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20kg/h ,使用15%(质量分率)的NaHCO3水溶液及30%(质量分率)的氯乙醇水溶液作原料,反应器装料中氯乙醇与碳酸氢钠的摩尔比为1:1,混合液的密度为1.02kg/L 。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为1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)若辅助时间为0.5h,试计算反应器的有效体积; (2)若装填系数取0.75,试计算反应器的实际体积。

步骤 1：计算每小时产乙二醇的摩尔数
根据题目，每小时产乙二醇20kg，乙二醇的分子量为62g/mol，因此每小时产乙二醇的摩尔数为：
\[ \frac{20}{62} = 0.3226 \text{ kmol/h} \]

步骤 2：计算每小时需氯乙醇的质量
根据题目，氯乙醇的分子量为80.5g/mol，转化率为95%，因此每小时需氯乙醇的质量为：
\[ 0.3226 \times 80.5 \div 0.95 \times 30\% = 91.11 \text{ kg/h} \]

步骤 3：计算每小时需碳酸氢钠的质量
根据题目，碳酸氢钠的分子量为84g/mol，转化率为95%，因此每小时需碳酸氢钠的质量为：
\[ 0.3226 \times 84 \div 0.95 \times 15\% = 190.2 \text{ kg/h} \]

步骤 4：计算原料体积流量
根据题目，混合液的密度为1.02kg/L，因此原料体积流量为：
\[ Q_0 = \frac{91.11 + 190.2}{1.02} = 275.8 \text{ L/h} \]

步骤 5：计算氯乙醇初始浓度
根据题目，氯乙醇初始浓度为：
\[ C_{A0} = \frac{0.3226 \times 1000}{0.95 \times 275.8} = 1.231 \text{ mol/L} \]

步骤 6：计算反应时间
根据题目，反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为1级，反应速率常数为5.2L/(mol*h)，转化率为95%，因此反应时间为：
\[ t = \frac{1}{kC_{A0}} \ln \frac{1}{1 - X} = \frac{1}{5.2 \times 1.231} \ln \frac{1}{1 - 0.95} = 3.47 \text{ h} \]

步骤 7：计算反应器的有效体积
根据题目，辅助时间为0.5h，因此反应器的有效体积为：
\[ V_t = Q_0(t + t') = 275.8 \times (3.47 + 0.5) = 956.5 \text{ L} \]

步骤 8：计算反应器的实际体积
根据题目，装填系数为0.75，因此反应器的实际体积为：
\[ V = \frac{V_t}{j} = \frac{956.5}{0.75} = 1275 \text{ L} \]