化学反应工程考博题库

一、(20分)以甲烷生产合成气这一复杂反应体系可以表示为〔(CO2, H2O, H2, CH4,

CO, N2)(H, C, N, O)〕，试确定该反应体系的独立反应数，并写出一组独立反应；如果已知反应体系的初始组成，请列出计算该体系在温度T （K）、

压力P （kPa）时平衡组成的计算步骤。

二、(20分)在两种不同粒度的球形催化剂上，测得某一级不可逆反应的表观反应

速率如下∶

dp=0.6cm robs=0.090 mol/(g cat·h) dp=0.3cm robs=0.162 mol/(g cat·h)

计算在这两种情况下，催化剂的内部效率因子各为多少？不存在内外扩散影响时，催化剂的本征反应速率为多大？(可以使用温度集总模型处理)。

三、(20分)在片状催化剂上，进行平行反应 k1 A R k2 A ———U R为目的产物。两个反应均为一级不可逆反应，催化剂失活时只对主反应产

生影响。已知k1/k2=4，ψ1=1。这里ψ1为依据反应速率常数k1、及催化剂粒度和有效扩散系数计算得到的Thiele模数，试计算下列两种情况下的反应选择性∶

(1)、新鲜催化剂；

(2)、失活催化剂活性为起始活性的60%时。

四、(20分)为了用于测定气-固催化反应的本征动力学，请您设计一套固定床积

分反应器。列出主要的设计步骤，说明实验反应器主要尺寸的选取原则；简要分析操作条件对实验结果可靠性的影响，并简述动力学数据的处理程序。

五、(20分)试证明在CSTR反应器中发生一级不可逆放热反应时，反应系统定态

稳定的必要条件为∶

dQrdQg dTdT并根据CSTR反应器的多定态特性，制定一个反应器在高反应速率状态下操作的开工方案。

试卷二

一、(20分)下列一级可逆单分子反应系统，其反应网络如下：

A1 A2 A3

A7 A4 A5 A6

1) 请写出反应速率常数矩阵K 的表达式 （Aj Kij Ai）

2) 利用特征方向法处理类似复杂的反应网络时，其计算步骤是什么？ 3) 利用集总动力学方法处理复杂反应体系时，一般来讲，按照什么原则划分集

总模型？

二、(20分)为了确定内扩散对反应影响的重要性，在实验室中用不同粒度的催化剂进行了一系列实验，在其它参数相同的条件下，测得不同粒度催化剂的表观反应速率数据如下∶ 球形颗粒直径(cm) 0.25 0.075 0.025 0.0075 表观反应速率0.22 0.70 1.60 2.40 (mol/cm3 .h) 假定反应为一级不可逆,反应物表面浓度为2×10-4mol/cm3， (1) 确定本征反应速率常数k和有效扩散系数De；

(2) 对尺度为φ0.5cm×0.5cm的圆柱形工业催化剂，预测其内扩散有效

因子和表观反应速率。

三、(20分)某一多孔球形催化剂，结焦后通空气再生，其化学反应式为∶

C ＋ O2 CO2，该过程符合不变颗粒的缩核模型∶

1. 当气膜扩散控制时，燃烧到原来直径一半所需的反应时间为完全反应时间

的百分比为多少？

2. 当化学反应为控制步骤，燃烧转化率达到50%时所需的反应时间，占完全

反应时间的比例是多少？

3. 当灰层扩散为控制步骤，燃烧到原来体积一半时所需的时间，为完全反应

时间百分之多少？

四、(20分)为了测定气-固催化反应的本征动力学，请您设计一套固定床积分反

应器。列出主要的设计步骤，说明实验反应器主要尺寸的选取原则；简要分析操作条件对实验结果可靠性的影响，并简述动力学数据的处理程序。

五、(20分)当在无孔单颗粒催化剂上发生一级不可逆放热反应时，试导出系统存

在唯一定态的判据为∶ βγ＜4（1+β）

式中∶kHrCAGE，G RTsT请列出详细的推导过程，并注明重要的简化或判断依据。

试卷三

一、(20分)试确定下列复杂反应体系的独立反应数，并写出一组独立反应；如

果已知反应体系的初始组成，请列出计算该体系在温度T（K）、压力P （kPa）时平衡组成的计算步骤；并说明计算反应体系平衡组成尚需哪些数据。

CH4 ＋ H2O = CO + 3H2 CO + H2O = CO2 + H2 CH4 = C + 2H2 C ＋ H2O = CO + H2 2CO = C + CO2 2CH4 = C2H6 + H2

二、(20分)在150℃时，以粒度为100μm的镍催化剂进行苯加氢反应，由于氢

大量过剩，而把该反应按一级反应处理，在内外扩散的影响已消除的情况下，

-12

测得反应速率常数为5min 。苯的有效扩散系数为0.2cm/s。

（1）在1atm下，要使有效因子达到0.8，催化剂颗粒的最大粒度应是多少？ （2）采用液相加氢时，苯的有效扩散系数降低为10cm/s，而反应速率常数保

持不变。要使有效因子达到0.8，催化剂颗粒的粒度应是多少？

三、(20分)对于进行飞速反应的汽液吸收塔，请您列出主要的设计计算步骤；

如果要降低吸收塔的高度，应采取哪些切实可行的措施？

四、(20分)在某一全混流反应器内，进行一级不可逆反应

A R 动力学方程为 –rA'=kCAa ,失活速率方程为 –da/dt=kd a ,操作过程中，在其它操作条件不变的情况下，应采用怎样的升温方法，才能保证出口的转化率不变？请导出T –t的关系表达式。设a为活性因子，t=0, T=T0时，a=a0=1, k与T的关系服从Arrhenius 方程，kd 不随时间变化。

-5

2

五、(20分)试证明在CSTR反应器中进行吸热反应时，反应系统的定态是唯一的

而且是稳定的。