化学反应工程第三章答案

3 釜式反应器

3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：

325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH

该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问：

（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？

解：（1）002220

00001()(1)110.95169.6min(2.83)

5.60.0210.95

===⨯---=

⨯=⨯-⎰⎰Af

Af X X A A A

A A A A A A

A A dX dX X t C C R k C X kC X h

(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。

3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：

223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO

以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。

（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。 解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和

62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h

每小时需氯乙醇：0.326680.5

91.11/0.9530%⨯=⨯kg h

每小时需碳酸氢钠：0.326684

190.2/0.9515%⨯=⨯kg h

原料体积流量：

091.11190.2

275.8/1.02+=

=Q l h

氯乙醇初始浓度：00.32661000

1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l

反应时间：

02000110.95

2.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰Af

Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l

（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75=

==r V V l f

3.3丙酸钠与盐酸的反应：

2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl

为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应

的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH 溶液用量如下表所示：

平衡转化率的90%。试计算反应器的反应体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min ，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min ；（3）反应过程中反应物密度恒定。

解：用A,B,R,S 分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：

0.515

/10==⨯A B NaOH C C V mol l

于是可求出A 的平衡转化率：

00052.510.5

0.8

52.5

90%0.890%0.720.515

(1)52.5(10.72)0.051514.7/10--=

===⨯=⨯==-=

⨯⨯-=⨯A Ae Ae A A Ae A A A C C X C X X C C X mol l

现以丙酸浓度对时间作图：

由上图，当C A =0.0515×14.7mol/l 时，所对应的反应时间为48min 。由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min 。 丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min 。

所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min 。

原料处理量为：000/156.4/(0.051552.5)57.84/min ==+=A A Q F C l 反应器体积：00()57.84(182010)4512=+=⨯++=r V Q t t l 实际反应体积：4512/0.85640=l

3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：

+→A B R 其反应速率方程为：14

3110001.110exp()/.=⨯-A A B r C C kmol m h

T

式中组分A 及B 的浓度C A 及C B 以kmol/m 3为单位，温度T 的单位为K 。该反应的热效应等于

-4000kJ/kmol 。反应开始时溶液不含R ，组分A 和B 的浓度均等于0.04kmol/m 3，反应混合物的平均热容按4.102kJ/m 3.K 计算。反应开始时反应混合物的温度为50℃。

（1） （1） 试计算A 的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度。 （2） （2） 如果要求全部反应物都转化为产物R ，是否可能？为什么？ 解：(1)

[]0000

0.04(4000)()

()32332339.014.102⨯---∆=+-=+=+A r A A A A

F C H T T X X X X C

000001422

0()91.32110001.110exp()(1)32339.01==-==⨯--+⎰⎰⎰

Af Af X X A

A A A A A B

A

A A A

A

dX dX t C C R kC C dX C h

C X X

（由数值积分得出）

32339.010.85356.2=+⨯=T K

(2)若A 全部转化为R,即X A =1.0,则由上面的积分式知，t →∝,这显然是不可能的。

3.5在间歇反应器中进行液相反应：

12+→=+→=A A B D C B A B C r k C C C B D

r k C C

A 的初始浓度为0.1kmol/m 3,C ，D 的初始浓度为零，

B 过量，反应时间为t 1时，

C A =0.055kmol/m 3，C C =0.038 kmol/m 3，而反应时间为t 2时，C A =0.01 kmol/m 3，C C =0.042kmol/m 3，试求： （1） k 2/k 1;

（2） 产物C 的最大浓度；

（3） 对应C 的最大浓度时A 的转化率。

解：(1)因为B 过量，所以：

''''

1212,,===-=-A A D C C A D A C r k C r k C r r r k C k C

恒容时：

'

1-

=A A dC k C dt （A ） ''12-=-C A C

dC k C k C dt (B) （B ）式除以（A ）式得：

'2'11-=-C C A A dC k C dC k C

解此微分方程得：

'

2

'

10'200'1

1⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥

⎝⎭⎢⎥-⎣⎦k k A A A C A A C C C C k C C k （C ）

将t 1,C A ,C C 及t 2,C A ,C C 数据代入（C ）式化简得：

0.420.550.380.10.420.550.380.1⨯-⨯=⨯-⨯x x

解之得：