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: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2.83h。 3.2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1.%(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%。(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: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: 3.3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:时间，min10203050∝NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5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。由(2)式得: (7)由(3)式得: (8)将(1),(7),(8)式代入(6)得:整理得:解得:CC=0.908 kmol/m3代入(1)式得:代入(7)式得:代入(8)式得:代入(4)式得:验证:即: 3.18 根据例题3.12中规定的条件和给定数据,使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点?如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使原料以0.001 m3/s的流速连续进入反应器,其它条件不变,试讨论定态问题,在什么情况下出现三个定态点?是否可能实现?解:由例3.11,3.12知:移热速率方程: (1)放热速率方程: (2)绝热操作方程: (3)由(3)式得: (4)(4) (4) 代入(2)式得: (5)由(1)式及(5)式作图得:T326330340350360362.5365367.5370qg4..163.87149.7314.8586.7670.8756.8851.8942.1由上图可知,此反应条件下存在着两个定态点。如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使Q=0.001m3.s,而保持其它条件不变,则这时的移热速率线如q’r所示。由图可知,q’r与qg线无交点,即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。从例3.11可知,该反应温度不得超过373K,因此从图上知,不可能出现三个定态点的情况。 3.19 根据习题3.3所规定的反应及给定数据,现拟把间歇操作改为连续操作。试问:(1) (1) 在操作条件均不变时,丙酸的产量是增加还是减少?为什么?(2)若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变,所需空时为多少?能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时?(3)若把单釜操作改变三釜串联,每釜平均停留时间为(2)中单釜操作时平均停留时间的三分之一,试预测所能达到的转化率。解:(1)在操作条件均不变时,用习题3.3中已算出的Vr=4512l,Q=57.84l/min,则可求出空时为τ=4512/57.84=78min。此即间歇操作时的(t+t)。当改为连续操作时,转化率下降了,所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。因Q维持不变,故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。(2)若维持XA=0.72,则可由3.3题中的数据得出XA=0.72时所对应的反应速率,进而求出这时对应的空时τ=246.2min。因题意要求丙酸产量不变,故Q不能变,必须将反应器体积增大至14240 l才行。(3.这时τ1=τ/3=82.1min。利用3.3题中的数据,可求出RA~XA之关系,列表如下:XA0.10.20.40.60.8-RA0.17190.13910.10960.060160.02363故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第三釜出口丙酸钠的转化率为:XA3=0.787。 3.20 根据习题3.8.规定的反应和数据,在单个全混流反应器中转化率为98.9%,如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联,要求达到同样的转化率时,生产能力各增加多少?解:(1)二个30. l全混串联釜,XA2=0.989, (1) (2)解得:XA1=0.8951代入(1)式求出此系统的体积流量:3.8.中已算出。因为最终转化率相同,故生产能力增加16..7/16.0.=10.53倍。(2)二个300l釜并联,在最终转化率相同时,Q增加一倍,生产能力也增加一倍。 3.21 在反应体积为0.75 m3的全混流反应器中进行醋酐水解反应,进料体积流量为0.05 m3/min,醋酐浓度为0.22kmol/ m3,温度为25℃,出料温度为36℃,该反应为一级不可逆放热反应,反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下:k=1.8×10-7 exp(-5526/T),min-1反应物料的密度为常数,等于1050kg. m3,热容可按2.94kJ/kg.℃计算。该反应器没有安装换热器,仅通过反应器壁向大气散热。试计算:(1) (1) 反应器出口物料中醋酐的浓度;(2) (2) 单位时间内反应器向大气散出的热量。解:(1) (1) 求转化率:解得:XAf=0.8221反应器出口物料中醋酐浓度:(2)单位时间内反应器向大气散出的热量:3.22 在反应体积为1 m3的釜式反应器中,环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1,2:该反应对环氧丙烷为一级,反应温度下反应速率常数等于0.98h-1,原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷的最终转化率为90%。(1)若采用间歇操作,辅助时间为0.65h,则丙二醇-1,2的日产量是多少?(2)有人建议改在定态下连续操作,其余条件不变,则丙二醇-1,2的日产量又是多少?(3)为什么这两种操作方式的产量会有不同?解:(1) (1) 一级不可逆反应:所以Q=0.109m3/h丙二醇的浓度=丙二醇的产量=(2) 采用定态下连续操作所以Q=0.109m3/h丙二醇的产量=(3)因连续釜在低的反应物浓度下操作,反映速率慢,故产量低。 3.23 根据习题3.1.所规定的反应和数据,并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1.02g.cm3,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随温度的变化,且为-2231kJ/kg乌洛托品,反应物料入口温度为25℃。问:(1) (1) 绝热温升是多少?若采用绝热操作能否使转化率达到80%?操作温度为多少?(2) (2) 在100℃下等温操作,换热速率为多少?解:(1)绝热升温:由物料衡算式(见3.11解答):由热量衡算式得:T=298+37.13XA。联立求解可得:XA=0.8578>0.8,T=329.9K可见,绝热操作时转化率可以达到80%。(2)T=298K,在T=373K下等温操作,由物料衡算式可求出转化率:所以有:XA=0.9052由(3.87)式可得物系与环境交换的热量:由上式知TC>T,说明应向反应器供热。 3.24 某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反应,以生产醇酸树酯。在正常操作条件下(反应速度,进出口流量等),已二酸的转化率可达80%。某班从分析知,转化率下降到70%,检查发现釜底料液出口法兰处漏料,经抢修后,温度流量均保持正常操作条件。但转化率仍不能提高,试分析其原因。如何使转化率提高到80%?解:根据上述情况,可能是反应器的搅拌系统有些问题,导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路,这些均可导致反应器的效率降低,从而使转化率下降。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=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:反应器体积:实际反应体积: 3.4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及C以km.l/m为单位,温度T的单位为K。该反应的热效应等于-4.br>0.0kJ/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,反应混合物的平均热容按4.102kJ/m.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)(由数值积分得出)(2)若A全部转化为R,即X=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: