可能高，而B 的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法：·用管式反应器，连续将B 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A ，在每一个反应器中注入B ，这样进入下一个反应器之前B 基本反应完。

B A +)(P 主反应→)(S 副反应→四、在非等温反应器操作过程中，可能出现多态现象，请问什么是多态现象？请判断下图所示中，哪些点是稳定操作点，哪些点是不稳定操作点，并分析其原因？（12分）R(T),G(T)解：（1）在同一操作条件下，反应器可能存在多个定常操作态，即反应器既可能在低温、低转化率下操作，也可能在高温、高转化率下操作，还可能在中等温度、中等转化率下操作，这种现象称为多态现象。

（4分）（2）对于C点，体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量小于移热速率随温升的增量，体系内生成热量少，移出热量多，温度下降，重新回到C点。

如果体系温度稍微降低，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多，移出热量少，温度升高，重新回到C 点。

所以在C点，温度略升、略降，系统自动恢复到原来的热平衡状态，所以C 点属于稳态操作点。

（3分）（3）对于B点，如果体系温度稍微增加一些，在此位置上放热速率随温升的增量大于移热速率随温升的增量，体系内生成热量多，移出热量少，体系温度持续升高，直到到达C点；如果体系温度稍微降低，体系内移出热量多，生成热量少，体系温度持续下降，直到到达A点。

所以，在B点，温度稍微的变化，系统不能恢复到原来的热平衡状态，B点为不稳定操作点。

（3分）（4）对于A点，变化情况同C点，在A点，温度略升、略降，系统自动恢复到原来的热平衡状态，所以A点属于稳态操作点。

（2分）五、在实验室中用全混反应器等温下进行一级液相反应A→P，当空时为25min时，A 的转化率达62％。

将反应器放大进行中试，反应器型式为管式，其停留时间分布的实测结果如表所示，反应器的平均停留时间为43 min ，方差为233min 2。

求（1）停留时间小于40 min 的物料所占的分率约为多少？（6分）（2）在与小试相同的温度及空时下操作，分别采用多釜串联模型预测反应器出口A 的转化率。

（12分）解：（1） 40010()(04*02*0.006934*0.030.0283)0.543E t dt =++++=⎰ 停留时间小于平均停留时间的物料所占的分率约为0.54。

（2）多釜串联模型 首先根据实验室结果求出操作温度下的反应速率常数值。

对于一级反应：1k X k ττ=+ 10.620.06526min (1)(10.62)*25x k x τ-===-- 222143*437.94233t m t n σσΘ==== 7.9411110.91(1)(143*0.06526/7.94)ni X k τ=-=-=++六、用直径为1mm 的球形颗粒进行一级不可逆反应P A →，气流主体中A 的浓度为40mol/m 3，测得单位床层表观反应速率(－r A )obs ＝400kmol/(m 3.h)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.002778 cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝50m/h 。

请问：（1）外扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求外扩散有效因子。

（4分）（2）内扩散对反应过程是否有影响？如果有影响，求内扩散有效因子。

（10分）（3）当颗粒粒径为多少时才能基本消除内扩散阻力？（6分）解：（1）由Mears 判据得：15.01.0)/(04.0)/(501)(001.021))./((400)(33<=⨯⨯⨯⨯=-m kmol h m m h m kmol C k Rn r AG G obs A 可见外扩散无影响。