化學(xué)工程與工藝專升本2025年反應(yīng)工程模擬試卷（含答案）考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.對(duì)于液相不可逆的一級(jí)串聯(lián)反應(yīng)A→P→S，若反應(yīng)在等溫CSTR中進(jìn)行，為獲得最高選擇性（以產(chǎn)物P計(jì)），最佳空時(shí)τ應(yīng)等于（）。A.k?/(k?-k?)B.k?/(k?-k?)C.1/(k?+k?)D.k?+k?2.在等溫PFR中，進(jìn)行液相零級(jí)反應(yīng)A→P，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá)到x，所需反應(yīng)器體積V與在相同反應(yīng)器中達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率x的CSTR體積之比VR定義為體積比。當(dāng)x→1時(shí)，VR趨近于（）。A.1B.eC.∞D(zhuǎn).1/e3.下列關(guān)于反應(yīng)器傳遞現(xiàn)象影響的描述，錯(cuò)誤的是（）。A.CSTR中的返混會(huì)使實(shí)際反應(yīng)速率低于理想混合狀態(tài)下的速率。B.PFR中的軸向混合會(huì)使實(shí)際轉(zhuǎn)化率高于活塞流理想狀態(tài)下的轉(zhuǎn)化率。C.對(duì)于液相反應(yīng)，液膜擴(kuò)散阻力常常是反應(yīng)控制步驟。D.提高反應(yīng)器內(nèi)混合程度，有利于提高CSTR的選擇性。4.對(duì)于等溫間歇反應(yīng)器，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)為r_A=k_A*C_A^n的反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)n=0時(shí)，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率x與反應(yīng)時(shí)間τ的關(guān)系為（）。A.x=1-exp(-k_A*τ)B.x=1-(1+k_A*τ)^nC.x=k_A*τ/(1+k_A*τ)D.x=1-exp(-k_A*τ^n)5.某反應(yīng)A→P的活化能E_a=120kJ/mol，反應(yīng)溫度T=300K時(shí)的表觀速率常數(shù)k=1.0×10^-5mol/(L·s)。若反應(yīng)溫度提高到T'=400K，假設(shè)頻率因子A和指前因子均不變，則T'時(shí)的新速率常數(shù)k'約為（）。（氣體常數(shù)R=8.314J/(mol·K)）A.1.0×10^-4mol/(L·s)B.3.3×10^-5mol/(L·s)C.1.3×10^-5mol/(L·s)D.4.0×10^-6mol/(L·s)6.在等溫CSTR中，進(jìn)行液相一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P，若以產(chǎn)物P收率最大為目標(biāo)，則最佳空時(shí)τ_opt為（）。A.1/kB.2/kC.1/2kD.k/27.對(duì)于氣相反應(yīng)A→P，若反應(yīng)活化能E_a較高，為降低反應(yīng)溫度以抑制副反應(yīng)，常采用（）。A.非等溫反應(yīng)器B.等溫反應(yīng)器，但提高冷卻能力C.增大反應(yīng)器體積D.降低反應(yīng)物濃度8.在CSTR中，進(jìn)行液相二級(jí)反應(yīng)2A→P，若進(jìn)料濃度為C_A0，為獲得75%的轉(zhuǎn)化率，所需空時(shí)τ為（）。A.C_A0/kB.2*C_A0/kC.C_A0^2/kD.2*C_A0^2/k9.以下哪個(gè)參數(shù)不是描述反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)特性的？（）A.空時(shí)(SpaceTime)B.停留時(shí)間分布(RTD)C.反應(yīng)級(jí)數(shù)(ReactionOrder)D.軸向混合(AxialMixing)10.對(duì)于等溫PFR和CSTR，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)相同的液相反應(yīng)，若兩者操作空時(shí)τ相同，且反應(yīng)轉(zhuǎn)化率x也相同，則（）。A.PFR所需的體積一定小于CSTRB.PFR所需的體積一定大于CSTRC.PFR所需的體積與CSTR相同D.無法比較兩者體積大小二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題橫線上。）1.對(duì)于等溫CSTR，若反應(yīng)為放熱反應(yīng)（ΔH<0），為防止溫度失控，通常需要采取______措施。2.在理想PFR中，進(jìn)行液相一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率x與空時(shí)τ的關(guān)系式為______。3.對(duì)于氣相反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)器直徑D較大時(shí)，通?？梢院雎訽_____的影響。4.反應(yīng)選擇性是指目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量與______的比值。5.Arrhenius方程描述了反應(yīng)速率常數(shù)k與絕對(duì)溫度T之間的______關(guān)系。6.若反應(yīng)物A在反應(yīng)器壁面存在吸附，則反應(yīng)表觀活化能通常會(huì)______（填“高于”、“低于”或“等于”）無吸附情況下的活化能。7.進(jìn)行反應(yīng)A→P→S的等溫CSTR計(jì)算時(shí)，若要求產(chǎn)物P的收率最高，則其最佳空時(shí)τ_opt與反應(yīng)速率常數(shù)k?,k?之間的關(guān)系為______（用k?,k?表示）。8.在間歇反應(yīng)器中，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)為r_A=kC_A的反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)，反應(yīng)時(shí)間τ_50與初始濃度C_A0的關(guān)系為______。9.對(duì)于液相反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)n=0時(shí)，反應(yīng)速率r_A與反應(yīng)物濃度C_A的______無關(guān)。10.反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)通常是在滿足______的條件下，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率、高選擇性和高經(jīng)濟(jì)效益。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。）1.簡(jiǎn)述全混釜反應(yīng)器（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR）的主要區(qū)別。2.什么是反應(yīng)器傳遞現(xiàn)象？它對(duì)液相反應(yīng)器性能有何主要影響？3.在進(jìn)行反應(yīng)器類型選擇時(shí)，通常需要考慮哪些主要因素？四、計(jì)算題（共45分。請(qǐng)列出必要的計(jì)算公式、代入數(shù)據(jù)及計(jì)算過程。）1.（10分）在一個(gè)等溫CSTR中，進(jìn)行液相零級(jí)反應(yīng)A→P。已知反應(yīng)溫度下活化能E_a=80kJ/mol，頻率因子A=1.0×10^12L/(mol·s)，反應(yīng)熱ΔH=-50kJ/mol。反應(yīng)器操作壓力為常壓，進(jìn)料體積流量為100L/min，進(jìn)料濃度C_A0=2mol/L。假設(shè)反應(yīng)在373K下等溫進(jìn)行，試計(jì)算：①為使反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%，所需的反應(yīng)器體積V為多少？②若反應(yīng)溫度升高到393K，其他條件不變，反應(yīng)器體積V將如何變化？（氣體常數(shù)R=8.314J/(mol·K)，ln(2)≈0.693）2.（10分）在一個(gè)等溫PFR中，進(jìn)行液相一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P。反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)k=0.1min^-1。反應(yīng)器進(jìn)料體積流量為50L/min，進(jìn)料濃度C_A0=1mol/L。試計(jì)算：①為使反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%，所需的反應(yīng)器體積V為多少？②若將此反應(yīng)在等溫CSTR中進(jìn)行，達(dá)到同樣轉(zhuǎn)化率75%，所需的空時(shí)τ和反應(yīng)器體積V又分別為多少？3.（10分）等溫CSTR和等溫PFR分別用于進(jìn)行液相平行反應(yīng)2A→P和A→S。反應(yīng)在323K下進(jìn)行，相關(guān)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)如下：k?=0.5min^-1(生成P)，k?=0.1min^-1(生成S)。反應(yīng)器進(jìn)料為純A，濃度為C_A0=2mol/L，進(jìn)料體積流量為20L/min。試計(jì)算：①在CSTR中，為使產(chǎn)物P的收率（P的摩爾生成量/A的初始摩爾量）達(dá)到80%，所需的反應(yīng)器體積V為多少？②在PFR中，為使產(chǎn)物P的收率達(dá)到80%，所需的反應(yīng)器體積V又為多少？4.（15分）在一個(gè)等溫CSTR中，進(jìn)行液相二級(jí)反應(yīng)2A→P。反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)k=1.0L/(mol·min)。反應(yīng)器進(jìn)料體積流量為10L/min，進(jìn)料濃度為C_A0=1mol/L。假設(shè)反應(yīng)在298K下等溫進(jìn)行。試計(jì)算：①為使反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%，所需的反應(yīng)器空時(shí)τ為多少？②計(jì)算此時(shí)產(chǎn)物P的收率（R_P=生成P的摩爾量/A的初始摩爾量）。③若將反應(yīng)改為液相一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P(k=0.1min^-1,E_a=50kJ/mol,A=1.0×10^12L/(mol·s),ΔH=-30kJ/mol)，在相同空時(shí)τ下，計(jì)算產(chǎn)物P的收率，并簡(jiǎn)要說明原因。5.（10分）對(duì)于一個(gè)液相反應(yīng)A→P，已知其動(dòng)力學(xué)方程為r_A=kC_A^2，其中k=0.01L/(mol·min)·min?，F(xiàn)計(jì)劃使用等溫PFR進(jìn)行該反應(yīng)，要求產(chǎn)物P的收率R_P=0.8。試計(jì)算：①若反應(yīng)器進(jìn)料濃度為C_A0=2mol/L，進(jìn)料體積流量為5L/min，為達(dá)到目標(biāo)收率，所需的反應(yīng)器體積V應(yīng)為多少？②若進(jìn)料濃度變?yōu)镃_A0=1mol/L，其他條件不變，為達(dá)到相同收率，所需的反應(yīng)器體積V'將如何變化？請(qǐng)通過計(jì)算說明。試卷答案一、選擇題1.A2.C3.B4.C5.A6.C7.A8.D9.C10.A二、填空題1.移熱2.x=1-exp(-kτ)3.氣相擴(kuò)散阻力4.反應(yīng)物消耗量（或A的初始摩爾量）5.指數(shù)6.低于7.τ_opt=1/(2k?+k?)8.τ_50=ln(2)/k9.系數(shù)10.技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性三、簡(jiǎn)答題1.答：CSTR為理想混合釜，器內(nèi)物料濃度均勻，停留時(shí)間相同；PFR為活塞流，器內(nèi)物料濃度沿軸向變化，停留時(shí)間呈分布。CSTR適用于低轉(zhuǎn)化率或?qū)旌弦蟾叩姆磻?yīng)，PFR適用于高轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)需避免返混的反應(yīng)。2.答：反應(yīng)器傳遞現(xiàn)象指反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)（如混合、擴(kuò)散）與化學(xué)反應(yīng)相互作用的現(xiàn)象。它影響反應(yīng)物濃度分布、反應(yīng)溫度分布，進(jìn)而影響反應(yīng)速率、選擇性和收率。例如，CSTR的返混降低反應(yīng)速率，PFR的軸向混合增加反應(yīng)速率但降低轉(zhuǎn)化率。3.答：選擇反應(yīng)器類型時(shí)需考慮：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性（級(jí)數(shù)、活化能、反應(yīng)熱）、目標(biāo)轉(zhuǎn)化率與收率、反應(yīng)器操作溫度與壓力、進(jìn)料組成與流量、經(jīng)濟(jì)性（投資、操作成本）、混合要求、安全性、環(huán)境影響等因素。四、計(jì)算題1.解：①零級(jí)反應(yīng)，x=C_A0*τ/C_A0=τ。x=0.5，則τ=0.5min。V=Q*τ=100L/min*0.5min=50L。②根據(jù)Arrhenius方程，k_2/k_1=exp[(E_a/R)*(1/T1-1/T2)]。k_2/(1.0×10^12)=exp[(80000J/(mol·K)/8.314J/(mol·K))*(1/373-1/393)]。k_2/(1.0×10^12)≈exp[9706.5*(1/373-1/393)]≈exp[9706.5*(20/147049)]≈exp[13.23]≈612000。k_2≈6.12×10^8L/(mol·s)=36.72min^-1。新空時(shí)τ'=x/k_2=0.5/36.72min^-1≈0.0136min。V'=Q*τ'=100L/min*0.0136min=1.36L。答：所需反應(yīng)器體積為50L。溫度升高，反應(yīng)速率加快，為達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率，所需反應(yīng)器體積顯著減小。2.解：①PFR，一級(jí)反應(yīng)，x=1-exp(-kτ)。x=0.75，k=0.1min^-1。0.75=1-exp(-0.1τ)。exp(-0.1τ)=0.25。-0.1τ=ln(0.25)=-1.386。τ=13.86min。V=Q*τ=50L/min*13.86min=693L。②CSTR，一級(jí)反應(yīng)，x=kτ/(1+kτ)。x=0.75。0.75=0.1τ/(1+0.1τ)。0.75+0.075τ=0.1τ。0.75=0.025τ。τ=30min。V=Q*τ=50L/min*30min=1500L。答：PFR體積為693L。CSTR體積為1500L。對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在相同轉(zhuǎn)化率下，CSTR體積大于PFR體積。3.解：①CSTR，平行反應(yīng)。P的生成速率為r_P=k?C_A2。S的生成速率為r_S=k?C_A2?？偡磻?yīng)速率為r_T=r_P+r_S=(k?+k?)C_A2。產(chǎn)物P的收率R_P=r_P/r_T=k?/(k?+k?)。R_P=0.5/(0.5+0.1)=0.5/0.6≈0.833。要求R_P=0.8。k?/(k?+k?)=0.8。k?/k?=0.8/(1-0.8)=4。即k?=4k?=4*0.1=0.4min^-1。此時(shí)r_P=0.4*C_A2。r_T=(0.4+0.1)*C_A2=0.5*C_A2。x=r_P*τ/r_T=(0.4*C_A2*τ)/(0.5*C_A2)=0.8τ。要求x=0.8。0.8=0.8τ。τ=1min。V=Q*τ=20L/min*1min=20L。②PFR，平行反應(yīng)。P的收率R_P=k?/(k?+k?)=0.8。x=1-exp[-(k?+k?)τ]。要求R_P=0.8，即k?/(k?+k?)=0.8，k?=4k?。代入x=1-exp[-(4k?+k?)τ]=1-exp[-5k?τ]。x=0.8，0.8=1-exp[-5k?τ]。exp[-5k?τ]=0.2。-5k?τ=ln(0.2)≈-1.609。τ=1.609/(5k?)。V=Q*τ=20*(1.609/(5k?))=6.436/k?L。PFR體積與k?有關(guān)。若k?=0.1min^-1，則τ≈1.61/(5*0.1)=3.22min。V≈6.436/0.1=64.36L。答：CSTR體積為20L。PFR體積約為64.36L（當(dāng)k?=0.1min^-1時(shí)）。PFR體積通常大于CSTR。4.解：①二級(jí)反應(yīng)，2A→P。x=kτ。x=0.75。0.75=1.0*τ。τ=0.75min。②CSTR，二級(jí)反應(yīng)，收率R_P=2x/(1+x)。x=0.75。R_P=2*0.75/(1+0.75)=1.5/1.75≈0.857。③一級(jí)反應(yīng)，A→P。k=0.1min^-1。τ=0.75min。P的收率R_P=x/(1+x)。x=kτ=0.1*0.75=0.075。R_P=0.07