Специальный раздел по экзамену для инженеров-химиков, часть 4: Инженерия химических реакций
Thread Content
Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем zhanghp30 29.09.2019 в 14:19. 1. Экспертные знания: (1) Коэффициент превращения реагента a – Xa; коэффициент селективности – Sa; выход продукта – Ya. Xa = количество превращенного реагента a / начальное количество реагента a； Sa = Количество реагента a, потребовавшееся для получения конечного продукта P, / Количество превращенного реагента a ； Ya = количество реагента a, затраченное на получение конечного продукта P, / начальное количество реагента a. Следовательно, Ya = Sa * Xa. Следует обратить внимание на то, что единицей измерения вышеуказанного расхода является моль! Для однородной реакции: Sa=1, ya=Xa; для сложных реакций: Sa
(7) Катализаторы и их влияние на скорость реакции (множественный выбор): Участвуют в химических реакциях, при этом масса и химические свойства катализатора до и после реакции не изменяются; катализаторы способны изменять скорости прямой и обратной реакций, но не могут изменить теплоту реакции, начальное и конечное состояния системы, а также равновесное состояние; однако они сокращают время достижения равновесия. Действие катализаторов является селективным.
(8) Несколько полезных выводов: Для реакций с положительным порядком скорость реакции всегда уменьшается по мере увеличения степени превращения; для необратимых реакций и обратимых эндотермических реакций скорость возрастает с повышением температуры; для обратимых экзотермических реакций скорость максимальна при определенной оптимальной температуре; в обратимых реакциях скорость минимальна в состоянии равновесия.
1). При самокатализирующейся реакции, когда степень превращения равна нулю, а продуктов реакции в системе нет, скорость реакции ( )
А. максимальная
Б. имеет экстремум
В. отрицательная
Г. равна нулю
Ответ: Г
2). В реакторе с выталкивающим потоком протекает реакция с переменным объемом. Если a>0, то каково соотношение между пространственным временем T и средним временем пребывания t? ( )
А. равны
Б. меньше
В. больше
Г. близки
Ответ: В
3). Катализатор не может ( )
А. изменять продукты реакции
Б. изменять равновесие реакции
В. изменять скорость реакции
Г. подавлять побочные реакции
Ответ: Б
4). Для последовательной реакции A----B----D константы скоростей составляют K1 и K2 соответственно. Если Ea2>Ea1, то для получения большего количества продукта B в принципе следует ( )
А. повысить температуру
Б. понизить температуру
В. своевременно удалять продукт D
Г. сократить время реакции
Ответ: Б
5). Для обратимой реакции энтальпия составляет -150 кДж/моль. Тогда энергия активации прямой реакции равна ( )
А. неопределима
Б. больше 150
В. меньше 150
Г. равна 150
Ответ: А
6). Пары CH3CHO при 791 К и давлении 48,3 кПа разлагаются с периодом полураспада 410 с; при давлении 22,5 кПа период полураспада составляет 880 с. Каков порядок этой реакции? ( )
А. 0
Б. 1
В. 2
Г. 3
Ответ: В
7). Для реакции с энергией активации 80 кДж/моль при повышении температуры с 100°C до 110°C скорость реакции увеличивается примерно в ( ) раз.
А. 1 раз
Б. 2 раза
В. 3 раза
Г. 4 раза
Ответ: Б
8). Реакция 2A----P имеет второй порядок. Разница во времени, необходимом для расходования 1/3 и 2/3 исходного вещества, составляет 9 с. Каков период полураспада этой реакции? ( )
А. 6 с
Б. 8 с
В. 12 с
Г. 16 с
Ответ: А
9). Для первого порядка жидкофазной реакции при температуре T начальная скорость составляет r0 = 1*10^-5 моль·дм^-3·с^-1; через 1 час скорость становится равной r1 = 3,26*10^-6 моль·дм^-3·с^-1. Какова константа скорости реакции? ( )
А. 3,11*10^-4 с
Б. 2,11*10^-4 с
В. 4*10^-4 с
Г. неопределима
Ответ: А
10). Известно, что при 25°C константа скорости разложения NaOCl равна 0,0093 с^-1, а при 30°C — 0,014 с^-1. Сколько времени потребуется при 40°C для того, чтобы разложилось 99% вещества? А 60 Б 139 В 270 Г 360 Б
(8) Несколько полезных выводов: Для реакций с положительным порядком скорость реакции всегда уменьшается по мере увеличения степени превращения; для необратимых реакций и обратимых эндотермических реакций скорость возрастает с повышением температуры; для обратимых экзотермических реакций скорость максимальна при определенной оптимальной температуре; в обратимых реакциях скорость минимальна в состоянии равновесия.
1). При самокатализирующейся реакции, когда степень превращения равна нулю, а продуктов реакции в системе нет, скорость реакции ( )
А. максимальная
Б. имеет экстремум
В. отрицательная
Г. равна нулю
Ответ: Г
2). В реакторе с выталкивающим потоком протекает реакция с переменным объемом. Если a>0, то каково соотношение между пространственным временем T и средним временем пребывания t? ( )
А. равны
Б. меньше
В. больше
Г. близки
Ответ: В
3). Катализатор не может ( )
А. изменять продукты реакции
Б. изменять равновесие реакции
В. изменять скорость реакции
Г. подавлять побочные реакции
Ответ: Б
4). Для последовательной реакции A----B----D константы скоростей составляют K1 и K2 соответственно. Если Ea2>Ea1, то для получения большего количества продукта B в принципе следует ( )
А. повысить температуру
Б. понизить температуру
В. своевременно удалять продукт D
Г. сократить время реакции
Ответ: Б
5). Для обратимой реакции энтальпия составляет -150 кДж/моль. Тогда энергия активации прямой реакции равна ( )
А. неопределима
Б. больше 150
В. меньше 150
Г. равна 150
Ответ: А
6). Пары CH3CHO при 791 К и давлении 48,3 кПа разлагаются с периодом полураспада 410 с; при давлении 22,5 кПа период полураспада составляет 880 с. Каков порядок этой реакции? ( )
А. 0
Б. 1
В. 2
Г. 3
Ответ: В
7). Для реакции с энергией активации 80 кДж/моль при повышении температуры с 100°C до 110°C скорость реакции увеличивается примерно в ( ) раз.
А. 1 раз
Б. 2 раза
В. 3 раза
Г. 4 раза
Ответ: Б
8). Реакция 2A----P имеет второй порядок. Разница во времени, необходимом для расходования 1/3 и 2/3 исходного вещества, составляет 9 с. Каков период полураспада этой реакции? ( )
А. 6 с
Б. 8 с
В. 12 с
Г. 16 с
Ответ: А
9). Для первого порядка жидкофазной реакции при температуре T начальная скорость составляет r0 = 1*10^-5 моль·дм^-3·с^-1; через 1 час скорость становится равной r1 = 3,26*10^-6 моль·дм^-3·с^-1. Какова константа скорости реакции? ( )
А. 3,11*10^-4 с
Б. 2,11*10^-4 с
В. 4*10^-4 с
Г. неопределима
Ответ: А
10). Известно, что при 25°C константа скорости разложения NaOCl равна 0,0093 с^-1, а при 30°C — 0,014 с^-1. Сколько времени потребуется при 40°C для того, чтобы разложилось 99% вещества? А 60 Б 139 В 270 Г 360 Б
2. Знания из примеров 1). В реакторе с периодическим перемешиванием происходит однородная реакция: A+B → P. Кинетика реакции: -rA = k·CA·CB, где к = 10^4 м³·кмоль^-1·ч^-1. При начальной концентрации обоих реагентов 4 моль/м³ и степени превращения A равной 0,8, реактор может обрабатывать в среднем 41,04 моль реагента A в час. Реакцию будут проводить в реакторе с равномерным потоком вещества и внутренним диаметром 125 мм; прочие условия операции остаются без изменений. Необходимо определить длину реактора. CA0=CB0, следовательно, -rA=k*CA^2. Время реакции tr=CA0*f dXA/(-rA)=XA/KCA0*(1-XA)=0,1 ч. Время реакции соответствует времени пребывания субстрата в реакторе с постоянным потоком. Следовательно, r0 = FA0/CA0 = 41,04/4 = 10,26 м³/ч. V = r0·t = 10,26·0,1 = 1,026 м³. Длина трубы L = V/(0,785·d²) = 0,1026/(0,785·0,125·0,125) = 84 м.
2). При происхождении двухстадийной необратимой реакции в жидкой фазе при начальной концентрации 5 кмоль/м³ для достижения определенной концентрации требуется 285 секунд; при начальной концентрации 1 кмоль/м³ на это уходит 283 секунды. Сколько времени потребуется для снижения начальной концентрации с 5 кмоль/м³ до 1 кмоль/м³? deta T=285–283=2 секунды. Это обратимая реакция, при которой объем вещества не меняется до и после реакции. Часть вещества, которая уже претерпела реакцию, не оказывает никакого влияния на ход реакции. В процессе реакции любой момент времени может служить начальным и конечным моментом. 3). Насколько уменьшится радиоактивность радиоактивной жидкости с периодом полураспада 20 ч, если она с расходом 0,1 м³/ч проходит через два последовательно соединенных реактора идеального смешивания объемом по 40 м³? Радиоактивность подчиняется закону первого порядка. Следовательно, k = ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 ч^-1. Для реактора с полным смешиванием: T = CA0 – CAf / –rA, первый реактор. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA); XA = 0,9327. Во втором реакторе степень превращения также составляет 0,9327. Следовательно, общая степень превращения равна: (CA0 – CA0(1 – XA)*(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)*(1 – 0,9327) = 0,9955. 4). Сложная реакция в жидкой фазе: A + B → P(1) ； A+P------S(2): начальные концентрации составляют CA0=2,0 моль/л, CB0=4,0 моль/л, а CP0 и CS0 равны 0. Реакция происходит в интермиттентном реакторе. Было установлено, что концентрации CA и CB составляют соответственно 0,3 моль/л и 2,4 моль/л. Каковы же концентрации P и S? Исходя из B в качестве эталона, какова селективность реагента B и каков выход продукта? 1 Расход A = (CB0 – CB) = 4 – 2,4 = 1,6 ； В реакции 2 расходуется A = (2 – 0,3) – 1,6 = 0,1. Следовательно, Cs = 0,1. Концентрация продукта P равна количеству P, образовавшемуся, за вычетом количества P, потраченного на реакцию: Cp = 1,6 – 0,1 = 1,5. Если взять B в качестве эталона, то селективность реакции составит: B = Cp/(CB0 – CB) = 1,5/4 – 2,4 = 0,9375. Выход продукта P: Cp/CB0 = 1,5/4 = 0,375. 5). Реакция первого порядка в газофазе: A → 3P ； Реакция проводится в изотермическом трубчатом реакторе; исходный материал содержит 50% активного вещества и 50% инертных веществ. Время пребывания субстрата в реакторе составляет 10 минут. При этом объемный расход продукта на выходе из системы увеличивается в 1,5 раза по сравнению с начальным значением. Необходимо определить степень превращения вещества A и константу скорости реакции. Коэффициент расширения SA = 3 – 1/1 = 2; коэффициент увеличения объема EA = SA * yA0 = 2 * 0,5 = 1. V = V0 * (1 + EA * XA); V/V0 = 1,5; XA = 0,5. T = CA0 * f * dXA / (-rA) = f * dXA / (k * (1 – XA) / (1 + XA)); T = 10, XA = 0,5. Получаем, что k = 0,08863 л/мин
2). При происхождении двухстадийной необратимой реакции в жидкой фазе при начальной концентрации 5 кмоль/м³ для достижения определенной концентрации требуется 285 секунд; при начальной концентрации 1 кмоль/м³ на это уходит 283 секунды. Сколько времени потребуется для снижения начальной концентрации с 5 кмоль/м³ до 1 кмоль/м³? deta T=285–283=2 секунды. Это обратимая реакция, при которой объем вещества не меняется до и после реакции. Часть вещества, которая уже претерпела реакцию, не оказывает никакого влияния на ход реакции. В процессе реакции любой момент времени может служить начальным и конечным моментом. 3). Насколько уменьшится радиоактивность радиоактивной жидкости с периодом полураспада 20 ч, если она с расходом 0,1 м³/ч проходит через два последовательно соединенных реактора идеального смешивания объемом по 40 м³? Радиоактивность подчиняется закону первого порядка. Следовательно, k = ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 ч^-1. Для реактора с полным смешиванием: T = CA0 – CAf / –rA, первый реактор. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA); XA = 0,9327. Во втором реакторе степень превращения также составляет 0,9327. Следовательно, общая степень превращения равна: (CA0 – CA0(1 – XA)*(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)*(1 – 0,9327) = 0,9955. 4). Сложная реакция в жидкой фазе: A + B → P(1) ； A+P------S(2): начальные концентрации составляют CA0=2,0 моль/л, CB0=4,0 моль/л, а CP0 и CS0 равны 0. Реакция происходит в интермиттентном реакторе. Было установлено, что концентрации CA и CB составляют соответственно 0,3 моль/л и 2,4 моль/л. Каковы же концентрации P и S? Исходя из B в качестве эталона, какова селективность реагента B и каков выход продукта? 1 Расход A = (CB0 – CB) = 4 – 2,4 = 1,6 ； В реакции 2 расходуется A = (2 – 0,3) – 1,6 = 0,1. Следовательно, Cs = 0,1. Концентрация продукта P равна количеству P, образовавшемуся, за вычетом количества P, потраченного на реакцию: Cp = 1,6 – 0,1 = 1,5. Если взять B в качестве эталона, то селективность реакции составит: B = Cp/(CB0 – CB) = 1,5/4 – 2,4 = 0,9375. Выход продукта P: Cp/CB0 = 1,5/4 = 0,375. 5). Реакция первого порядка в газофазе: A → 3P ； Реакция проводится в изотермическом трубчатом реакторе; исходный материал содержит 50% активного вещества и 50% инертных веществ. Время пребывания субстрата в реакторе составляет 10 минут. При этом объемный расход продукта на выходе из системы увеличивается в 1,5 раза по сравнению с начальным значением. Необходимо определить степень превращения вещества A и константу скорости реакции. Коэффициент расширения SA = 3 – 1/1 = 2; коэффициент увеличения объема EA = SA * yA0 = 2 * 0,5 = 1. V = V0 * (1 + EA * XA); V/V0 = 1,5; XA = 0,5. T = CA0 * f * dXA / (-rA) = f * dXA / (k * (1 – XA) / (1 + XA)); T = 10, XA = 0,5. Получаем, что k = 0,08863 л/мин
Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем zhanghp30 16.01.2020 в 10:40. При температуре 650°C в устройстве типа PFR происходит окислительно-дегидрогенационная реакция бутена с целью получения бутадиена: C4H8(A) → C4H6 + H2. Скорость реакции выражается формулой -rA = kPA·kmol/m3·ч. Исходным газом является смесь бутена и водяного пара; соотношение молярных количеств составляет 1. Давление в системе составляет 0,10133 МПа. При температуре 650°C значение константы k равно 106,48 кмол/м3·ч·МПа. Степень превращения бутена составляет 0,9. Каково должно быть давление в вакуумной части системы? T = CA0·f·dXA/kPA; PA = CA·RT; SA = 1 + 1 – 1/1 = 1. Следовательно, CA = CA0·(1–XA)/(1 + 0,5·XA). T = f·(1 + 0,5·XA)·dXA/(kRT·(1–XA)) = 13,2 с. Реакция самокатализа в жидкой фазе: A + P → P + P; -rA = k·CACP. В изотермическом интермитентном реакторе скорость реакции определяется по формуле: CA0 = 0,95 моль/л, CP0 = 0,05 моль/л. Через 1 час скорость реакции достигает своего максимума. Необходимо найти константу скорости при этой температуре. -rA = kCA*(1–CA); дробь d(-rA)/dCA равна 0. Следовательно, CA = 0,5 моль/л. Также имеем: T = –f dCA/k*CA(1–CA). После интегрирования и подстановки значения T = 1 получаем, что k = 2,944 л/моль·ч. Для решения задач 6 и 7 необходимы хорошие знания высшей математики. Описание этих задач простое, процесс решения также прост, однако это часто встречающиеся типы задач, поэтому к ним следует уделять внимание! 8)*. В реакторе типа CSTR происходит следующая реакция: 4NH3(A) + 6HCHO(B) = (CH2)6N4(P) + 6H2O(S). Объем реактора составляет 490 см³, скорость перемешивания – 1800 об/мин. Кинетика реакции описывается уравнением -rA = kCACB², где K = 1,42*10³*E^-3090/T. Концентрация вещества A равна 4,06 моль/л, а концентрация вещества B – 6,32 моль/л. Скорость потока обоих веществ составляет 1,5 см³/с. Температура реакции – 36°C. Необходимо определить концентрации веществ на выходе из реактора: Caf и Cbf. Начальные концентрации: CA0 = 4,06/2 = 2,03 моль/л, CB0 = 6,32/2 = 3,16 моль/л. Формулы для расчета: CA = CA0(1-XA), CB = CB0 – 3/2*CA0. Из уравнения r*(CA0-CA)/-rA = VR, где r = 3 см³/с, можно найти значение XA. Подставив числовые значения, получаем XA = 0,82; следовательно, CA = 0,365 моль/л, а CB = 0,663 моль/л.
9)*. В реакторе с полным смешиванием происходит обратимая реакция: A + B → R + S. Константы скорости реакции: k1 = 7 м³/кмоль·мин, k-1 = 3 м³/кмоль·мин. Скорость потока веществ A и B составляет 0,004 м³/мин. Концентрации веществ A и B в добавляемой смеси равны соответственно 2,8 кмоль/м³ и 1,6 кмоль/м³. Объем реактора VR = 0,12 м³. Необходимо определить степень превращения вещества B r=0,008 м³/мин, CA0=2,8/2=1,4, CB0=1,6/2=0,8. Пусть степень преобразования вещества B равна CB=CB0(1-XB)=0,8(1-XB). Тогда CA=CA0-CB0XB=1,4-0,8XB, а CS=0,8XB=CR-rB=K1CACB-K-1*CRCS=2,56XB²-12,32XB+7,84. Время реакции T=VR/r=0,12/0,008=15 минут. Также имеем соотношение CB0XB/-rB, откуда XB=0,75. 10) Реакции последовательного типа A------P-------S; K1=0,15 мин⁻¹, K2=0,05 мин⁻¹. Скорость подачи реагентов составляет 0,5 м³/мин. Значения CA0, CP0 и CS0 равны нулю. Необходимо определить выход продукта P в реакторе типа CSTR объемом 1 м³. T=1/0,5=2 МИН, YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0,21
9)*. В реакторе с полным смешиванием происходит обратимая реакция: A + B → R + S. Константы скорости реакции: k1 = 7 м³/кмоль·мин, k-1 = 3 м³/кмоль·мин. Скорость потока веществ A и B составляет 0,004 м³/мин. Концентрации веществ A и B в добавляемой смеси равны соответственно 2,8 кмоль/м³ и 1,6 кмоль/м³. Объем реактора VR = 0,12 м³. Необходимо определить степень превращения вещества B r=0,008 м³/мин, CA0=2,8/2=1,4, CB0=1,6/2=0,8. Пусть степень преобразования вещества B равна CB=CB0(1-XB)=0,8(1-XB). Тогда CA=CA0-CB0XB=1,4-0,8XB, а CS=0,8XB=CR-rB=K1CACB-K-1*CRCS=2,56XB²-12,32XB+7,84. Время реакции T=VR/r=0,12/0,008=15 минут. Также имеем соотношение CB0XB/-rB, откуда XB=0,75. 10) Реакции последовательного типа A------P-------S; K1=0,15 мин⁻¹, K2=0,05 мин⁻¹. Скорость подачи реагентов составляет 0,5 м³/мин. Значения CA0, CP0 и CS0 равны нулю. Необходимо определить выход продукта P в реакторе типа CSTR объемом 1 м³. T=1/0,5=2 МИН, YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0,21
Эта часть — моя слабая сторона, собираюсь распечатать её и тщательно изучить~~
Похоже, автор не сделал обзора сложных реакций (параллельных, последовательных).
В учебнике с примерами есть, у меня мало времени на работу, поэтому могу решать только такие задачи — именно такие часто встречаются на экзаменах! Если не знаете, посмотрите книгу сами.
В прошлом экзамене я потерпел неудачу в этом аспекте, на этот раз я должен это компенсировать