反应工程分析作业

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1、第一章 绪论（刘小琴、高瑞、张铭、张俊峰）1什么是“放大效应”，出现的原因是什么？答：“放大效应”是由于在大装置中未能创造出与小装置中相同的传递条件而出现的差异。工业装置上采用的反应条件不一定与小试或中试中的一致。例如，在实验室间歇反应器中进行某一反应时，反应物料的温度浓度是均一的,只随反应时间而变，所有物料的停留时间也相等，而在工业反应器中，反应器尺寸变大，反应器的操作方式也可能 发生了变化，温度、浓度会呈现某种温度分布和浓度分布，反应物料的停留时间也不再均一。从实验室反应器到工业反应器的放大过程中，影响反应结果的这些参数很难完全保持不变。这就是出现“放大效应”的原因。2用逐级放大法如何对反

2、应器进行放大设计？答：首先在实验室反应器中进行小型工艺试验，根据试验结果，确定反应器选型和优化工艺条件。然后再进行规模 稍大些的模型（模试）试验和规模更大些的中间工厂试验（中试），考察反应器尺寸变化对反应结果的影响。在没有把握时，往往要经过多级不同规模的中试，才能进行工业规模的大型反应器的设计。该方法工作程序如图所示。实验室反应器中间试验反应器工业装置3. 对于一个反应过程的开发，是否会发生“放大效应”，主要取决于哪些因素？答：主要取决于（1）反应器中的浓度分布和温度分布对反应器规模的扩大和由此引起的传递过程状况的变化是否 敏感；（2）反应结果对反应器中的浓度分布和温度分布的变化是否敏感。4.

3、 何为数学模型？在化学反应工程中，数学模型主要包括哪些内容？答：广义地说，数学模型方法就是用一组数学方程式去描述所研究的过程中有关参数和变量间的相互关系，并通 过方程组的求解对过程的特性进行分析。狭义地说，在化学反应过程中对复杂的实际过程进行必要的合理的简化， 在此基础上重新勾画过程的物理图像，建立物理模型，然后对此物理模型进行数学描述，得到过程中各参数和变量 间的相互关系。在化学反应工程中， 数学模型主要包括：（1 ）动力学方程式；（2）物料衡算式；（3）热量衡算式；（4） 动量衡算式；（5）参数计算式。5. 下图为典型的化工生产过程，请简述该化工生产的过程工艺流程。循环典型的化工生产过程答

4、：原料经过一系列物理处理步骤，达到能够进行化学反应所需的条件，然后通过化学反应器（化学处理步骤）转化为反应产物，反应产物再经过一系列物理处理步骤-分离、提纯等，一部分变成为能满足市场需求的产品，而另一部分没有反应的物料进行循环再反应。6. 在工业反应过程开发中存在着“放大效应”等问题，那什么是放大效应？答：在实验 室中利用小型 设备进行 化工过程 实验得出的 研究 结果，在相同的操作条件下与 大型生产装置得出 的结果往往有 很大差别，这些差别包括反应物的温度、浓度、物料停留时间分布不同而引起的。化工过程实验从小型设备放大到大型设备引起的这些差别的影响称为放大效应。第二章化学反应的热力学和动力学

5、（皮淑颖 段诗洁 石玉静 徐寅强）第节1. 用自己的话总结反应体系的绝热温升现象。对于反应过程，常采用什么方法降低绝热温升？苯和乙烯在分子筛催化剂上气相合成乙苯反应过程中，按化学计量方法，苯和乙烯的物质的量之比为1:1，但工业反应器中两者的物质的量之比却为 7:1，请说明这样做的原因。答：1）对有一种以上反应物参加的反应过程，若进料中各反应物的配比不满足化学计量关系，则当限制组分完全 转化，且在反应过程中反应物流与环境无热量交换，即反应器为绝热操作时，反应物系温度升高或降低的 幅度将达到最大值，这种温度变化的现象称为绝热温升现象。2）对工业过程，常采用对反应物系进行稀释的方法降低绝热温升，使反

6、应器中的温度变化控制在可以接受的 范围内。3）这样做一方面是为了减少太多乙苯的生成，另一方面是为了减少绝热温升，以便采用结构简单的多段绝热固定床反应器。2. 当反应器绝热操作时，此条件下的操作线怎样变化？对于放热反应，绝热操作时温度随转化率增加而升高，而理想的操作线却为渐降的温度变化序列，请列出至少两种换热方案使操作线接近理想状况。答：1）由于限制组分的初始浓度Cao随惰性组分的增加而减小，所以绝热条件下的操作线随惰性组分的增加而向垂直线靠拢，当 Cao趋近零时，操作线变为垂直线，这也是等温操作的特殊情况。2）两种方案：一、在反应过程中进冷物料，通过反应物流与冷进料物流进行换料，从而移走大量反

7、应热； 二、采用多段操作，在绝热段之间逐级降低温度，由高温到中温再到低温，每段降温过程中移走反应热，从而达到要求的渐降温度。第二节1. 碳酸丙烯酯（PC和甲醇（MeOH通过酯交换反应生成碳酸二甲酯（ DMC和丙二醇（PG为一可逆反应过程：GH6QCO+2C3OH? （CHaOhCO+CHQHh，在60C时，该反应的化学平衡常数为0.1378,当MeOH和PC的物质的量之比为2:1时，PC的平衡转化率约为 27.2%,此反应体系中四组分的沸点分别为：甲醇， 64.7 C ;碳酸丙烯酯， 241.7 C;碳酸二甲酯，90.3 C;丙二醇，187.4 C,请问，怎样能尽可能大的提高碳酸丙烯酯的转化率

8、？答：由反应体系四组分的沸点可以得出，甲醇和碳酸二甲酯会形成一最低共沸物，此时共沸点为63.5 C,甲醇和碳酸二甲酯的物质的量之比约为7:1，所以若进料中甲醇的过量比足够大，在反应精馏塔里反应生成的碳酸二甲酯和甲醇会形成共沸物向塔顶富集，而丙二醇将向塔底富集，这样就使碳酸二甲酯和丙二醇分开，抑制了逆反应，碳酸 丙烯酯的转化率将会大有提高。2. 请借助化学平衡分析举例说明判别反应过程的控制因素是动力学的还是热力学的。答：若已知某一反应体系的转化率随时间的变化情况。在没有催化剂，反应时间为t1时其转化率仅为25%在有催化剂，反应时间为t1时，其转化率提高至 45%但仍不高。经化学平衡计算知，在所研

9、究的反应条件下，该体系的 平衡转化率为 50%因此，在未使用催化、转化率仅为25%寸，距平衡转化率尚远，动力学是过程的控制因素。但当转化率提高至45%寸，已相当接近平衡转化率，过程的控制因素转变为热力学。第三节1. 请指出气固相催化反应过程中反应实际进行的场所，决定气固相催化反应速率的因素，并说明原因。答：在气固相催化反应过程中，反应实际上只发生在固体催化剂的活性中心上，因此反应速率仅由催化剂活性中心上的温度和浓度决定。由于存在气相主体和催化剂外表面之间和催化剂颗粒内部的传递阻力，气相主体和催化剂活性中心之间往往会存在一定的浓度差和温度差，从而对反应速率和选择性造成一定的影响。2. 写出特征反

10、应时间和反应实际进行时间的区别。当反应实际进行时间等于特征反应时间时，反应物的转化率随反应级数怎样变化？答：特征反应时间和反应实际进行时间的含义完全不同。特征反应时间是指以反应物系初始浓度CA0的反应物耗尽所需的时间，是一表示反应体系动力学特征的参数。而反应实际进行的时间是指反应物料在反应器中停留的时间。当反应实际进行时间等于特征反应时间tr时，不同级数的反应所能达到的转化率是不同的，反应级数越高，反应物的转化率越低。对于零级反应，转化率为1；对于任何高于零级的反应，反应物的转化率均小于1。第三章均相反应器（费腾、高永飞、谢萌）1什么是间歇反应器的最优反应时间？在一定操作条件下，间歇反应器中反

11、应物的转化率或产物的数量将随反应时间的延长而增加，但随着反应时间 延长，反应物浓度越来越低，反应速率越来越小，单位时间的反应量不一定增加。另一方面，若反应时间很短，虽 然反应速率较大，但由于产物总的生成量小， 辅助操作又要花费一定的时间， 单位时间的反应量也不一定高。 所以, 必然存在一使单位时间的反应量最大的最优反应时间。2均相反应器的特征？均相反应器的特征是在反应器内任取一尺度远小于反应器的微元（但仍含有大量分子），在微元内不存在组成和温度的差异，即已达到分子尺度的均匀。因此，在均相反应器内不存在微元尺度的质量传递和热量传递，而只有 由物料的宏观运动引起的传质和传热。3什么是理想间歇反应器

12、？当搅拌足够强烈，反应物料黏度较小， 反应速率不是太快时， 在任一瞬时反应器内各处物料的组成和温度均为 一致，即任一处的组成和温度皆可作为整个反应器状态的代表，配有夹套，可提供或移走热量，控制反应温度。4 理想间歇反应器描述釜内物料的组成和温度随反应进程改变的物料衡算和能量衡算方程是什么？物料衡算方程：= CAD 77 = u（ca,t）能量衡算方程：Mcp = VR（-切） rA（cA,r） + UAr（Tc - r）相应初始条件为CA（O） =CjM）r（o） = g5什么是活塞流反应器？活塞流反应器是一种理想化的连续流动反应器。活塞流反应器也称为平推流反应器、 理想管式反应器、理想排挤反

13、应器，其特点是反应器径向具有严格均匀的流速和流体性状（压力、温度、组成），轴向不存在任何形式的返混。6什么是全混流反应器？是一种返混为无穷大的理想化的流动反应器，其特点是物料进入反应器的瞬间即反应器内的原有物料完全混 合，反应器内物料的组成和温度处处相等，且等于反应器出口处物料的组成和温度。第四章：返混和停留时间分布（孙哲、孙泽林、闫蓓）1、返混的定义及其对反应器的影响结果答：返混是指反应器中具有不同停留时间的物料之间的混合，是连续操作反应器特有的混合现象。影响结果：返混改变了反应器内浓度分布，使反应物浓度下降，产物浓度升高，从而对反应器的性能产生影响。（2）在反应过程连续化时，须充分考虑返混

14、的影响，否则非但不能强化生产，反而可能造成生产能力的下降和产物选择性的恶化。（3）在反应器放大过程中，随着设备规模的变化，反应器内流动状态和返混程度也会发生变化，这是产生“放大 效应”的重要原因之一。2、返混的利弊答：一般，返混会使反应器生产能力下降，反应级数越高或反应要求的最终转化率越高，返混的影响越严重。但对 自催化反应来说，适度的返混对提高生产能力却是有利的，且有时为避免反应过于激烈，或抑制反应物系温度的过 于变化，会有意造成一定返混使反应速率降低。3、产生返混的原因及抑制返混的方法答：产生返混的原因有（1 ）反应器存在的不同尺度的方向运动，（2）不均匀的流速分布。抑制返混的方法主要是横

15、向分隔和纵向分隔，如工业上采用连续搅拌釜式反应器需限制返混时，常采用多级全混釜串联操作，高径比较大 的流化床反应器常在内部设置横向挡板或采用多层流化床，高径比较小则可设置垂直管，气液反应的鼓泡塔内加填 料均是为了限制返混。（图中厂表示根据反应器实际容积计4、下图为接近活塞流的反应器的几种停留时间分布曲线，试分析并解释原因。算的平均停留时间）圏43活塞濂的反应斟的几种停留时何分布曲鏡答：（a）正常的停留时间分布曲线，曲线的峰形和位置均与预期相符；（b）出峰时间过早，表明反应器内可能存在静止区，使反应器有效容积小于实际容积，平均停留时间缩短；（c）出现几个递降的峰，表明反应器内可能存在循环流；（d）出峰时间太晚。可能是计算上的误差，或示踪剂被器壁或填充物吸附；（e）出现两个峰，表明反应器内有两股平行流，如存在短路或沟流。5、什么是分散模型？分散模型的作用？答：分散模型是通过在主题活塞流上跌加一轴向分散来描述反应器中的返混及其对化学反应的影响。预测反应器的 性能不仅需要利用停留时间分布的信息，而且还要建立便于数学描述的物理模型，理论上分散模型可描述返混量介 于零与无穷大之间的任何非理想流动，但实际该模型主要用于描述与活