天津大学复试反应工程习题答案 釜式反应器
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原料处理量为： Q0 = FA0 / C A0 = 156.4 /(0.0515 + 52.5) = 57.84 l / min
反应器体积：Vr = Q0(t + t0 ) = 57.84 × (18 + 20 + 10) = 4512 l 实际反应体积： 4512/ 0.8 = 5640 l
3.4 在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：
时间，min 0 10 20 30 50 ∝ NaOH 用量，ml 52.2 32.1 23.5 18.9 14.4 10.5 现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为 500kg/h，且丙酸 钠的转化率要达到平衡转化率的 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：
（2） （2） 反应器的实际体积：
f 0.75
3.3 丙酸钠与盐酸的反应：
C2H 5COONa + HCl ⇔ C2H 5COOH + 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：
A
=
1
0 kC ACB kC A0
X Af dX A =
1
× 0.95 = 2.968h
0 (1 − X A )2 5.2× 1.231 1 − 0.95
反应体积：Vr = Q0(t + t ') = 275.8 ×(2.968 + 0.5) = 956.5 l
V = Vr = 956.5 = 1275l
0.3266 ×84 = 190.2kg / h 每小时需碳酸氢钠： 0.95 ×15%
原料体积流量：
Q0
=
91.11 + 190.2 1.02
=
275.8l
/
h
氯乙醇初始浓度：
CA0
=
0.3266 ×1000 0.95 × 275.8
=
1.231mol
/
l
反应时间：
∫ ∫ t = C A0
dX X Af
现以丙酸浓度对时间作图：
由上图，当 CA=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。
)
(XA
−
X A0
)
=
试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为 1m3 时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为 2m3，，所需的反应时间又是多少？
∫ ∫ t = C A0
X Af 0
dX A (−RA )
= C A0
X Af
dX A
0
k
A2 0C
2 A0
(1
−
X
A
)2
= 1 × XA kC A0 1 − X A
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：
CH3COOC2 H5 + NaOH → CH 3COONa + C 2H 5OH
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%。
A+ B→ R
其反应速率方程为：
rA
=
1.1 × 1014 exp( −
11000 T )CACBkmol
/
m
3.h
式中组分 A 及 B 的浓度 CA 及 CB 以 kmol/m3 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
以生产乙二醇，产量为 20 ㎏/h，使用 15%（重量）的 NaHCO3 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%。
CA
=Leabharlann Baidu
CB
=
0.515 10
×VNaOH mol
/l
于是可求出 A 的平衡转化率：
X Ae
=
CA0 − CAe C A0
=
52.5 −10.5 52.5
=
0.8
X A = X Ae × 90% = 0.8 ×90% =0.72
0.515 CA = CA0(1 − XA ) = 10 × 52.5 ×(1 − 0.72) = 0.0515 ×14.7 mol/ l
（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
0.3266 ×80.5 = 91.11kg / h 每小时需氯乙醇： 0.95× 30%
1
0.95
=
×
= 169.6min(2.83h)
解：（1） 5.6× 0.02 1 − 0.95
(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：
CH2ClCH2 OH + NaHCO3 → CH2 OHCH2 OH + NaCl+ CO2
0.04kmol/m3，反应混合物的平均热容按 4.102kJ/m3.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)
T
=
T0
+
C A0 (−∆H r CF 0
反应器体积：Vr = Q0(t + t0 ) = 57.84 × (18 + 20 + 10) = 4512 l 实际反应体积： 4512/ 0.8 = 5640 l
3.4 在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：
时间，min 0 10 20 30 50 ∝ NaOH 用量，ml 52.2 32.1 23.5 18.9 14.4 10.5 现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为 500kg/h，且丙酸 钠的转化率要达到平衡转化率的 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：
（2） （2） 反应器的实际体积：
f 0.75
3.3 丙酸钠与盐酸的反应：
C2H 5COONa + HCl ⇔ C2H 5COOH + 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：
A
=
1
0 kC ACB kC A0
X Af dX A =
1
× 0.95 = 2.968h
0 (1 − X A )2 5.2× 1.231 1 − 0.95
反应体积：Vr = Q0(t + t ') = 275.8 ×(2.968 + 0.5) = 956.5 l
V = Vr = 956.5 = 1275l
0.3266 ×84 = 190.2kg / h 每小时需碳酸氢钠： 0.95 ×15%
原料体积流量：
Q0
=
91.11 + 190.2 1.02
=
275.8l
/
h
氯乙醇初始浓度：
CA0
=
0.3266 ×1000 0.95 × 275.8
=
1.231mol
/
l
反应时间：
∫ ∫ t = C A0
dX X Af
现以丙酸浓度对时间作图：
由上图，当 CA=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。
)
(XA
−
X A0
)
=
试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为 1m3 时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为 2m3，，所需的反应时间又是多少？
∫ ∫ t = C A0
X Af 0
dX A (−RA )
= C A0
X Af
dX A
0
k
A2 0C
2 A0
(1
−
X
A
)2
= 1 × XA kC A0 1 − X A
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：
CH3COOC2 H5 + NaOH → CH 3COONa + C 2H 5OH
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%。
A+ B→ R
其反应速率方程为：
rA
=
1.1 × 1014 exp( −
11000 T )CACBkmol
/
m
3.h
式中组分 A 及 B 的浓度 CA 及 CB 以 kmol/m3 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
以生产乙二醇，产量为 20 ㎏/h，使用 15%（重量）的 NaHCO3 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%。
CA
=Leabharlann Baidu
CB
=
0.515 10
×VNaOH mol
/l
于是可求出 A 的平衡转化率：
X Ae
=
CA0 − CAe C A0
=
52.5 −10.5 52.5
=
0.8
X A = X Ae × 90% = 0.8 ×90% =0.72
0.515 CA = CA0(1 − XA ) = 10 × 52.5 ×(1 − 0.72) = 0.0515 ×14.7 mol/ l
（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
0.3266 ×80.5 = 91.11kg / h 每小时需氯乙醇： 0.95× 30%
1
0.95
=
×
= 169.6min(2.83h)
解：（1） 5.6× 0.02 1 − 0.95
(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：
CH2ClCH2 OH + NaHCO3 → CH2 OHCH2 OH + NaCl+ CO2
0.04kmol/m3，反应混合物的平均热容按 4.102kJ/m3.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)
T
=
T0
+
C A0 (−∆H r CF 0