1、1第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础一、思考题1、间歇系统与连续系统中，反应速率的定义式有何异同？2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系？3、反应速率可以用浓度 ci、分压 pi 或摩尔分率 yi 来表述，相应的速率常数 kc、k p、k y 之间有何关系？4、温度增加，反应速率常数肯定增加，对否？5、空速的定义是什么？它的大小反映了反应器的什么能力？ 6、转化率的定义是什么？在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用？7、化学反应中哪种吸附起主要作用？8、惰性物质不参加反应，所以对吸附、脱附无任何影响，对否？ 9、吸附或脱附为控制步骤时，关键组分 A 的分压有何
2、特点，非关键组分的分压有何特点？10、表面反应为控制步骤时，反应物、生成物的分压有何特点？11、表达反应系统体积变化的参数是什么？12、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化？第二章 气固相催化反应本证及宏观动力学一、思考题1、对于球形催化剂，西勒模数（Thiele）越大，则催化剂的内扩散有效因子如何变化？2、如果在某催化剂上测得的反应速率为 r，而内扩散有效因子为 0.8，则此反应速率是否为本征反应速率？3、对于气固相反应，什么情况下，可以不考虑分子扩散的影响？4、对于球型催化剂粒子，西勒模数的定义式是什么？ 5、本征化学反应速度在内外扩散阻力完全消除的情况下与宏观化学反应速度有
3、何关系？6、孔结构对内扩散有无影响？7、在气体的扩散过程中，如果催化剂的孔径远远小于分子的平均自由程时，可以不考虑哪种扩散？8、对于气固相反应，如果本征动力学方程式为 r，催化剂的内扩散有效因子为 ，则宏观动力学方程式应如何表示？二、计算题1、某可逆反应： ，其均匀表面吸附机理的动力学方程式为：ABCDk21rPKbbPABCBD22试写出反应机理及控制步骤，并证明之。解 1122 212112211 (DCBA控 制 步 骤 ）DBVCAVBA PbPbkr 212，2DBDBB CACAA PbPb11，22)()( )BCAA Kkr2、某可逆反应： 的均匀表面吸附机理动力学方程式为：k
4、21rPbbPAABCB1试写出反应机理及控制步骤，并证明之。解，12122B(控制步骤)221CBA， 11 21VCBAkr， CAVBV PbPb2，CACBBAA PbPb11， )(/AAKkr3、某可逆反应： ，其均匀表面吸附的机理动力学方程式为：Dk21rPbbPAABCD1试写出反应机理及控制步骤，并证明之。解322 112211 (DCBA控 制 步 骤 ）DBVAVDCBA PbPbkr 112，DBBBAA Pb1，)1)( DBACA PbPbKkr4、某可逆反应： 的均匀表面吸附机理动力学方程式为：BRSk21)1()( )/(2RBSARBA bbr 试写出反应机理
5、及控制步骤，并证明之。解 22111212111 (RSBA控 制 步 骤 ）BRVSAVBA PbPbkr 1121，BRRBRB SASSSAA PbPb11，)()( )(2BRSAA Kkr45、丁烯在某催化剂上制取丁二烯的总反应方程式为 ，假设丁烯脱氢化学反应按如下2648412HCk步骤进行：(a) 8484HCA(b) 62B(c) 464写出(b)为控制步骤的均匀吸附动力学方程，若反应物和产物的吸附都很若，问此时反应对丁烯是几级反应。解VBVAPbb，BAVCbkr12BAA PbP1，BACbkr12当反应物与产物吸附都很若时，即当 时，动力学方程可写为：1BA PkbrBA
6、21所以此时对丁烯是一级反应。6、用直径为 6 毫米的球形催化剂进行一级不可逆反应 AR+P,气相中的摩尔分数 yA0.50，操作压力0.10133MPa，反应温度500，已知单位体积床层的反应速度常数为 0.333s-1，床层空隙率为 0.5,组分 A 在颗粒内的有效扩散系数为 0.00296cm2/s,外扩散传质系数为 40mh，计算：(1) 催化剂内扩散效率因子，其影响是否严重。(2) 催化剂外表面浓度 CAS，并说明外扩散影响是否严重(3) 计算传质速度。解(1) 5.10296.033.13 efvPDkR 8735.1. thth330427014.85mkolRTPCAg ASS
7、AgeAgkCkSr3235016.mdpe 53072.3.5187.03644mkolkSCgeAA slrASg 32.5187.07、体积为 100 立方米的管式反应器内部充填半径为 2.50 毫米的球形颗粒催化剂，气体稳定时，每秒有0.24kmol 的反应物按等温一级不可逆反应分解，反应物在颗粒内的有效扩散系数为 1.210-6m2s，气流中反应物 A 的分压为 0.10133MPa，T 700。(1) 试估计催化剂颗粒内部的内扩散效率因子。(2) 若催化剂的活性提高一倍，微孔的有效扩散系数下降为 710-7m2s，问内扩散效率因子为多少。(3) 若催化剂活性提高一倍，有效扩散系数仍
8、为 710-7m2s，如果要求内扩散效率因子不变，问催化剂颗粒大小为多少？解(1) 30 0174.839.15colRTPCA100 82srkrAA， 26.01.35.2363efD 951.0)826.31)8.tanh(82.0)3tanh(1 (2) 52.0173.53efDkR86.0)523.1)3.tanh(1.)3tanh(1 (3) efPefPDkRk mkRefP 35.102.75.6 8、某气固相一级不可逆催化反应，已知反应温度为 350，在该温度下反应速度为 1.1510-5molcm 3.s，颗粒外表面 A 组分的浓度为 1.110-5molcm 3，的分子
9、量为 128，催化剂颗粒为球形，直径为 0.18cm，颗粒密度为 p=1.0cm 3，孔隙率 0.48，比表面 S 468m 2/，曲节因子 2.9,若分子扩散可不考虑，试求催化剂的内扩散效率因子。解 cmSVrgP 7410.21068.26scmMTrDK 237 109.41285.3005.297970 scmC31.4scmef 2406.709.28154.1.srkAS 38.026.730934efvPDR623.0118.11 thth9、石油炼制过程中，常需要用空气进行催化剂的烧焦反应，使催化剂再生,反应可视为一级不可逆反应,已知烧焦反应于 780,1.013310 5Pa
10、 下进行，球形颗粒直径为毫米，催化剂时本征反应速度 A0.42molm 3.s，反应热为 198000 Jmol,有效扩散系数为 4.7510-7m2s，有效导热系数为0.366Wm.k，试求颗粒内最大温差及内扩散效率因子。解 lmoCAgS 0243.15.273806.0.624.06.3.19807 eASRfSCHDT，13728.04.1sCrkAS 402.5.637efVPDR9148.0).3).tanh(1402.)1tanh(1 10、用空气在常压下烧去催化剂上的积碳，催化剂颗粒直径为 5mm，颗粒有效导热系数 为 0.35Jm.s.k，e每燃烧 1mol 放出热量 J，燃
11、烧温度为 760，氧在催化剂颗粒内的有效扩散系数 为2O814.5 fDcm2/s。试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。7105解 lmoCAgS 0248.15.273608.0.719.01035.248.41057 eASRfSCHDT11、乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在 300，7.09MPa 下， ，1.sk，采用直径与高均为 5 的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。scmef 2410.7m解 942.014.7603efVPDkR6934.0)2.31).tanh(.)tanh(1 12、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯，如催化剂为微球状，已知 P1.06
12、gcm 3,颗粒孔隙率0.52,S g350m 2g，求在 500，atm，异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。异丙苯的分子量为120，微孔的曲节因子 ，异丙苯苯的分子扩散系数为 0.155cm2s。球型催化剂颗粒直径为 0.5 cm，550时该反应的速率常数 k=0.25 s-1，试求此催化剂的内扩散效率因子。解 cmSVrgP 74108.26.10352 scmMTrDK 237 1089.65.3.9797 scABKC 3310.65.0189.61 smDCef 234352.0.10.1.3efvPkR592.04.2.234.131 thth13、计算 660和 30atm 下
13、,在孔隙催化剂中,噻吩( 分子量 84)在氢气中的有效扩散系数。已知催化剂的比表面 Sg180m 2g，颗粒的孔隙率 0.4，颗粒的密度 p1.4cm 3，分子扩散系数DAB0.052cm 2s，微孔的曲节因子 2，( 颗粒为球型 )。解 cmSVrgP 7410.3108.8scmMTrDK 2371054.86104.397970 ABKC 33.052.154.81 scmDCef 2317720第三章 釜式及均相管式反应器一、思考题1、返混的含义是什么?返混是否总是有害的?2、造成非理想流动的主要因素有哪些?其根本原因是什么?3、返混能造成非理想流动,对否?非理想流动是由返混造成的?对
14、否?4、反应器设计的基本方程包括哪些内容? 5、绝热温升的物理含义是什么?6、串、并连操作各有何特点?工业上何时采用串联操作?何时采用并联操作?两者是否可以互相代替?7、一般情况下返混对反应结果都有不利影响,对否？8、CSTR 串联为何好于单个大体积的 CSTR?是否工业上都用多个 CSTR 串联来代替单个 CSTR?多釜串联时是否串联级数越多越好?9、对一级不可逆反应,在相同的反应条件下完成相同的任务时,两个体积相同的 CSTR 串联、并联的结果是否相同?如果不相同，哪种结果好？10、CSTR 与 PFR 串联操作时,其顺序的变化是否影响反应结果? 11、什么条件下串联操作与单个反应器操作的
15、结果完全相同?12、反应体积的变化是否影响反应结果?它是通过什么途径起的作用?对于不同反应级数的反应影响程度是否相同?13、转化率与体积变化相比哪个对反应结果影响大?14、反应体积增大与减少对反应结果有何影响?对不同反应级数的反应影响程度是否相同?15、如果主反应级数大于副反应级数,体积增大对反应是否有利?16、如果反应温度提高后,目的产物的选择性明显增加,从中可以得出什么结论? 17、瞬时选择性与总选择性有何关系?两者是否可以相等?18、反应器多态的物理含义是什么?二、计算题1、以醋酸(A)和正丁醇 (B)为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为 100，每批进料 1 的 Akmol和
16、4.96 的 B，已知反应速率 ，试求醋酸转化率 分别为 0.5、0.9、0.99kmol hmkolCrAA32045.1 Ax时所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为 960 和 740 。g3mkgOHCOHH2943943 解：加入物料的体积35.07496.01mV15.kolnCA9AAxAxkCdrdCt02201Axk10hCtA53.01.4.7905.0 xktA8.9109.0hCtA .52.014.7909.0 2、生化工程中酶反应 A+PP+P 为自催化反应，反应速率式为 ，某温度下 k=1.512PACkr，原料中含有 A0.99kmol/m3，含 P 为
17、0.01kmol/m3，要求 A 的出口浓度达到min3kolCAf=0.01kmol/m3，该反应器的处理能力为 V010m 3/h 时，试求：(1) 反应速率达到最大时 A 的浓度；(2) 采用 CSTR 反应器时的体积；(3) 采用 PFR 反应器时的体积。解：(1) ARARARA CkCkr 00为使反应速度最大，应有： Adr即： 020AmRkkC35.1.9.kolAm(2) 全混流反应器的体积300 91.06.10.2.19mCkVARAR (3) 平推流反应器体积： AA xARxARR CdkVkd0000Ax AARR CCV000 1AAAkVk 00lnlnl10
18、301.9.01.ln652.1m3、由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：CH3COOH(A)+C4H9OHCH 3COOC4H9+H2O，每小时处理原料量为 735kg，反应混合物密度为 0.75kg/l，原料配比为醋酸:丁醇hmolk9.01:4.97(mol)，动力学方程为 ， ，求反应器的有效容积：(1) 用一个全混流反应器；(2) 2AkCr5.0x用两个全混流反应器串联，已知： ，(3) 用一个平推流反应器。.3421A，解：进料中醋酸含量： 67.9.4进料中丁醇含量： 8501进料的平均分子量： 65.71432.67. MhmolhkolNA 165.0.7130hlV98
19、5lmoCA75.100(1) 全混流反应器：lxkVAR 165.075.196.812220 (2) 全混流反应器串联：lxkCAR 3.4092.0321201lVAR .15.7.196.82220 l043.21(3) 平推流反应器：lxkCVxkdCVAxAAR 8.50.175.96.0810022 4、在间歇反应器中进行液相反应，测得此二级反应的反应速度常数为 k61.510 -2lmol.h，CA0 0.307moll，计算当 CB0C A01，转化率分别为 0.5、0.9、0.99 所需的反应时间，并对计算结果加以讨论。解：11AAxAxkCdrdCt02201Axk10h
20、CtA 296.501.37.65.05.0 xktA 8.4.109.0hCtA 35.29.0137.65.09.0 5、在等温间歇反应器中进行皂化反应：CH3COOC2H5N aOHCH 3COONaC 2H5OH该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为 0.02mol/l，反应速度常数为 k=5.6l/min.mol,要求最终转化率为 0.95，试求所需的反应时间。解： AAxAxkCdrdCt02201Axk10min6.195.02.6510 ACt6、在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为 0.90，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器
21、中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？解：平推流反应器： kkxkxkCdrdxt AxAAA 30.291lnl100 全混流反应器： AAAxkkxrxCt 100xkA3.21697.07、在 150等温平推流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为 0.60，现改用等体积的全混流反应器操作，料液流率及初浓度不变，要求转化率达到 0.70，问此时全混流反应器应在什么温度下操作，已知反12应活化能为 83.68kJmol。解平推流反应器： 916.06.1ln1ln10000 kVkxkVxCkdVAAAR全混流反应器： 3.27.02002AR， ， 12547.k15.43.86
22、34.867.eeT KT5.435.167t8、在全混流反应器中进行如下液相可逆反应：RPBAk12在 120时，反应速率 ，反应器的体积为 100mL，两股进料流同RPBACr7.8lmolin时等流量进入反应器，一股含 ，另一股含 ，当 的转化率为 80时，每股料液流lo0.30.2B量为多少。解min032.8.712.087.5. ;12 ; .1230 0kolr lxClloClmBBSRAB Bmin241. 0lVBAR9、液相自催化反应，反应速度 ，k=10 -2m3kmol.s，进料体积流率 V0=0.002m3s，进rkCAP料浓度 CA02kmolm 3，C P00，
23、问当 XA0.98 时，下列各种情况下的反应器体积。(1) 单个平推流反应器；(2) 单个全混流反应器；(3) 两个等体积全混流反应器串联。解 ARAxkr001(1) 98.0098.02 |1lnAAAR kCVCdxV(2) 320 521.1 mxkAAR (3) 22011201 AARAAR xkCVCV1385.01Ax31201 67.085012.0mxkCVAAR 321 4678. m10、在全混流反应器中进行一级可逆反应 ， ，已知该反应温度下 的平衡转化RRACkr21A率 ，反应器出口实际转化率 ，问如何调节加料速率，可使反应转化率达 。32Aex 3Afx 21解
24、平衡时 32100AACkk2 201201102101 3kVkxCkxkVAAR 202013kkVR0111、在平推流反应器中进行气相反应：A 3B， ，反应器进口, 含65，其余为rCmolA01.in惰性组分(mol)，反应是在 550K 和kg/cm 2 下进行反应，已知进料中的流量为 10 molmin，为使转化率达 80，试求： 所需的空速为多少； 反应器的有效容积为多少？解AAPRTmolvNCl06513396780250434500 min , txkdkxstVvlAAAR0075101123130801800261263854276. .l.ln.minmin. 14
25、12、某气相不可逆反应：A B2C，在 60，5atm 下的平推流反应器内进行 ,原料气中含 75的 A 和25的惰性物料（mol），物料的体积流量为 , A 和惰性物料的分子量分别为 60 和 40，反应速056.kgs度常数为 ，转化率控制为 75，01.s试求： 所需的空速为多少？ 反应器的容积为多少？解 AAA ACmolMNmolsvNCls75210758263017064643573 0. , ,tCxkdkxsstsVvlAAAR007510 2510218128457862. .ln13、某气相反应： ，已知物料的体积流量 , ,转化率 ，计算下列APVmh031k10xA0
26、85.各情况的反应器的体积(纯进料 )： 单个平推流反应器； 单个全混流反应器； 两个等体积全混流反应器串联。解 A1121085029421851830085 30 3 VvCxkdvkxmvxkVRAARAA. ln.lAAAAA Axvxxkx x1200585157234185 ; 0. 1 1 1 1 2. 77262106127549101 3 .xVvCk mRAA14、在平推流反应器中，以乙烷气体为原料进行裂解制乙烯：C 2 6C 2 4 2；动力学方程式为：，反应温度为 900 ，压力为 1.4atm(绝压)，反应速度常数 k=16.45s-1，进料为乙烷与水的混合物，rkA
27、其配比乙烷:水1:0.5(体积)，乙烷进料速度为 20 吨时，乙烷的转化率为 60，设反应器在恒压下进行，试计算反应时间和反应器的体积。15解乙 烷 含 量 ，yVnRTP lhAA007 7156062106282173548. . .CxkdVkxxltVsRAAAAR00070716610668453173816085.()(.ln.)ln)第四章 反应器中的混合及对反应的影响一、思考题1、停留时间分布函数有何特点？单位是什么？2、停留时间分布密度函数有何特点？单位是什么 ？它与停留时间分布函数有何关系？3、停留时间分布测定方法有哪些？得到的应答曲线是什么？4、平均停留时间与反应时间是否
28、一致？ 5、方差的物理含义是什么？方差大小，是否影响平均停留时间？返混程度与平均停留时间及方差是否有关系？ 6、皮克莱准数（Pe）的物理含义是什么？它的倒数表明什么？7、实际反应器中的流动状态是否可以同时用几个数学模型进行描述？8、停留时间分布一定，反应器中的流动状况便唯一确定，对否？9、流动状况可以用流动模型来描述，也可以用停留时间分布函数来表达。所以，停留时间分布函数一定，流型便一定，反之亦然。对否？10、宏观流体的平均转化率和平均浓度怎样计算？均相反应是否有宏观流体？非均相反应是否有宏观流体？11、气液反应历程一般有几个步骤？二、计算题1、用脉冲法测得某反应器出口示踪物的浓度如下：(s)
29、0 120 240 360 480 600 720 840 960C(t) 0 6.5 12 12 10 5 2 1 0已知该反应器内进行一级不可逆反应，反应速度常数 k3.2410 -3s-1，试用多级串联全混流模型计算转化率 。Ax解： stCtm4.3750182016或：stEtm3.7408.12630 22202 6.3084.75039stCtmt 或：220202 6.308.7483.14stCtEtmt 21.4.37682mt 59.012 659.059.437102.1.mAmkx2、有一理想的釜式搅拌器，已知反应器体积为 100 升，流量为 10L/min，试估计离
30、开反应器的物料中，停留时间分别为 01min，210min 和大于 30min 的物料所占的分数。解：对示踪剂作物料衡算(dt 时间)：示踪剂进入量示踪剂流出量+示踪剂累积量tdCVtdtCVR00， dttR00 001Cttdm，积分：tCtdm10 Atm01ln当 时，反应器出口处 ，则有 。t t则： mtC01ln17mteCtF10in0VtRm95.1eF41.02102313e3、用脉冲法测得停留时间分布数据如下：t(s) 0 48 96 144 192 240 288 336 384 432c(t) 0 0 0 0.1 5 10 8 4 0 0试计算平均停留时间，如在反应器
31、中进行一级反应，k0.0075s -1，求平均转化率。如分别采用 CSTR和 PFR，其平均停留时间相同，则反应结果分别为多少。解stCtm 1.259481.70)(0 841.059.148.2761100 texktA平推流反应器： AAAR xkVxCkdV1ln1000Atln1856.07.1259exktA全混流反应器： AAxkCxt0602.12597.1.ktxA4、用脉冲示综法测得实验反应器的停留时间分布关系如下表所示，t(s) 1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 41 52 67c(t) 9 57 81 90 90 86 77 67 47 32 15 7
32、 3 1今有一液相反应 ABP ，已知 CA01 的快反应， 1.MsmkolDPHkCkNALCOALiAiLCO 279311 02.08.5.20.138. 223、铜络合溶液吸收氧气为快速不可逆反应，其反应为： OHNNuu 24343223. 已知系统总压为 12.0Mpa，气体中氧气的含量为 0.1%，已知 ，hMPakolg20.5smkL410.2，试求含 为 铜络合溶液吸收氧气的吸收速率。,23LNHCOuD23NHCu30.mkol解 MPaPO1.0.12 BLgBLlACBL CDk 3.06.22.54由此判断，该反应为气膜控制，相界面与反应面重合，则有 hmolPkNgA 206.1.5
