1．（10分）分别回答可逆吸热反应、可逆放热反应的反应速率与温度及转化率的关系，并画出关系图。
1.由于可逆吸热反应的平衡常数随温度的升高而增大,故平衡转化率也随温度升高而增加,处于平衡曲线下方的其他曲线为非零的等速率线,r4>r3>r2>r1,由图可知,如果反应温度一定,则反应速率随转化率的增加而下降,若转化率一定,则反应速率随温度升高而增加.对可逆放热反应r=0为平衡曲线,为反应极限,其他曲线为等反应速率线. r4>r3>r2>r1,由图可知,对应于每一条等反应速率线,都有一个极点,即转化率最高,其相应温度即为最值温度,连结所有极点,得最值温度曲线,反应温度按最佳温度曲线操作,反应速率最大.
2．（10分）解释着火点、熄火点并简要介绍它们在工业生产中的应用。2进料温度与定态温度的关系图曲线在某点是不连续的，定点温度突然升高，这一点称为着火点。曲线上存在一个间断点此处温度突然下降这点称为熄火点。着火与熄火现象对于反应器操作甚为重要，特别是开工的停工的时候。若操作温度系在着火点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，从而破坏操作，可能出现烧坏催化剂或可能产生爆炸等事故；在熄火点附近操作时，则容易产生突然降温以致反应终止。
3．（10分）简要说明多相催化反应的过程。
3 ①反应物A由气相主体扩散到颗粒外表面;②反应物A由外表面向孔内扩散,到达可吸附/反应的活性中心;③④⑤依次进行A的吸附,A在表面上反应生成B,产物B自表面解吸,这总称为表面反应过程,其反应历程就决定了该催化反应的本征动力学;⑥产物B由内表面扩散到外表面;⑦B由颗粒外表面扩散到气相主体 4．（10分）在其他操作条件相同的情况下比较管式反应器与釜式反应器的体积，并画出相关图。
4管式反应器体积Vrp??XAf0dXA对应图中OABCXAf面积，釜式反应??A器体积VrM?XAf??A对应图中的OECXAf面积,显然OABCXAf面积大于
OECXAf面积故Vrp 5．（15分）某一级反应在一个全混釜中进行，rA=KCA,k=0.38min-1，若已知进料反应物浓度CA0=0.3kmol/m3，体积流量V0=20L/min，要求出口转化率XAf为0.7,试计算该反应器体积。若反应改在一平推流反应器中进行，反应器体积为多少？ 5解（1）-?A =rA CA=CA0(1-XA) Vr=V0CA0XAf/-?A ∴Vr= V0CA0XAf/kCA0（1-XAf）=20*0.7/(0.38*0.3)=122.8L （2） t?CA0??xAf0xAfdxxAfxAfdxdxAdxA1AA?CA0??CA0??CA0?0001?x??ArAkCA0(1?xA)kA1111ln?ln?3.17mink1?xAf0.381?0.7 τ=t 则Vr=V0*t=20*3.17=63.4L 6．（15分）如图所示的两个反应体系，在相同的温度及空时下进行同样的反应。若相串联的全混流反应器和活塞流反应器的空时均等于1min，进口流体中CA0=1kmol/m3，试分别计算这两种串联情况所达到的转化率。假设所进行的反应为（1）一级反应；（2）二级反应，反应温度下两者的反应速率常数分别为1（min-1）及1×10-3m3/（mol·min）。6.解：(1)一级反应 活塞流反应器的计算式 为 cA?cA0e?kr ① 将数据代入图中(a)情况下活塞流反应器出口流体中A的浓度为cA1=1*e-1*1=0.368kmol/m3 全混流反应器的计算式为 cA2=cA1/（1+kτ） ② 因此，（a）的出口流体中A的浓度为cA2=0.368/（1+1*1）=0.184kmol/m3 所以转化率为1-0.184/1=0.186，即81.6% 同理利用式①②计算（b）情况 'cA2=0.5*e 'cA1=1/（1+1*1）=0.5kmol/m3 -1*1 =0.184kmol/m3 出口浓度与情况（a）相同，所以转化率也为81.6%，可见混合早晚对于一级反应不发生影响。 （2）二级反应 活塞流反应器的计算式为cA1=cA0/（1+kτcA0） ③ 将数据代入图中(a)情况下活塞流反应器出口流体中A的浓度为cA1=1/（1+1*1*1）=0.5 kmol/m3 全混流反应器的计算式为cA2所以（a）情况的出口浓度： 1??1?1?4k?cA1 ④ 2k???cA21??1?1?4*1*1*1?0.366kmol/m3 2*1*1??故最终转化率为1-0.366/1=0.634或63.4% 3 '同理可对情况（b）进行计算，由④求得cA=0.618 kmol/m由③求得1'cA2=0.382 kmol/m 3 最终转化率为1-0.382/1=0.618或61.8%。可见混合的早晚对二级反应有影响，晚混合对二级反应有利。 7．（15分）在210℃等温下进行亚硝酸乙酯的气相分解反应 C2H5NO2→NO + 1/2CH3CHO + 1/2C2H5OH该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为 K=1.39×1014exp(-1.8973×104/T)若反应是在恒容下进行，系统的起始总压力为0.1010 MPa，采用的是纯亚硝酸乙酯，试计算亚硝酸乙酯分解率为80%时，亚硝酸乙酯的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒压，乙醇的生成速率是多少？ 7解: 1)恒容过程,其反应式可表示为: A→B+1/2C +1/2D 反应速率式表示为: rA=kCA=kCA0(1-XA) 设为理想气体,反应物 A 的初始浓度为: =1.39*1014exp（-18973/483）*2.523*10-2*100.8=6.112*10-6mol/l*s 亚硝酸乙酯的分解速率为：RA=rA=6.112*10-6mol/l*s 乙醇的生成率为RD=0.5 rA=3.056*10-6mol/l*s （2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，总摩 尔数的变化?A??vt/vA?(1?0.5?0.5?1)/1?1 由于反应物是纯A，故有：yA0=1 组分的瞬间浓度： rA=kCA=1.39*1014exp（-18973/483）*2.803*10-2=3.395*10-6mol/l*s 乙醇的生成速率为：RD=0.5 rA=1.698*10-6mol/l*s 8．（15分）在等温连续釜式反应器中进行下列液相反 应 A + B→P, rp=2CAkmol/(m3·h) 2A→Q, rQ=0.5CAkmol/(m3·h)反应开始时A和B的浓度均等于2kmol/m3，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收 率。 22???r?2r??2c?2*0.5c??2c?c8解:ApQAAAA ① dnA?Vr?A?0 ② dtdcA2?2c?cAA?0 ③ 由于是等容系统,将①代入②化简后得 dt?dcAdt?2??cA02cA?cA积分得0tcA 1cA0(2?cA)t?ln2cA(2?cA0) ④ cA0=2kmol/m2,反应时间t=3h,代入④ 可求组分A的浓度cA 3?12(2?cA)12?cAln?ln2cA(2?2)22cA 所以反应3h时A的浓度 cA=2.482*10-3kmol/m3 所以组分A的转化率为XA=(2-2.482*10-3)/2=0.9988,即99.88% 因转化的A即可转化为P也可以转化为Q 因 dcp/dt=2cA ⑤ ③除以⑤有dcA/dcp=-1-cA/2所以 ?cp0dcAdcp???cA01?c/2 AcA1?cA0/2cp?2ln1?cA/2 ⑥ 代入数据得cp=2ln(1+2/2)/(1+2.482*10-3/2)=1.3838kmol/m3 P的收率YP=1.3838/2=0.6919或69.19% 即A转化了99.88%,而转化成P的只有69.19%,余下的30.69%转化Q
