反应过程与设备例题与习题(第二章)

1、第二章均相反应器一、主要基本概念、基本理论L物料衡算：以质量守恒定律为基准，是计算反应器体积的基本方程。以反应物A为 例：（A的流入量）=（A的流出量）+ （A的反应量）+（A的累积量）1234 连续系统： 稳态日第4项等于零。 非稳态时4项都存在。间歇系统：第1、2项等于零。2.热量衡算：以能量守恒定律为基准，是计算反应器中温度变化的基本方程。（带入的热量）=（带出的热量）+（反应吸热量）+（热量的累积）+（传向环境的热量）1 2345 连续系统： 稳态、非绝热时第 4项等于零。稳态并绝热时第4、5项等于零。非稳态、绝热时第 5项等于零。非稳态、非绝热时 5项都存在。 间歇系统： 非绝热时第1、2项等于零。 绝热时第1、2、5项等于零。3 .间歇反应器：物料按一定配比一次加入进反应器，反应终了时，产物一次取出。 特 点： 任一瞬间，在反应器内各点的物料浓度相同、温度相同。在反应器内各点的物料浓度、温度随反应时间变化。设计式：基础设方t式：t = nA00xA dxA0佻CA恒容时：t =-CA0dCArA#式中： U给热系数T m 传热介质温度 变温过程：UAh(Tm -T) +(-

2、AHA)rA =CVpdT dtA h与单位物料体积相当的传热面积P 物料密度4 .平推流反应器：物料连续流入、流出反应器。 特点： 稳态时，所有物料在反应器中的停留时间都相同。 稳态时，同一截面上的物料组成、温度不随时间变化。 在流动方向上没有物料返混，反应物的浓度、温度沿反应器管长连续变化。设计式：基础设计式七=VR=ca0 rAf dxAQoA0 A恒容时7=VR=_AfdCAQoCa0a 变温过程：UnD(Tm T)dZ =(AH)rAdVR (FCPi)dT5.全混流反应器：物料连续流入、流出反应器。 特点： 稳态时，釜内各空间位置上的物料浓度、温度都相同，且不随时间变化。 稳态时，釜内的物料组成、温度与反应器出口处的物料组成、温度相同。设计式：基础设计式：E = VR =CA0(XAf -xA0)Qor a恒容时：工=运=50。Q0r A 热量衡算：vo PCp(T To) +UAh(T Tm) =(-AH)aVrU 给热系数 Ah 反应器传热面积(4)热稳定判据： Qt = Qg 四dQ目dT dT式中：Qt散热速率Qg 放热速率二.例题部分【例题2-1 乙酸和乙醇酯化反

3、应:CH3COOH +C2H5OH 膛CH3COOC2H5 + H2O在一间歇反应器中进行，反应温度反应为100C,以少量HCl作催化剂。 反应器单位体积投料量：乙酸 300 kg/m 3,乙醇550 kg/m3。已知正、逆反应均为二级反应，并且 ki=8.0 x 10- 6m3/(kmol s), k2 =2.7X10- 6 m3/(kmol s),反应混合物的比重为 1145kg/m3, 且在反应过程中保持不变。试回答下列问题：(1)当反应时间为多少时乙酸的转化率达40%?(1)每批物料当乙酸的转化率达到40%时，即停止反应。排料以及再投料等工序需要45分钟。如果每天生产 10吨乙酸乙酯，反应器的体积应为多少？(2)【解】(1)将方程简写成 A + BjJ* C+D3003CA0 = 5kmol /m60CB0550463=11.96kmol /mCdo1145 -300 -55018. ,3=16.39kmol /mCc 0-0展二 KCaCb kzCcC= kQA0(1 -Xa)(Cbo -CaoXa) FCaoXaCdoCaoXa)=8 (1-Xa)(11.96-5Xa) -

4、2.7 Xa(16.39 5Xa) 5 106 6, xa dxA0.410 dxA间歇反应器：t=nA0- =A0 rAVR0 8(1-xa)(11.96-5xa) -2.7xa(16.39 5xa),、一 ，一、八106上述方程米用数值积分，令：y = 108(1-xa)(11.96-5xa) -2.7xa(16.39 5xa)XA0.000.050.100.150.200.250.300.350.4 0y10451.511527.012828.314432.916460.019101.122683.427816.635782.2按梯形法数值积分：t=0.05 X 0.5 X 10451.5+11527.0+12828.3+14432.9+16460.0+19101.1+22683.4+27816.6+0.5 X 35782.2 = 7398 (sec) = 123 (min)按辛普森法数值积分：t=0.05+ 3X 10451.5+4 X 11527.0+2 X 12828.3+4 X 14432.9+2 X 16460.0+4 X 19101.1+2 X 22683.4+4 X

5、 27816.6+35782.2= 7361 (sec) = 122.7 (min)即当t =123min时，乙酸的转化率为40%(2)由上述结果可知单位时间单位反应器体积乙酸乙酯的产量为:5.0X 0.4X88+(123 + 45 ) =1.0456 kg/(min m3)今要求乙酸乙酯的日产量为 10吨，反应器的体积应为：Vr= 10000 + (1.0456 X 24 X 60) = 6.64 (m3)【例题2- 2】考虑在全混流反应器中进行的丁二烯和丙烯酸甲酯的缩合反应：CH2= CH CH=CH2+CH2=CH COOCH3 - C6H9COOCH3(简写为A+B-C),以AICI3为催化剂，反应温度为20 C,液料的体积流速为0.5m3/h, 丁二烯和丙烯酸甲酯的浓度为CA0=96.5mol/m 3, CB0=184mol/m 3,催化剂 AlCl 3的浓Cd= 6.63 mol/m 3。实验测得该反应的速度方程为：A=kCACDk =1.15 X10-3 m3/(mol ks)若要求丁二烯的转化率为40%,试求反应器的体积。dCA【斛】A = -= KCaCd = KCa

6、0(1 -Xa)CddtVPCa 0 ( XAf - Xa 0 )对于全混流反应器.=VR = Af一巴Qor aCA0 XAfkCA0(1-XA)CD0.4(1.15 10%-0.4)(6.63)=87.4(ks) = 24.28(h)故反应器的体积为Vr = Qot = 0.5X 24.28 = 12.14 (m3)【例题2- 3】在全混流反应器中乙酸酎发生如下水解反应：(CH3CO)2+H2 -2CH3COOH简写为：A+B-C,反应温度为25c时测得如下数据：实验编号进料体积流量乙酸酎初始浓度乙酸酊转化率1582 cm3/min1.4 10 1 mol/cm 30.3312395 cm3/min431.37 10 mol/cm0.408已知在乙酸酎低浓度水解时，上述反应可以看作一级反应，反应器体积为1800cm3,求：(1)反应速度常数；(2)若要使乙酸酎的转化率提高到60%,那么液料流量应为多少？【解】(1)VR _ CA0Xa _CA0XaQo 一a-kCA0(1-XA)QoXaVr(1-Xa)显然，k与Cao无关，利用第一组数据可得:= 0.1600 min= 0.151

7、2 min528 0.3311800 (1 -0.331)由第二组数据可得:395 0.4081800 (1 -0.408)将两者平均k = 0.1556 (min -1)(2)将k值和xa=0.6代入式得：Qo = 0.1556 x 1800 x (1 0.6) + 0.6 = 186.7 (cm3/min)【例题2- 4在上题中使用单个全混釜进行乙酸酎的水解反应。现改用体积相同的三个全混釜的串联体系进行这一反应。每个反应釜的体积为1800cm3,反应温度仍为25 C,那么：(1)乙酸酎的总转化率达到60%时，液体进料速度为多少？将计算结果与上例结果进行比较。(2)如果液料以582 cm3/min的速度进入到第一个反应釜中，那么乙酸酎在各个反应釜 中的转化率分别为多少？总转化率为多少？【解】设乙酸酎的初始浓度为Cao,离开第一、第二、第三个反应釜的浓度分别为Cai、Cai _1Cao 1k11Ca2、Ca3,则对于第一个反应釜应有：Cao - CaiCao _Caii = = T(rA)1k1CA1Ca1 1xa1 = 1 二 1 一Cao1 k1对第二个反应釜：CA21Ca2 1C

8、ai1 k.2Cao (1 k1)(1 k-2)因为三个釜体积相等，T 1= T 2= T 3= TCa21,Ca2.1=9- XA - 1 - = 1 Cai(1k )2Cao(1 k )对第三个反应釜:Ca3 1CA21 k 3CA31一:-二3XA3=1 -答=1CA01(1 - k )3(1)今使乙酸酎的总转化率达到60%,即:Ca3/XA3 = 1 = 1CA01 3 =0.6 (1k)由此解得：0.3572kCao(1 k )由例题 2- 3可知 k = 0.1556 min-1,代入上式t = 2.2956 (min-1)-VR18003Q0=-R784 (cm /min)2.2956此结果与例题2-3中的结果(Qo=186.7 cm3/min)相比，处理量提高三倍以上。(2)已知 Qo= 582 cm3/min ,故有t = 1800 + 582 = 3.093 (min)c-1因此总转化率为 xA3 = 1 -CA3 = 1-J = 0. 692Cao(1k 3)在第一个反应釜中达到的转化率为：XA1 =1 -C1 =1 -1 =0.325Cao1 k在第二个反应釜中达到的转化率为XA2 =1C2 =1 -12 = 0.554Cao (1 k )2此结果与例题2-3中的结果比较，可以看出采用三釜串联使转化率由33.1%,提高到69.2%。如果采用n个体积相同的全混釜串联，则总转化率为：XAn =1-警=1CA0(1 k )n式中CAn为反应物A在第n个釜出口处的浓度，。为反应物在单个釜中的停留时间。【例题2- 5】在一体积为120升的全混流反应器中进行下列液相反应a + b|JC二 R + S式中ki=7 l/(mol - min) , k2 =3 l/(mol - min),两种物料以等体积加入反应器

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