环工原理思考题答案.docx

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环工原理思考题答案

十一章

第一节

（1）快速去除污染物的关键是什么？

（2）反应器的一般特性主要指哪几个方面？

指反应器内物料的流动状态、混合状态以及质量和能量传递性能等，它们取决于反应器的结构形式、操作方式等。

（3）反应器研究开发的主要任务是什么？

（4）什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？

它们一般各有哪些主要特点？

1.间歇操作：

将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。

间歇操作的主要特点：

（1）操作特点：

反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。

（2）基本特征：

间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。

（3）主要优点：

操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。

（4）主要缺点：

设备利用率低，劳动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。

2.连续操作：

连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器。

特点：

（1）操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。

（2）基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。

（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。

）

（3）主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。

规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。

（4）主要缺点∶灵活性小，设备投资高。

3.半连续操作：

原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作。

特点：

半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。

反应器内的组成随时间变化而变化。

（5）什么是空间时间和空间速度？

它们所表达的物理意义分别是什么？

空间时间：

反应器有效体积（V）与物料体积流量（qv）之比值.

空间速度：

单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量.

（6）一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么？

（7）根据反应物料的流动与混合状态，反应器可分为哪些类型。

理想流反应器和非理想流反应器；完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。

（8）反应器设计的基本内容包括哪几个方面？

它通常用到哪几类基本方程？

基本内容：

选择合适的反应器型式；确定最佳的操作条件；计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应器的主要尺寸。

反应器设计用到的基本方程：

反应动力学方程、物料/能量/动量衡算式

第二节

（1）什么是膨胀因子？

膨胀因子为1的反应体系，反应后系统的物质的量将如何变化？

若是膨胀因子为的反应体系，则如何变化？

膨胀因子：

每消耗1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量的变化量（δ）称为该反应物的膨胀因子

405页

（2）什么是简单反应和复杂反应？

可逆反应属于哪一类反应？

为什么？

简单反应：

指能用一个计量方程描述的反应。

复杂反应：

指需用多个计量方程描述的反应。

可逆反应属于简单反应。

因为它可以写出正反应和负反应的两个计量方程，但两者并不独立，用其中一个计量方程即可表达反应组分间的定量关系。

（3）什么是均相内反应和界面反应？

（4）对于连续反应器，某一关键组分的转化率的一般定义是什么？

组分在反应器内的变化情况。

（5）对于实际规模的化学反应器，影响某一关键组分的转化率的主要因素是什么？

第三节

（1）若将反应速率的定义写成－r＝－dc/dt，该定义式成立的条件是什么？

说明理由。

（2）气－固相反应的反应速率有哪几种表达方式？

气－液相反应情况又如何？

（3）什么是反应级数？

它的大小能否反映反应速率的大小？

为什么？

反应级数是由实验获得的经验值，只有基元反应时，才与计量系数相等。

反应级数不能独立地预示反应速率的大小，只表明反应速率对浓度变化的敏感程度

（4）对于某一化学反应，它的速率常数是否与反应物的浓度有关？

催化剂能否改变速率常数的大小？

对于化学反应：

k的大小与温度和催化剂等有关，与反应物浓度无关。

催化剂能改变。

（5）零级不可逆单一反应有哪些主要特点？

（6）一级不可逆单一反应有哪些主要特点？

（7）二级不可逆单一反应有哪些主要特点？

（8）对于可逆单一反应，反应物的浓度能减少到零吗？

为什么？

（9）在平行反应中，什么是主反应？

什么是副反应和副产物？

（10）对于串联反应，其中间产物的浓度随反应时间如何变化？

在实际操作中能否将中间产物的浓度控制到最大值？

如何控制？

十二章

第一节

（1）动力学实验的主要目的有哪些？

（2）用槽式反应器进行动力学实验有哪些优点？

动力学数据的解析比较容易。

转化率的大小没有限制，因此对分析的要求也不太苛刻。

（3）对反应器进行物料衡算时，一般应注意哪些问题？

尽量选取组分浓度、温度等均一的单元，可以简化计算（书P427）

（4）对于全混流槽式反应器和推流式反应器，分别如何选择物料衡算单元，为什么？

第二节

（1）在环境工程研究中，进行液相反应速率方程的实验测定时，常采用间歇反应器或槽式连续反应器，为什么？

（2）简述利用间歇反应器进行动力学实验的一般步骤。

（3）试用流程图表达间歇动力学实验数据的积分解析法。

（4）试用流程图表达间歇动力学实验数据的微分解析法。

（5）如何利用半衰期确定反应级数？

第三节

（1）在稳态状态下，槽式连续反应器内的组分组成和转化率随时间变化吗？

为什么？

（2）试用流程图表达利用槽式连续反应器进行动力学实验的一般步骤。

（3）试用流程图表达利用积分平推流反应器进行动力学实验的一般步骤。

（4）试用流程图表达利用微分反应器进行动力学实验的一般步骤。

（5）什么是积分反应器和微分反应器？

它们用于动力学实验时，各有什么特点？

十三章

第一节

（1）对于一个实际规模的均相连续反应器，影响反应物转化率的主要因素有哪些？

（2）间歇反应器的一般操作方式是什么？

你能举出哪些间歇反应器的例子？

将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。

反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。

之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。

例子：

八宝粥、中草药熬制、啤酒酿造

（3）半间歇反应器有哪几种操作方式？

（4）半间歇反应器与间歇反应器相比有哪些异同点？

（5）对于半间歇反应器，转化率是如何定义的？

第二节

（1）全混流连续反应器的一般操作方式是什么？

你能举出哪些间歇反应器的例子？

连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应液排出反应器，并采取搅拌等手段使反应器内物料浓度和温度保持均匀。

全混流反应器是一种理想化的反应器。

（2）与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，所需全混流连续反应器的体积有何不同？

为什么？

对于同一反应器，利用间歇反应器达到同样转化率所需要的时间比全混流连续反应器的时间要短。

书P435

（3）对于一简单不可逆反应，在反应器总有效体积和反应条件不变的条件下，随着全混流反应器的级数的增加，反应物的转化率如何变化？

为什么？

转化率的极限值是什么？

（4）简述多级全混流反应器的解析计算法。

（5）简述多级全混流反应器的图解计算法。

第三节

（1）对于一个实际规模的反应器，在什么条件下可视为平推流反应器？

（2）对于不可逆液相反应，利用间歇反应器和理想平推流反应器进行反应操作时的基本方程有何异同？

简要分析其理由。

（3）与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，所需平推流反应器的体积相同。

如何解释这种现象？

（4）循环反应器有哪几种典型的操作方式？

1）将排出反应器的混合物的一部分不经任何处理直接返送到入口处

2）在反应器出口设一分离装置，将反应产物分离取出，只把未反应的物料返送到反应器入口处。

3）微生物培养中常用的一种形式。

在反应器出口设置菌体分离器，将反应产生的菌体浓缩，把浓缩后的菌体的一部分或全部返送到反应器

（5）对于在平推流反应器内进行的不可逆液相反应，如果将出口处的反应物料一部分返回到反应器，反应物的转化率将如何变化？

如何解释这种变化？

十四章

第一节

（1）催化反应有哪些基本特征？

•催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。

•催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。

•对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。

•催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反应

（2）固体催化剂的一般组成是什么？

载体在固体催化剂中起什么作用？

固体催化剂的组成

活性物质、载体、助催化剂、抑制剂

（1）活性物质：

催化剂中真正起催化作用的组分，它常被分散固定在多孔物质的表面。

（金属、金属氧化物）

（2）载体（担体）：

载体常常是多孔性物质，主要作用是提供大的表面和微孔，使催化活性物质附着在外部及内部表面。

（3）促进剂：

改善催化剂活性（氨催化合成铁催化剂＋CaO）

（4）抑制剂：

抑制催化剂活性，增强稳定性（银催化剂中加入卤化物控制乙烯的完全氧化）

（3）固相催化反应过程一般可概括为哪些步骤？

（4）固相催化反应有哪些基本特点？

①多步骤串联过程

②固相反应速率与反应本身和反应组分的扩散有关

③反应速率取决于慢步骤，该步骤称为控制步骤（ratecontrollingstep）

扩散控制（传质控制）、动力学控制

④反应达到定常态时，各步骤的速率相等

（5）固相催化反应的本征动力学过程包括哪些步骤？

固相催化反应的本质:

化学吸附→表面反应→脱附

以气固反应为例，进行说明

（6）在进行本征动力学速率方程的实验测定中，如何消除外扩散和内扩散的影响？

分别如何确定实验条件？

（7）催化剂有效系数的基本定义是什么？

它有哪些用途？

基本定义：

书P463

——对一级反应而言

反应物A在催化剂表面的浓度

以颗粒体积为基准的反应速率常数

（8）催化西勒（Thiele）模数的物理意义是什么？

具体说明西勒（Thiele）模数的大小如何影响催化剂的有效系数？

Φs称西勒（Thiele）模数的物理意义

•以催化剂颗粒体积为基准的最大反应速率与最大内扩散速率的比值。

•反映了反应过程受内扩散及本征反应的影响程度。

内扩散阻力越大，De越小，Φs值则越大。

（9）简述影响球形催化剂有效系数的主要因素及其产生的影响。

（10）什么是流化床反应器？

与固定床反应器相比，它有哪些优缺点？

第二节

（1）气-液相反应过程一般可概括为哪些步骤？

从气相主体通过气膜扩散到气液相界面；从相界面进入液膜，同时B从液相主体扩散进入液膜；、B在液膜内发生反应；4.生成物P的扩散；5.液膜中未反应完的A扩散进入液相主体，在液相主体与B发生反应。

（2）气-液相反应的本征反应速率方程是什么涵义？

（3）气-液相瞬间反应的基本特点是什么？

组分A和组分B之间的反应瞬间完成，A与B不能共存。

在液膜内的某一个面上A和B的浓度均为0，该面称“反应面”，“反应面”的位置随液相中B的浓度的升高向气膜方向移动。

（4）气-液相瞬间反应的增强系数有何物理意义？

（5）什么是界面反应？

（6）气-液相快速反应的基本特点是什么？

•A与B之间的反应速率较快

•反应发生在液膜内的某一区域中

•在液相主体不存在A组分，不发生A和B之间的反应

（7）根据气-液相拟一级快速反应的宏观速率方程，简述提高反应速率的措施。

（8）什么是八田数？

它有何物理意义？

（9）气-液相拟一级快速反应的增强系数具有什么物理意义？

（10）气-液慢速反应的基本特点是什么？

•反应很慢，液膜中的反应消耗量较少，可以忽略不计

•反应主要发生在液相主体

（11）气-液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式，为什么？

气-液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程，其宏观反应的速率取决于多个步骤中最慢的一步

（12）气-液相中速反应的基本特点是什么？

•A与B的反应速率较慢

•A与B在液膜中反应，但一部分A进入液相主体，与B发生反应

十五章

第一节

（1）为什么说微生物反应类似于化学反应中的自催化反应？

（2）微生物反应一般可分为哪几类反应？

基质利用，细胞生长，细胞死亡/溶化，产物生成。

（3）微生物反应中的基质有哪些作用？

合成新的细胞物质，生成反应产物，提供必要的能量。

书P491

（4）微生物反应的产物有哪几类？

第一类产物：

基质水平磷酸化产生的产物（如乙醇、乳酸，柠檬酸）。

第二类产物：

由合成代谢生成的较复杂的物质（如胞外酶、多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等）

第三类产物：

一般指在碳源过量、氮源等受到限制的条件下产生的一类物质（蓄能化合物，如多糖、储存于细胞内的糖原、脂肪等。

）

（5）有机物的微生物分解反应中产生的能量有哪些用途？

第二节

（1）什么是计量学限制性基质？

计量学限制性物质：

细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质

（2）什么是生长速率限制性基质？

生长速率限制性基质：

在一定的环境条件下，向反应系统中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质被称为生长速率限制性基质。

（富营养化湖泊的营养限制因子）

（3）细胞产率系数有哪些用途？

（4）细胞产率系数有哪几种？

它们取值范围各是什么？

（5）什么是有效电子？

如何计算？

（6）什么是代谢产物的产率系数？

第三节

（1）什么是微生物的比生长速率？

比生长速率μ：

每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。

（2）Monod方程中的最大比生长速率和饱和系数各表达什么意义？

（3）与富营养细胞相比，贫营养细胞的饱和系数有何特点？

（4）影响以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率的主要因素（主要指与微生物膜和基质本身特性有直接关系的主要因素，不包括温度、pH等环境条件）有哪些？

（5）试比较固体催化剂的有效系数与微生物膜的有效系数的定义有何不同？

第四节

（1）微生物的间歇培养生长曲线可分为哪几个阶段？

什么是最大收获量？

（2）微生物的半连续培养的操作方式有何特点？

（3）在微生物的半连续培养中，反应器内基质浓度会出现先增加后减少的现象。

为什么出现这种现象？

（4）什么是稀释率？

微生物的连续培养系统（没有细胞循环系统）中，稀释率的最大值是什么？

（5）在微生物的连续培养系统中，能否控制微生物的比生长速率？

如何实现？

（6）什么是微生物连续培养中的“洗脱现象”？

为什么会出现这种现象？

（7）细胞循环反应器可以在大于微生物比生长速率的条件下稳定运行，为什么？