2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——多相反應(yīng)工程學(xué)的研究進展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪一項不是多相反應(yīng)工程學(xué)與傳統(tǒng)均相反應(yīng)工程學(xué)的顯著區(qū)別？（）A.傳質(zhì)過程對反應(yīng)速率的顯著影響B(tài).催化劑表面積和活性位點的關(guān)鍵作用C.反應(yīng)器內(nèi)存在多個物理相態(tài)D.通常采用連續(xù)釜式反應(yīng)器進行動力學(xué)研究2.在流化床反應(yīng)器中，為了強化傳質(zhì)，常采用的操作方式是？（）A.降低操作壓力B.使用更細小的催化劑顆粒C.增加流化介質(zhì)（如氣體）的流速D.減少反應(yīng)器內(nèi)催化劑的裝填量3.微反應(yīng)器技術(shù)相比宏觀反應(yīng)器，在強化傳質(zhì)方面最主要的優(yōu)勢在于？（）A.可處理更大的反應(yīng)物量B.更高的反應(yīng)溫度承受能力C.極短的擴散路徑，極大地提高了傳質(zhì)效率D.更容易實現(xiàn)自動化控制4.對于氣-固相催化反應(yīng)，反應(yīng)器性能（如轉(zhuǎn)化率、選擇性）通常受到哪個因素的嚴重制約？（）A.反應(yīng)熱效應(yīng)B.催化劑的本征動力學(xué)C.反應(yīng)器內(nèi)的傳遞現(xiàn)象（如氣體擴散到催化劑表面）D.產(chǎn)品在催化劑表面的積碳問題5.催化膜反應(yīng)器的主要優(yōu)勢在于？（）A.可處理高粘度物料B.實現(xiàn)了反應(yīng)與分離的耦合，提高了選擇性和效率C.對催化劑顆粒尺寸要求不嚴格D.可在極高壓力下操作6.在多相反應(yīng)工程學(xué)研究中，計算流體力學(xué)（CFD）主要應(yīng)用于？（）A.直接測定反應(yīng)速率常數(shù)B.設(shè)計和優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)C.精確計算催化劑的生產(chǎn)成本D.預(yù)測催化劑的長期穩(wěn)定性7.近年來，多相反應(yīng)工程學(xué)在能源領(lǐng)域的一個重要研究熱點是？（）A.開發(fā)用于合成氨的高溫高壓固定床技術(shù)B.設(shè)計用于生物質(zhì)熱解的高效流化床反應(yīng)器C.研究太陽能光熱轉(zhuǎn)換中的光-熱-化學(xué)耦合反應(yīng)器D.應(yīng)用微反應(yīng)器進行精細化學(xué)品的高溫合成8.非均相催化反應(yīng)中，描述反應(yīng)物從反應(yīng)器主體擴散到催化劑表面的過程通常稱為？（）A.表面反應(yīng)B.擴散控制C.活化控制D.動力學(xué)控制9.下列哪種技術(shù)不屬于強化多相反應(yīng)器中傳熱的方法？（）A.采用導(dǎo)熱性能好的反應(yīng)器材料B.利用反應(yīng)熱自身產(chǎn)生對流進行傳熱C.在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件（如擋板、旋流器）促進混合D.對反應(yīng)物料進行預(yù)加熱10.所謂“智能反應(yīng)器”，其主要特征是？（）A.可在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整操作溫度B.集成了在線傳感、反饋控制和優(yōu)化算法C.使用了新型的高效催化劑D.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.多相反應(yīng)工程學(xué)研究的主要對象包括氣-固、______、液-固、______等多種反應(yīng)體系。2.在固定床反應(yīng)器中，反應(yīng)物濃度沿床層高度的變化通常是由______和______共同作用的結(jié)果。3.微尺度效應(yīng)使得反應(yīng)器內(nèi)______和______過程變得異常重要，可能導(dǎo)致宏觀反應(yīng)器中不存在的現(xiàn)象。4.為了解決多相反應(yīng)中的傳遞限制問題，研究者提出了各種強化手段，如采用______催化劑、改進反應(yīng)器類型（如______）等。5.基于多尺度模型的多相反應(yīng)模擬能夠同時考慮______尺度和______尺度的信息，從而更精確地描述反應(yīng)過程。6.在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，利用多相反應(yīng)工程學(xué)技術(shù)實現(xiàn)高效、清潔的______轉(zhuǎn)化是當前的研究重點之一。7.催化膜反應(yīng)器通過將催化劑負載在膜上，實現(xiàn)了反應(yīng)與______過程的直接集成。8.評價一個多相反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)劣的重要指標包括反應(yīng)器______、______和操作彈性。9.非傳統(tǒng)外場，如______、______等，也被探索用于影響多相反應(yīng)器內(nèi)的傳遞和反應(yīng)行為。10.結(jié)合人工智能技術(shù)進行多相反應(yīng)過程的模擬、優(yōu)化和預(yù)測是______領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述流化床反應(yīng)器相較于固定床反應(yīng)器在傳質(zhì)方面的主要優(yōu)勢。2.微反應(yīng)器技術(shù)相較于宏觀反應(yīng)器，在反應(yīng)選擇性控制方面有哪些潛在優(yōu)勢？3.簡要說明計算流體力學(xué)（CFD）在多相反應(yīng)工程學(xué)研究中的作用。四、論述題（每題10分，共20分。請結(jié)合所學(xué)知識，圍繞以下主題進行論述）1.闡述多相反應(yīng)工程學(xué)在開發(fā)綠色化學(xué)過程中的作用，并舉例說明如何通過反應(yīng)器工程手段提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟性和選擇性。2.討論近年來多相反應(yīng)工程學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，將反應(yīng)與分離過程集成（如催化膜反應(yīng)器、反應(yīng)精餾等）的研究進展及其面臨的主要挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.B6.B7.C8.B9.D10.B二、填空題1.氣液，液液2.擴散，反應(yīng)3.擴散，反應(yīng)4.高比表面積，微通道/微反應(yīng)器5.宏觀，微觀6.化石燃料7.分離8.效率，生產(chǎn)能力9.磁場，超聲波10.模擬與優(yōu)化三、簡答題1.答：流化床反應(yīng)器中，固體顆粒處于流化狀態(tài)，反應(yīng)物需要通過氣體氣泡從反應(yīng)器中心向外擴散，再穿過顆粒床層擴散到催化劑表面。同時，產(chǎn)物也需要通過相反的過程從催化劑表面擴散到氣相主體并離開。這種氣固兩相間的相對運動提供了極大的接觸面積和良好的混合效果，使得反應(yīng)物向催化劑表面的擴散以及產(chǎn)物從表面擴散出的路徑大大縮短，克服了固定床中顆粒內(nèi)部擴散和外部擴散的限制，從而顯著強化了傳質(zhì)過程。2.答：微反應(yīng)器技術(shù)具有反應(yīng)物濃度梯度小、停留時間分布窄、反應(yīng)尺度極小等特點。這些特點使得：*傳質(zhì)阻力可以忽略，反應(yīng)物能快速達到催化劑表面，使得反應(yīng)速率主要由本征動力學(xué)控制，有利于對反應(yīng)的選擇性進行精確調(diào)控。*易于通過外場（如溫度、壓力、催化劑分布）進行精細控制，實現(xiàn)對特定反應(yīng)路徑的選擇和優(yōu)化。*微通道結(jié)構(gòu)本身可以起到一定的分離作用（如利用不同產(chǎn)物在微通道中的擴散速率差異），或在反應(yīng)器設(shè)計中直接集成分離單元，提高目標產(chǎn)物的收率和選擇性。3.答：CFD在多相反應(yīng)工程學(xué)研究中的作用主要體現(xiàn)在：*模擬反應(yīng)器內(nèi)的流場、溫度場、濃度場：通過建立反應(yīng)器幾何模型和物理化學(xué)模型，模擬多相流在反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)雜流動行為、熱量傳遞和物質(zhì)傳遞過程。*分析傳遞現(xiàn)象對反應(yīng)的影響：評估反應(yīng)器內(nèi)傳遞限制（如擴散、混合）的程度和位置，識別影響反應(yīng)性能的關(guān)鍵因素。*反應(yīng)器設(shè)計與優(yōu)化：模擬不同設(shè)計參數(shù)（如反應(yīng)器幾何形狀、尺寸、內(nèi)構(gòu)件、操作條件）對反應(yīng)性能的影響，指導(dǎo)反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計，提高效率和能力。*預(yù)測復(fù)雜現(xiàn)象：預(yù)測并解釋可能出現(xiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象，如催化劑失活、熱點、反應(yīng)器放大等問題。*指導(dǎo)實驗：為實驗設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，減少實驗試錯。四、論述題1.答：多相反應(yīng)工程學(xué)通過優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計和操作，在開發(fā)綠色化學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用。主要體現(xiàn)在：*提高原子經(jīng)濟性：通過選擇合適的反應(yīng)器和操作條件（如微反應(yīng)器、固定床），強化傳質(zhì)，縮短反應(yīng)時間，提高反應(yīng)溫度，可以抑制副反應(yīng)，使反應(yīng)物盡可能完全轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物生成，從而提高原子經(jīng)濟性。例如，在選擇性合成中，通過優(yōu)化流化床反應(yīng)器內(nèi)的混合和溫度分布，可以使反應(yīng)主要沿著目標路徑進行。*提高反應(yīng)選擇性：許多綠色化學(xué)過程要求高選擇性，即目標產(chǎn)物的產(chǎn)率要高，副產(chǎn)物要少。多相反應(yīng)工程學(xué)可以通過以下方式提高選擇性：*強化傳質(zhì)：如前所述，減少擴散限制使反應(yīng)速率更接近本征動力學(xué)，有利于選擇性地進行動力學(xué)控制占優(yōu)的反應(yīng)路徑。*精確控制反應(yīng)條件：利用微反應(yīng)器或結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器，實現(xiàn)反應(yīng)溫度、壓力、停留時間的精確控制，避免劇烈反應(yīng)或難以控制的過程，從而提高選擇性。例如，在催化加氫中，通過控制微反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)空間，可以實現(xiàn)對不同加氫深度選擇性的有效控制。*催化劑工程：雖然屬于催化劑領(lǐng)域，但反應(yīng)器工程需要與催化劑協(xié)同設(shè)計，選擇或設(shè)計具有特定選擇性優(yōu)勢的催化劑，并在反應(yīng)器中提供最適宜其發(fā)揮作用的微環(huán)境。例如，設(shè)計用于選擇性合成醇類的催化膜反應(yīng)器，可以將催化劑與分離膜結(jié)合，在反應(yīng)過程中即脫除副產(chǎn)物（如氫氣），提高目標產(chǎn)物的選擇性。*減少有害物質(zhì)：綠色化學(xué)強調(diào)減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。反應(yīng)器工程可以通過優(yōu)化設(shè)計，減少反應(yīng)過程中的有害中間體積累，或通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計（如膜反應(yīng)器）直接分離去除有害產(chǎn)物或原料，減少污染。*資源利用與能源效率：優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計可以提高反應(yīng)效率，減少能量消耗，例如通過高效傳熱設(shè)計減少能耗，或通過反應(yīng)耦合（如反應(yīng)精餾）減少能量輸入。采用流化床等反應(yīng)器可以處理固體物料，有利于資源的循環(huán)利用。2.答：將反應(yīng)與分離過程集成是多相反應(yīng)工程學(xué)領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，旨在提高過程效率、降低能耗和成本、減少污染。近年來，這方面的研究進展和面臨的挑戰(zhàn)主要包括：*研究進展：*催化膜反應(yīng)器（CMR）：這是反應(yīng)與分離集成最典型的代表。通過將催化劑負載在膜材料上或?qū)⒋呋w粒固定在膜附近，使反應(yīng)和產(chǎn)物/反應(yīng)物的選擇性分離（通常通過膜）在同一設(shè)備內(nèi)發(fā)生。近年來，在合成氣轉(zhuǎn)化、費托合成、水煤氣變換、醇的合成與分離等領(lǐng)域有深入研究，重點在于提高膜的選擇性、穩(wěn)定性、與催化劑的匹配性以及反應(yīng)器構(gòu)型優(yōu)化。新型膜材料（如金屬有機框架MOFs膜、共價有機框架COFs膜）的開發(fā)是研究熱點。*反應(yīng)精餾（Reactors-for-Distillation）：在精餾塔內(nèi)進行化學(xué)反應(yīng)，利用精餾過程將反應(yīng)產(chǎn)物與反應(yīng)物或副產(chǎn)物分離。適用于反應(yīng)平衡常數(shù)接近1、產(chǎn)物與原料相對揮發(fā)度差異較大的反應(yīng)。近年來，研究集中于多組分反應(yīng)體系、非理想體系以及反應(yīng)器-精餾塔一體化過程的模擬與優(yōu)化。*反應(yīng)萃?。‥xtractiveReactors）：利用萃取劑在反應(yīng)過程中選擇性地萃取某一反應(yīng)物或產(chǎn)物，從而推動反應(yīng)平衡向目標方向移動，提高產(chǎn)率。適用于可逆反應(yīng)。研究進展包括萃取劑選擇、萃取/反萃取過程的反應(yīng)器設(shè)計（如液-液萃取反應(yīng)器、固定床萃取反應(yīng)器）、以及與后續(xù)分離單元的集成。*其他集成形式：如吸附反應(yīng)器（利用吸附劑選擇性吸附反應(yīng)物或產(chǎn)物）、結(jié)晶反應(yīng)器、膜吸收/解吸反應(yīng)器等也在不斷發(fā)展中。*面臨的挑戰(zhàn)：*膜的限制：催化膜通常存在滲透率低、選擇性有限、穩(wěn)定性問題（如中毒、燒結(jié)）、膜與催化劑的相互作用復(fù)雜等。*反應(yīng)器-分離單元的耦合：需要同時考慮反應(yīng)動力學(xué)、傳遞現(xiàn)象和分離過程，建立耦合模型進行模擬和設(shè)計，這比單一過程的模擬復(fù)雜得多。