化学反应工程第三章答案

3 釜式反应器

在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：

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l，反应速率常数等于。要求最终转化率达到95%。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？

解：（1）

(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。

拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：

以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO

水溶液及30%（重

3

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。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，要求转化率达到95%。

（1）（1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；

（2）（2）若装填系数取，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,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= kmol/h

每小时需氯乙醇：

每小时需碳酸氢钠：

原料体积流量：

氯乙醇初始浓度：

反应时间：

反应体积：

（2）（2）反应器的实际体积：

丙酸钠与盐酸的反应：

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反应液用的NaOH溶液滴定，以确定

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：

于是可求出A的平衡转化率：

现以丙酸浓度对时间作图：

由上图，当C

A

=×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=min。

所需丙酸钠的量为:=min。

原料处理量为：

反应器体积：

实际反应体积：

在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：

其反应速率方程为：

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m3，反应混合物的平均热容按计算。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)

（由数值积分得出）

(2)若A全部转化为R,即X

A

=,则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的。

在间歇反应器中进行液相反应：

A的初始浓度为m3,C，D的初始浓度为零，B过量，反应时间为t

1时，C

A

=m3，C

C

=

kmol/m3，而反应时间为t

2时，C

A

= kmol/m3，C

C

=m3，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：

恒容时：

（A）

(B)

（B）式除以（A）式得：

解此微分方程得：

（C）

将t

1,C

A

,C

C

及t

2

,C

A

,C

C

数据代入（C）式化简得：

解之得：

(2)先求出最大转化率:

(3)产物C的最大收率：

产物C的最大浓度：

在等温间歇反应器中进行液相反应

初始的反应物料中不含A

2和A

3

，A

1

的浓度为2mol/l，在反应温度下k

1

=,k

2

=,k

3

=。

试求:

（1）（1）反应时间为时，反应物系的组成。

（2）（2）反应时间无限延长时，反应物系的组成。

（3）（3）将上述反应改为反应时间无限延长时，反应物系的组成。

解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后进行求解。但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：

(A)

当时，（A）式变为 (B)

当时，（A）式变为 (C)

当时，（A）式变为 (D)

其中式（D）即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到（A）式的解，则可容易化简得到（B）,(C)及(D)式的解。

对于(A)式，可列出如下微分方程组：

(1)

(2)

(3)

由题意知初始条件为：

(4)

联立求解此微分方程组可得：

(5)

(6)

(7)

式中，由如下式确定：

(8)

(9)

现在可用上述结果对本题进行计算：

（1）

由（5）～（9）式得