《化學(xué)反應(yīng)工程》簡(jiǎn)答題

1、（1）簡(jiǎn)述活塞流模型和全混流模型的基本特征。（2）根據(jù)縮芯模型，描述 H 2 S 和 ZnO 反應(yīng)的宏觀步驟（3）對(duì)于快速的一級(jí)不可逆的氣液反應(yīng)，寫(xiě)出其宏觀反應(yīng)速率的表達(dá)式（指明式中各參數(shù)的含義） 。（4）對(duì)于一級(jí)不可逆的氣固相催化反應(yīng)，寫(xiě)出其宏觀反應(yīng)速率的表達(dá)式（指明式中各參數(shù)的含義）。1. 簡(jiǎn)述理想反應(yīng)器的種類(lèi)？答：通常所指的理想反應(yīng)器有兩類(lèi)：理想混合（完全混合）反應(yīng)器和平推流（活塞流或擠出流）反應(yīng)器。 所謂完全混合流反應(yīng)器是指器內(nèi)的反應(yīng)流體瞬間達(dá)到完全混合，器內(nèi)物料與反應(yīng)器出口物料具有相同的溫度和濃度。 所謂平推流反應(yīng)器是指器內(nèi)反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)， 不存在不同停留時(shí)

2、間的物料的混合， 所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時(shí)間。2. 簡(jiǎn)述分批式操作的完全混合反應(yīng)器？答：反應(yīng)物料一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過(guò)程中，不再向器內(nèi)投料，也不出料，待達(dá)到反應(yīng)要求的轉(zhuǎn)化率后，一次性出料，每批操作所需生產(chǎn)時(shí)間為反應(yīng)時(shí)間與非生產(chǎn)性時(shí)間之和，非生產(chǎn)性時(shí)間包括加料、排料和物料加熱、冷卻等用于非反應(yīng)的一切輔助時(shí)間。3. 簡(jiǎn)述等溫恒容平推流反應(yīng)器空時(shí)、反應(yīng)時(shí)間、停留時(shí)間三者關(guān)系？答：空時(shí)是反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)料流體的容積流速之比。反應(yīng)時(shí)間是反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的時(shí)刻起到反應(yīng)達(dá)某一程度所需的反應(yīng)時(shí)間。停留時(shí)間是指反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到離開(kāi)反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時(shí)間。由于平推

3、流反應(yīng)器內(nèi)物料不發(fā)生返混，具有相同的停留時(shí)間且等于反應(yīng)時(shí)間，恒容時(shí)的空時(shí)等于體積流速之比，所以三者相等。4. 對(duì)于可逆放熱反應(yīng)如何選擇操作溫度？答： 1）對(duì)于放熱反應(yīng)，要使反應(yīng)速率盡可能保持最大，必須隨轉(zhuǎn)化率的提高，按最優(yōu)溫度曲線相應(yīng)降低溫度；2）這是由于可逆放熱反應(yīng)，由于逆反應(yīng)速率也隨反應(yīng)溫度的提高而提高，凈反應(yīng)速率出現(xiàn)一極大值；3）而溫度的進(jìn)一步提高將導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率相等而達(dá)到化學(xué)平衡。5. 對(duì)于反應(yīng)， rRk1C A2， E1 ； rSk2C A ， E2 ，當(dāng) E1 E2 時(shí)如何選擇操作溫度可以提高產(chǎn)物的收率？E1/RTE2E1SRrRk10 eC Ak10 e RT C AE1 E2

4、 時(shí)應(yīng)盡可答：對(duì)于平行反應(yīng)rSk20e E 2 / RTk20，所以，當(dāng)能提高反應(yīng)溫度，方可提高R 的選擇性，提高R的收率。6 停留時(shí)間分布密度函數(shù)E（t ）的含義？答：在定常態(tài)下的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，相對(duì)于某瞬間t=0 流入反應(yīng)器內(nèi)的流體，在反應(yīng)器出口流體的質(zhì)點(diǎn)中，在器內(nèi)停留了t 到 t+dt之間的流體的質(zhì)點(diǎn)所占的分率為E（ t ）dt （E(t)dt1.0分）。0。7. 停留時(shí)間分布函數(shù) F（ t ）的含義？答：在定常態(tài)下的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，相對(duì)于某瞬間t=0 流入反應(yīng)器內(nèi)的流體F ( t)tE(t) dt，在出口流體中停留時(shí)間小于t 的物料所占的分率為F（ t ）。0。8. 簡(jiǎn)述描述停

5、留時(shí)間分布函數(shù)的特征值？t 和方差2答：用兩個(gè)最重要的特征值來(lái)描述平均停留時(shí)間t 。1） t 定義式為：ttE (t )dtt 是 E（ t ）曲線的分布中心，是E（t ）曲0，平均停留時(shí)間線對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的一次矩，又稱(chēng)E（ t ）的數(shù)學(xué)期望。22） t是表示停留時(shí)間分布的分散程度的量，在數(shù)學(xué)上它是指對(duì)于平均停留時(shí)間的二次矩22E(t )dtt2tt。09. 簡(jiǎn)述尋求停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)方法及其分類(lèi)？答：通過(guò)物理示蹤法來(lái)測(cè)反應(yīng)器物料的停留時(shí)間的分布曲線。所謂物理示蹤是指采用一種易檢測(cè)的無(wú)化學(xué)反應(yīng)活性的物質(zhì)按一定的輸入方式加入穩(wěn)定的流動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)觀測(cè)該示蹤物質(zhì)在系統(tǒng)出口的濃度隨時(shí)間的變化來(lái)確定系統(tǒng)物

6、料的停留時(shí)間分布。根據(jù)示蹤劑輸入方式的不同大致分為四種：脈沖法、階躍法、周期示蹤法和隨機(jī)輸入法。64. 簡(jiǎn)述脈沖示蹤法測(cè)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)方法及其對(duì)應(yīng)曲線？答：脈沖示蹤法是在定常態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)的入口處在t=0的瞬間輸入一定量M克的示蹤劑 A，并同時(shí)在出口處記錄出口物料中示蹤劑的濃度隨時(shí)間的變化。對(duì)應(yīng)的曲線為E(t)E(t )C AC0曲線，。10. 簡(jiǎn)述階躍示蹤法測(cè)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)方法及其對(duì)應(yīng)曲線？答：階躍示蹤法是對(duì)于定常態(tài)的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，在某瞬間t=0將流入系統(tǒng)的流體切換為含有示蹤劑A 且濃度為C A0 的流體， 同時(shí)保持系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)模式不變，并在切換的同時(shí)，在出口處F (t )C A

7、測(cè)出出口流體中示蹤劑A 的濃度隨時(shí)間的變化。對(duì)應(yīng)的曲線為F（ t ），C A0。11. 簡(jiǎn)述建立非理想流動(dòng)的流動(dòng)模型的步驟？答： 1）通過(guò)冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置的停留時(shí)間分布；2） 根據(jù)所得的有關(guān)E（ t ）或 F（ t ）的結(jié)果通過(guò)合理的簡(jiǎn)化提出可能的流動(dòng)模型，并根據(jù)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定所提出的模型中所引入的模型參數(shù)；3） 結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果；4） 通過(guò)一定規(guī)模的熱模實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。12. 簡(jiǎn)述非理想流動(dòng)軸向擴(kuò)散模型的特點(diǎn)？答： 1）在管內(nèi)徑向截面上流體具有均一的流速；2）在流動(dòng)方向上流體存在擴(kuò)散過(guò)程，該過(guò)程類(lèi)似于分子擴(kuò)散，符合Fick定律；3）軸

8、向混合系數(shù)EZ 在管內(nèi)為定值；45）管內(nèi)不存在死區(qū)或短路流。13. 簡(jiǎn)述非理想流動(dòng)軸向擴(kuò)散模型的定義？答：為了模擬返混所導(dǎo)致流體偏離平推流效果，可借助這種返混與擴(kuò)散過(guò)程的相似性，推流的基礎(chǔ)上疊加上軸向返混擴(kuò)散相來(lái)加以修正，并人為的假定該軸向返混過(guò)程可以用費(fèi)克（Fick ）定律加以定量描述。所以，該模型稱(chēng)為“軸向分散模型”（或軸向擴(kuò)散模型）在平14. 簡(jiǎn)述非理想流動(dòng)多級(jí)混合模型的特點(diǎn)？答：把實(shí)際的工業(yè)反應(yīng)器模擬成由n 個(gè)容積相等串聯(lián)的全混流區(qū)所組成，來(lái)等效的描述返混tV和停留時(shí)間分布對(duì)反應(yīng)過(guò)程內(nèi)的影響。設(shè)反應(yīng)器容積為V，物料流入速率為v0，則v0 ，tt iN 。15. 舉例說(shuō)明微觀流體和宏觀流

9、體的區(qū)別？答；若流體是分子尺度作為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元來(lái)進(jìn)行混合，這種流體稱(chēng)為微觀流體；若流體是以若干分子所組成的流體微團(tuán)作為單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)單元來(lái)進(jìn)行微團(tuán)之間的混合，且在混合時(shí)微團(tuán)之間并不發(fā)生物質(zhì)的交換，微團(tuán)內(nèi)部具有均勻的組成和相同的停留時(shí)間，這種流體稱(chēng)為宏觀流體。如在氣液鼓泡攪拌裝置中，氣體以氣泡方式通過(guò)裝置，此時(shí)氣體是宏觀流體，而液體為微觀流體。16 簡(jiǎn)述 Langmuir 等溫吸附方程的基本特點(diǎn)？答： 1）均勻表面（或理想表面） ：即催化劑表面各處的吸附能力是均一的，吸附熱與表面已被吸附的程度如何無(wú)關(guān)；2） 單分子層吸附；3 ）被吸附的分子間互不影響，也不影響別的分子；4）吸附的機(jī)理均相同，吸附形成

10、的絡(luò)合物均相同。17. 簡(jiǎn)述 BET方程測(cè)定固體催化劑比表面積的原理？P1(C 1)P答：測(cè)定比表面積的方法是建立在BET方程基礎(chǔ)之上 V (P0P) Vm CVmCP0 ，利用PP低溫下測(cè)定氣體在固體上的吸附量和平衡分壓值，將V (P0P) 對(duì) P0 作圖，應(yīng)為一直線，(C 1)1斜率為 VmC ，截距為VmC ，因此可求出 Vm 及 C ，則可利用比表面積公式進(jìn)行求得。18. 氣固相催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)步驟？答： 1）反應(yīng)物從氣流主體向催化劑的外表面和內(nèi)孔擴(kuò)散；2）反應(yīng)物在催化劑表面上吸附；3）吸附的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成反應(yīng)的生成物；4）反應(yīng)生成物從催化劑表面上脫附下來(lái)；5）脫附下來(lái)的生成物向催化劑外

11、表面、氣流主體中擴(kuò)散。19. 解釋努森擴(kuò)散和分子擴(kuò)散分別在何種情況下占優(yōu)勢(shì)？答：多孔物質(zhì)催化劑的粒內(nèi)擴(kuò)散較為復(fù)雜。當(dāng)微孔孔徑較大時(shí)， 分子擴(kuò)散阻力是由于分子間的碰撞所致， 這種擴(kuò)散為分子擴(kuò)散。當(dāng)微孔孔徑小于分子的自由程0.1um 時(shí)，分子與孔壁的碰撞機(jī)會(huì)超過(guò)了分子間的相互碰撞，而成為擴(kuò)散阻力的主要因素，這種擴(kuò)散為努森擴(kuò)散。20. 簡(jiǎn)述非催化氣固反應(yīng)縮核模型的特點(diǎn)？答：非催化氣固反應(yīng)縮核模型是反應(yīng)從粒子外表面逐漸向內(nèi)核部分推進(jìn)，但粒子體積不變，如硫化礦的焙燒，氧化鐵的還原等。21. 簡(jiǎn)述非催化氣固反應(yīng)縮粒模型的特點(diǎn)？答：非催化氣固反應(yīng)縮粒模型是固體粒子的粒徑隨反應(yīng)的進(jìn)行向不斷縮小，如煤炭的燃燒造

12、氣，從焦碳與硫磺蒸汽制造二硫化碳。22. 簡(jiǎn)述氣液反應(yīng)的宏觀過(guò)程：A（ g） + bB （l ）產(chǎn)物（ l ）？答： 1）反應(yīng)物氣相組分從氣相主體傳遞到氣液相界面，在界面上假定達(dá)到氣液相平衡；2）反應(yīng)物氣相組分A 從氣液相界面擴(kuò)散入液相，并在液相內(nèi)反應(yīng)；3）液相內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物向濃度下降方向擴(kuò)散，氣相產(chǎn)物則向界面擴(kuò)散；4）氣相產(chǎn)物向氣相主體擴(kuò)散。23. 簡(jiǎn)述氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器非均相模型的特點(diǎn)？答：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。均相模型考慮了粒子與流體間溫度與濃度的差別。非24. 簡(jiǎn)述氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器擬均相一維模型的特點(diǎn)？答：凡是流體通過(guò)

13、不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。擬均相一維模型是忽略床層中粒子與流體的溫度與濃度差別，考慮在流體流動(dòng)的方向（軸向）上有溫度和濃度的變化，而在與流向垂直的截面上（徑向）則是等溫和等濃度的。25. 簡(jiǎn)述氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器擬均相二維模型的特點(diǎn)？答：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置為固定床反應(yīng)器，擬均相二維模型是忽略床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別（，同時(shí)考慮流體在軸向和徑向上的溫度梯度和濃度梯度。26. 簡(jiǎn)述表征顆粒特征的基本參數(shù)粒徑的表示方法？答：固定床中粒徑的表示方法常用的有三種。顆粒的體積相當(dāng)直徑定義為具有相同體積VP 的球粒子直徑

14、，表達(dá)式dV = (6VP / )1/ 3；顆粒的面積相當(dāng)直徑是以外表面a P 相同的球形粒子的直徑，表達(dá)式da=aP /；顆粒的比表面相當(dāng)直徑是以相同的比表面SV的球形粒子直徑來(lái)表示，表達(dá)式dS = 6 / SV27 簡(jiǎn)述固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)？答：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。1） 催化劑在床層內(nèi)不易磨損；2） 床層內(nèi)流體的流動(dòng)接近于平推流，與返混式反應(yīng)器相比，用較少的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來(lái)獲得較大的生產(chǎn)能力；3） 固定床中的傳熱較差；4） 催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。28. 簡(jiǎn)述氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器擬均相模型的特點(diǎn)？答：凡是流體通過(guò)不動(dòng)的

15、固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱(chēng)作固定床反應(yīng)器。均相模型忽略了床層中粒子與流體間溫度與濃度的差別。擬29 簡(jiǎn)述聚式流化床的形成？答：對(duì)于氣固系統(tǒng)的流化床反應(yīng)器的粗顆粒系統(tǒng)， 氣速超過(guò)起始流化速度后， 就出現(xiàn)氣泡，氣速愈高， 氣泡的聚并及造成的擾動(dòng)亦愈劇烈， 使床層波動(dòng)頻繁， 這種流化床稱(chēng)為聚式流化床。30. 簡(jiǎn)述鼓泡床的形成？答：對(duì)于氣固系統(tǒng)的流化床反應(yīng)器，只有細(xì)顆粒床，才有明顯的膨脹，待氣速達(dá)到起始鼓泡速度后才出現(xiàn)氣泡；而對(duì)粗顆粒系統(tǒng)， 則一旦氣速超過(guò)起始流化速度后， 就出現(xiàn)氣泡，這些通稱(chēng)為鼓泡床。31. 簡(jiǎn)述描述流化床的特征流速的定義？答：特征流速為起始流化速度和帶出速度。1）當(dāng)流

16、速達(dá)到某一限值，床層剛剛能被托動(dòng)時(shí)，床內(nèi)粒子就開(kāi)始流化起來(lái)了，這時(shí)的流體空線速稱(chēng)為起始流化速度。2）當(dāng)氣速增大到某一定值時(shí)，流體對(duì)粒子的曳力與粒子的重力相等，則粒子會(huì)被氣流帶出，這一速度稱(chēng)為帶出速度或終端速度。32. 簡(jiǎn)述流化床反應(yīng)器中節(jié)涌床的特點(diǎn)？答：對(duì)于氣固系統(tǒng)，床徑很小，而床高與床徑比較大時(shí)，氣泡在上升過(guò)程中可能聚并增大甚至達(dá)到占據(jù)整個(gè)床層截面的地步， 將固體粒子一節(jié)節(jié)的往上柱塞式的推動(dòng)， 直到某一位置而崩落為止，這種情況為節(jié)涌，此時(shí)的流化床為節(jié)涌床。33. 簡(jiǎn)述流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)？答： 1）傳熱效能高，而且床內(nèi)溫度易維持均勻；2） 大量固體粒子可方便的往來(lái)輸送，對(duì)于催化劑迅速失活而需隨

17、時(shí)再生的過(guò)程來(lái)說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)。3） 由于粒子細(xì)，可以消除內(nèi)擴(kuò)散阻力，能充分發(fā)揮催化劑的效能。34. 簡(jiǎn)述流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn)？答： 1）氣流狀況不均，不少氣體以氣泡狀態(tài)經(jīng)過(guò)床層，氣固兩相接觸不夠有效；2 ）粒子運(yùn)動(dòng)基本上是全混式，因此停留時(shí)間不一。在以粒子為加工對(duì)象時(shí)，影響產(chǎn)品質(zhì)量的均一性， ）且粒子的全混造成了氣體的部分返混，影響反應(yīng)速率和造成副反應(yīng)的增加；3 ）粒子的磨損和帶出造成催化劑的損失，并要設(shè)置旋風(fēng)分離器等粒子回收系統(tǒng)。35. 簡(jiǎn)述流化床反應(yīng)器中操作氣速U0 是如何選取的？答：實(shí)用的操作氣速U 是根據(jù)具體情況選取的。一般U 0/U mf之值（稱(chēng)作流化數(shù)）在 1.5 010 范圍的，另外也有按 U 0 / ut0.1 0.4 左右來(lái)選取。通常所用的氣速為0.15 0.5m/s左右，對(duì)于熱效應(yīng)不大，反應(yīng)速