(2025年)化工工藝反應(yīng)器設(shè)計試題及答案一、選擇題（每題3分，共15分）1.對于一級不可逆液相反應(yīng)A→B，在相同的進料流量、初始濃度和轉(zhuǎn)化率下，下列反應(yīng)器體積最小的是（）。A.單個全混流反應(yīng)器（CSTR）B.兩個等體積CSTR串聯(lián)C.平推流反應(yīng)器（PFR）D.單個CSTR與PFR并聯(lián)（總處理量相同）2.某絕熱操作的固定床反應(yīng)器中進行放熱反應(yīng)，若原料氣入口溫度升高5℃，其他條件不變，則床層最高溫度將（）。A.升高超過5℃B.升高5℃C.升高小于5℃D.降低3.停留時間分布（RTD）曲線中，方差σ2=0.2的反應(yīng)器更接近（）。A.平推流反應(yīng)器B.全混流反應(yīng)器C.多級全混流串聯(lián)（N=5）D.間歇反應(yīng)器4.對于氣固催化反應(yīng)A→B，若反應(yīng)速率由內(nèi)擴散控制，提高反應(yīng)速率的有效措施是（）。A.增大催化劑顆粒直徑B.降低反應(yīng)溫度C.提高反應(yīng)壓力D.減小催化劑顆粒直徑5.某連續(xù)操作的攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）中，物料密度ρ=1000kg/m3，體積流量Q=0.1m3/h，反應(yīng)器體積V=0.5m3，則物料的空時τ為（）。A.0.5hB.5hC.2hD.0.2h二、填空題（每空2分，共20分）1.平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程為________（以轉(zhuǎn)化率x表示，反應(yīng)速率r=-dC_A/dt=kC_A^n）。2.全混流反應(yīng)器的體積計算公式為V=________（進料流量Q?，初始濃度C_A0，出口轉(zhuǎn)化率x_A）。3.對于自催化反應(yīng)A→B（速率r=kC_AC_B），最優(yōu)反應(yīng)體積對應(yīng)的轉(zhuǎn)化率需滿足________條件。4.催化劑失活的主要類型包括________、________和________。5.絕熱反應(yīng)器的熱量衡算中，反應(yīng)熱與物料溫度變化的關(guān)系式為________（ΔH為反應(yīng)熱，C_p為物料定壓熱容）。6.多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)時，總轉(zhuǎn)化率隨串聯(lián)級數(shù)增加而________（填“增大”“減小”或“不變”）。三、簡答題（每題8分，共32分）1.比較平推流反應(yīng)器（PFR）與全混流反應(yīng)器（CSTR）在動力學特性上的差異，并說明各自適用的反應(yīng)類型。2.簡述停留時間分布（RTD）的測定方法及主要參數(shù)（如無因次方差σ2）的物理意義。3.固定床反應(yīng)器中，催化劑床層的壓力降對操作有何影響？可通過哪些措施降低壓力降？4.對于強放熱反應(yīng)，選擇反應(yīng)器時需重點考慮哪些因素？舉例說明常用的控溫措施。四、計算題（共40分）1.一級液相反應(yīng)動力學與反應(yīng)器體積計算（15分）某一級不可逆液相反應(yīng)A→B，動力學方程為-r_A=kC_A，k=0.5h?1（50℃）。原料液中C_A0=2mol/L，流量Q=10m3/h，要求轉(zhuǎn)化率x_A=80%。（1）計算平推流反應(yīng)器（PFR）所需體積V_PFR；（2）計算單個全混流反應(yīng)器（CSTR）所需體積V_CSTR；（3）若采用兩個等體積CSTR串聯(lián)，求每個反應(yīng)器的體積V?=V?，并比較總反應(yīng)體積與PFR、單個CSTR的差異。2.絕熱反應(yīng)器溫度與轉(zhuǎn)化率計算（15分）某氣相放熱反應(yīng)A→B，ΔH=-120kJ/mol（以A計），原料氣為純A，入口溫度T?=400K，流量F_A0=100mol/h，平均定壓熱容C_p=30J/(mol·K)（假設(shè)物料與產(chǎn)物熱容相同）。反應(yīng)器絕熱操作，忽略壓降與熱損失。（1）推導絕熱條件下轉(zhuǎn)化率x_A與溫度T的關(guān)系式；（2）若反應(yīng)速率方程為-r_A=kC_A，k=0.1h?1（400K時），且k隨溫度變化符合阿倫尼烏斯方程k=k?exp(-E/RT)（E=50kJ/mol），求當x_A=60%時反應(yīng)器內(nèi)的溫度T及反應(yīng)速率-r_A（R=8.314J/(mol·K)）。3.反應(yīng)器串聯(lián)與并聯(lián)優(yōu)化（10分）現(xiàn)有兩臺體積均為V的CSTR，擬用于處理流量為Q的物料，進行一級不可逆反應(yīng)。比較以下兩種操作方式的總轉(zhuǎn)化率：（1）兩臺串聯(lián)；（2）兩臺并聯(lián)（每臺處理流量Q/2）。五、綜合分析題（共33分）某公司擬建設(shè)一套年產(chǎn)10萬噸醋酸的生產(chǎn)裝置，采用甲醇羰基化法（反應(yīng)式：CH?OH+CO→CH?COOH），反應(yīng)為液相均相放熱反應(yīng)（ΔH=-130kJ/mol），動力學方程為-r_A=kC_CH?OH·C_CO（k=0.05m3/(mol·h)，50℃時）。原料甲醇濃度C_A0=5mol/L，CO分壓p_CO=3MPa（假設(shè)CO在液相中溶解度符合亨利定律，H=0.1MPa·L/mol），進料流量Q=20m3/h，要求甲醇轉(zhuǎn)化率x_A=95%。（1）分析該反應(yīng)適合的反應(yīng)器類型（PFR或CSTR），并說明理由；（2）計算所選反應(yīng)器的體積；（3）若反應(yīng)溫度需控制在50±2℃，設(shè)計反應(yīng)器的換熱方案（需給出換熱面積計算所需的關(guān)鍵參數(shù)及公式，假設(shè)總傳熱系數(shù)K=500W/(m2·K)，冷卻介質(zhì)進出口溫差ΔT_m=10℃）；（4）提出反應(yīng)器操作中的安全風險及控制措施（至少3項）。答案一、選擇題1.C（PFR在相同條件下體積最小）2.A（放熱反應(yīng)絕熱操作時，入口溫度升高會導致反應(yīng)速率加快，釋放更多熱量，床層溫度升高超過入口溫升）3.C（多級全混流串聯(lián)的方差σ2=1/N，N=5時σ2=0.2）4.D（內(nèi)擴散控制時，減小顆粒直徑可縮短擴散路徑，提高反應(yīng)速率）5.B（空時τ=V/Q=0.5/0.1=5h）二、填空題1.V=Q?∫(0→x_A)(dx_A)/(kC_A0(1-x_A)^n)2.V=Q?C_A0x_A/(kC_A0(1-x_A))（或簡化為V=Q?x_A/[k(1-x_A)]，適用于一級反應(yīng)）3.dV/dx_A=0（或反應(yīng)速率對轉(zhuǎn)化率的導數(shù)為0）4.燒結(jié)失活、中毒失活、結(jié)焦失活5.F_A0(-ΔH)x_A=F_A0C_p(T-T?)（或簡化為T=T?+(-ΔHx_A)/C_p）6.增大三、簡答題1.差異：PFR中物料無返混，濃度沿軸向單調(diào)遞減，反應(yīng)速率隨位置變化；CSTR中物料完全混合，出口濃度等于反應(yīng)器內(nèi)濃度，反應(yīng)速率為常數(shù)。適用反應(yīng)：PFR適合級數(shù)≥1的反應(yīng)（速率隨濃度降低而下降，需維持高濃度區(qū)域）；CSTR適合自催化反應(yīng)（需低濃度產(chǎn)物啟動反應(yīng)）或級數(shù)≤0的反應(yīng)（低濃度下速率更高）。2.測定方法：脈沖示蹤法（注入瞬時示蹤劑，測出口濃度隨時間變化）和階躍示蹤法（突然切換進料為示蹤劑，測出口濃度變化）。參數(shù)意義：無因次方差σ2=σ_t2/τ2，σ2=0對應(yīng)PFR（無返混），σ2=1對應(yīng)CSTR（完全返混），0<σ2<1對應(yīng)多級串聯(lián)或非理想流動。3.壓力降影響：壓力降過大會增加動力消耗，甚至導致催化劑床層流化或破損；同時可能改變物料停留時間，影響轉(zhuǎn)化率。降低措施：增大催化劑顆粒直徑（減少床層孔隙率阻力）、采用球形催化劑（降低形狀因子）、優(yōu)化床層高度與直徑比（避免過高床層）。4.考慮因素：熱量移除能力（避免飛溫）、溫度分布均勻性（防止局部過熱）、反應(yīng)器材質(zhì)（耐溫耐腐蝕）?？販卮胧豪绺椒磻?yīng)器可設(shè)置夾套或內(nèi)盤管換熱；固定床反應(yīng)器可采用列管式結(jié)構(gòu)（管內(nèi)催化劑，管間通冷卻介質(zhì)）；或采用惰性載體稀釋催化劑以降低反應(yīng)熱強度。四、計算題1.一級反應(yīng)反應(yīng)器體積計算（1）PFR體積：一級反應(yīng)積分得：V_PFR=Q?C_A0∫(0→0.8)[dx_A/(kC_A0(1-x_A))]=(Q?/k)ln(1/(1-x_A))代入數(shù)據(jù)：Q?=10m3/h=10?L/h，k=0.5h?1，x_A=0.8V_PFR=(10?/0.5)×ln(1/0.2)=2×10?×1.609≈3.218×10?L=32.18m3（2）CSTR體積：V_CSTR=Q?C_A0x_A/(kC_A0(1-x_A))=Q?x_A/[k(1-x_A)]=10×0.8/(0.5×0.2)=80m3（3）兩個等體積CSTR串聯(lián)：設(shè)第一臺出口轉(zhuǎn)化率x?，第二臺出口x?=0.8。對第一臺：V?=Q?C_A0x?/[kC_A0(1-x?)]=Q?x?/[k(1-x?)]對第二臺：V?=Q?C_A0(x?-x?)/[kC_A0(1-x?)]=Q?(0.8-x?)/[k(1-0.8)]=Q?(0.8-x?)/(0.5×0.2)=10(0.8-x?)/0.1=100(0.8-x?)因V?=V?，故10x?/(0.5×0.2)=100(0.8-x?)→10x?/0.1=100(0.8-x?)→100x?=80-100x?→x?=0.4則V?=10×0.4/(0.5×0.6)=10×0.4/0.3≈13.33m3，總V=2×13.33≈26.66m3比較：串聯(lián)總V（26.66m3）<PFR（32.18m3）<單個CSTR（80m3）。2.絕熱反應(yīng)器溫度與速率計算（1）絕熱熱量衡算：F_A0(-ΔH)x_A=F_A0C_p(T-T?)→T=T?+(-ΔHx_A)/C_p代入數(shù)據(jù)：ΔH=-120kJ/mol=-120×103J/mol，C_p=30J/(mol·K)，T?=400K得：T=400+(120×103x_A)/30=400+4000x_A（2）x_A=0.6時，T=400+4000×0.6=2800K（注：實際中放熱反應(yīng)絕熱溫升可能過高，此處為理論計算）。阿倫尼烏斯方程：k=k?exp(-E/RT)，已知400K時k=0.1h?1，代入求k?：0.1=k?exp(-50×103/(8.314×400))→0.1=k?exp(-15.03)→k?=0.1×exp(15.03)≈0.1×3.3×10?=3.3×10?h?12800K時，k=3.3×10?×exp(-50×103/(8.314×2800))≈3.3×10?×exp(-2.15)≈3.3×10?×0.117≈3.86×10?h?1C_A=C_A0(1-x_A)，C_A0=F_A0/(Q)（假設(shè)Q為體積流量，因氣相反應(yīng)需考慮溫度壓力，但題目未給，簡化為C_A=C_A0(1-x_A)），此處C_A0=F_A0/(Q)，但Q=F_A0RT/(p)（理想氣體），因p未知，假設(shè)C_A=C_A0(1-x_A)=(F_A0/(Q))(1-x_A)，但Q=F_A0RT/p，故C_A=p(1-x_A)/(RT)。因p未知，題目未要求具體濃度，可簡化為：-r_A=kC_A=kC_A0(1-x_A)=3.86×10?×C_A0×0.4（若C_A0=F_A0/Q=100mol/h/Q，Q=F_A0RT/p，需更多數(shù)據(jù)，此處可能題目簡化，直接保留表達式）。3.串聯(lián)與并聯(lián)轉(zhuǎn)化率比較設(shè)反應(yīng)速率-r_A=kC_A，一級反應(yīng)。（1）串聯(lián)：兩臺CSTR體積均為V，總流量Q。第一臺：V=QC_A0x?/(kC_A0(1-x?))→x?=kV/(Q+kV)第二臺：V=QC_A0(x?-x?)/(kC_A0(1-x?))→(x?-x?)/(1-x?)=kV/Q→x?=(x?+kV/Q)/(1+kV/Q)代入x?=kV/(Q+kV)，得x?=(kV/(Q+kV)+kV/Q)/(1+kV/Q)=[kVQ+kV(Q+kV)]/[Q(Q+kV)(1+kV/Q)]=[2kVQ+k2V2]/[Q(Q+kV)+kV(Q+kV)]=[k(2QV+kV2)]/[(Q+kV)(Q+kV)]=kV(2Q+kV)/(Q+kV)2總轉(zhuǎn)化率x?=[kV(2Q+kV)]/(Q+kV)2（2）并聯(lián)：每臺流量Q/2，體積V。單臺轉(zhuǎn)化率x：V=(Q/2)C_A0x/(kC_A0(1-x))→x=kV/(Q/2+kV)=2kV/(Q+2kV)總轉(zhuǎn)化率為x（兩臺并聯(lián)后出口濃度相同）。比較：串聯(lián)轉(zhuǎn)化率高于并聯(lián)（例如取kV/Q=1，串聯(lián)x?=(1×(2+1))/(1+1)2=3/4=0.75；并聯(lián)x=2×1/(1+2)=2/3≈0.667）。五、綜合分析題（1）反應(yīng)器選型：選擇CSTR。理由：反應(yīng)為液相均相，需維持CO與甲醇的均勻混合（CO為氣體，需充分溶解）；放熱反應(yīng)需及時移熱，CSTR混合均勻，溫度控制更穩(wěn)定；動力學為雙組分濃度乘積（r=kC_AC_B），CSTR中低濃度甲醇與高濃度CO接觸（因CO分壓恒定，溶解度穩(wěn)定），可維持較高反應(yīng)速率（若用PFR，甲醇濃度沿程降低，速率下降更快）。（2）體積計算：CO溶解度C_CO=p_CO/H=3MPa/(0.1MPa·L/mol)=30mol/L（假設(shè)H為亨利常數(shù)，單位正確）。反應(yīng)速率-r_A=kC_CH?OH·C_CO=0.05×C_A×30=1.5C_A（C_A為甲醇濃度，單位mol/L）。CSTR設(shè)計方程：V=Q(C_A0-C_A)/(-r_A)=QC_A0x_A/(kC_AC_CO)