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1、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：325325CH COOC HNaOHCH COONaC H OH 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）00222000001 ()(1)110.95169.6min(2.83 )5.60.0210.95AfAfXXAAA AA AAAAAAdX
2、dXXtCCRk CXkCXh(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：223222CH ClCH OHNaHCOCH OHCH OHNaClCO 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%。 （1）（1） 若辅助时间为 0.5h，试计算反应器的
3、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：0.326680.591.11/0.9530%kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.95 15%kg h原料体积流量：091.11190.2275.8 /1.02Ql h氯乙醇初始浓度：00.3266 10001.231/0.95275.8ACmol l反应时间：02000110.952.968(1)5.2 1.23110.95AfAfXXAA
4、A ABAAdXdXtChkC CkCX反应体积：0()275.8 (2.9680.5)956.5rVQ ttl（2）（2） 反应器的实际体积：956.512750.75rVVlf3.3 丙酸钠与盐酸的反应：2525C H COONaHClC H COOHNaCl 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，min01020
5、3050NaOH 用量，ml52.2 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： 0.515/10ABNaOHCCVmol l
6、于是可求出 A 的平衡转化率：00052.510.50.852.590%0.890%0.720.515(1)52.5 (10.72)0.0515 14.7/10AAe Ae AAAeAAACCXCXXCCXmol l现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当 CA=0.051514.7mol/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：000/156.4/(0.0
7、51552.5)57.84 /minAAQFCl反应器体积：00()57.84 (182010)4512rVQ ttl 实际反应体积：4512/0.85640l3.4 在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：ABR其反应速率方程为：143110001.1 10 exp()/.AABrC C kmol m hT 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 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
8、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) 0 00 00.04( 4000)()()32332339.014.102 Ar AAAA FCHTTXXXXC000001422 0()91.32110001.1 10 exp()(1)32339.01 AfAfXXAA AA AABA AAA AdXdXtCCRkC CdXCh CXX （由数值积分得出）32339.01 0.85356.2TK (2)若 A 全部转化为 R,即 XA=1.0,则由上面
9、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：12AABDCBABCrk C CCBDrk C C A 的初始浓度为 0.1kmol/m3,C，D 的初始浓度为零，B 过量，反应时 间为 t1时，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038 kmol/m3，而反应时间为 t2时，CA=0.01 kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，试求： （1）（1） k2/k1; （2）（2） 产物 C 的最大浓度； （3）（3） 对应 C 的最大浓度时 A 的转化率。 解：(1)因为 B 过量，所以： 1212,AADCCADACrk Crk Crrrk Ck C
10、恒容时： 1A AdCk Cdt （A） 12C ACdCk Ck Cdt (B) （B）式除以（A）式得： 2 11CCAAdCk C dCk C 解此微分方程得： 2 10 200 11kkAAA C AACCCCkCC k（C） 将 t1,CA,CC及 t2,CA,CC数据代入（C）式化简得：0.420.550.380.10.420.550.380.1xx解之得： 22 110.525kkxkk(2)先求出最大转化率:2111 1 ,max 21()0.7425 kk AkXk (3)产物 C 的最大收率：21,max 211110.4905 1kkCAAYXXk k 产物 C 的最大浓
11、度：3 ,max0,max0.1 0.49050.0491/CACCC Ykmol m3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应31 123 kkAAA 初始的反应物料中不含 A2和 A3，A1的浓度为 2mol/l，在反应温度下 k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。试求: （1）（1） 反应时间为 1.0min 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31 123 kkAAA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，
12、其实质是下述反应的特例：12 123 kkAAA(A)当 20k时， （A）式变为123AAA(B)当 10k时， （A）式变为123AAA(C)当 120,0kk时， （A）式变为123AAA(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 1111dCk Ck Cdt (1)2 11231222dCk Ck Ck Ck Cdt (2)3 2223dCk Ck Cdt (3) 由题意知初始条件为：11023(0),(0)(0)0CCCC(4) 联立求解此微分方程组可得： 211
13、122 110 11()() ()()ttk kk kk ek eCCkk (5) 12122 210()()ttk kkk ek eCC (6)1212 310ttk kk keeCC (7) 式中，, 由如下式确定： 121221k kk kk k (8) 1122() kkkk (9) 现在可用上述结果对本题进行计算：（1）111 11224.0min ,3.6min ,1.5min ,0,1minkkkkt 由（5）（9）式得1230.5592/0.5098/0.931/AAACmol lCmol lCmol l （2）当 t时，由（5）（9）式得12302.0/AAACCCmol l
14、（3）此时为 10k的情况，当 t时，由1 14.0min ,k11 221.5min ,3.6minkk得：12301.412/0.588/AAACCmol lCmol l3.7 拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：2 12 222RABSABABRrk C CABSrk C C 目的产物为 R，B 的价格远较 A 贵且不易回收，试问： （1）（1） 如何选择原料配比？ （2）（2） 若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？ （3）（3） 若用半间歇反应器，加料方式又如何？解：（1）2 1 22 21211 221ARABABAABABBrk C CSk CRk C Ck C C k C 由上式知，欲使 S 增加，需使 CA低，CB高，但由于 B 的价格高且不 易回收，故应按主反应的计量比投料为
