本文格式為Word版，下載可任意編輯——反應(yīng)過程與設(shè)備例題與習(xí)題（其次章）

其次章均相反應(yīng)器

一、主要基本概念、基本理論

⒈物料衡算：以質(zhì)量守恒定律為基準(zhǔn)，是計算反應(yīng)器體積的基本方程。以反應(yīng)物Ａ為例：

(A的流入量)＝(A的流出量)＋(A的反應(yīng)量)＋(A的累積量)

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⑴連續(xù)系統(tǒng)：①穩(wěn)態(tài)時第4項等于零。②非穩(wěn)態(tài)時4項都存在。⑵間歇系統(tǒng)：第1、2項等于零。

⒉熱量衡算：以能量守恒定律為基準(zhǔn)，是計算反應(yīng)器中溫度變化的基本方程。(帶入的熱量)＝(帶出的熱量)＋(反應(yīng)吸熱量)＋(熱量的累積)＋(傳向環(huán)境的熱量)

12345⑴連續(xù)系統(tǒng)：①穩(wěn)態(tài)、非絕熱時第4項等于零。

②穩(wěn)態(tài)并絕熱時第4、5項等于零。③非穩(wěn)態(tài)、絕熱時第5項等于零。④非穩(wěn)態(tài)、非絕熱時5項都存在。

⑵間歇系統(tǒng)：①非絕熱時第1、2項等于零。

②絕熱時第1、2、5項等于零。

⒊間歇反應(yīng)器：物料按一定配比一次參與進反應(yīng)器，反應(yīng)終了時，產(chǎn)物一次取出。⑴特點：①任一瞬間，在反應(yīng)器內(nèi)各點的物料濃度一致、溫度一致。

②在反應(yīng)器內(nèi)各點的物料濃度、溫度隨反應(yīng)時間變化。

⑵設(shè)計式：

①基礎(chǔ)設(shè)計式：t?nxAdxAA0?0rAVR②恒容時：t???CAdCACA0r

A⑶變溫過程：UAh(Tm?T)?(??HA)rA?CV?dTdt式中：U─給熱系數(shù)Ah─與單位物料體積相當(dāng)?shù)膫鳠崦娣e

Tm─傳熱介質(zhì)溫度ρ─物料密度

1

⒋平推流反應(yīng)器：物料連續(xù)流入、流出反應(yīng)器。

⑴特點：①穩(wěn)態(tài)時，所有物料在反應(yīng)器中的停留時間都一致。②穩(wěn)態(tài)時，同一截面上的物料組成、溫度不隨時間變化。

③在滾動方向上沒有物料返混，反應(yīng)物的濃度、溫度沿反應(yīng)器管長連續(xù)變化。

⑵設(shè)計式：

①基礎(chǔ)設(shè)計式

??xAfdxVRA?CA0?xA0Q0rA②恒容時

??CAfdCVRA???CA0Q0rA⑶變溫過程：U?D(Tm?T)dZ?(??H)rAdVR??(FCiPi)dT

⒌全混流反應(yīng)器：物料連續(xù)流入、流出反應(yīng)器。

⑴特點：①穩(wěn)態(tài)時，釜內(nèi)各空間位置上的物料濃度、溫度都一致，且不隨時間變化。

②穩(wěn)態(tài)時，釜內(nèi)的物料組成、溫度與反應(yīng)器出口處的物料組成、溫度一致。

⑵設(shè)計式：

VRCA0(xAf?xA0)①基礎(chǔ)設(shè)計式：???Q0rA②恒容時：??VRCA0?CAf?Q0rA⑶熱量衡算：v0?CP(T?T0)?UAh(T?Tm)?(??H)rAVR

U─給熱系數(shù)Ah─反應(yīng)器傳熱面積

dQTdQg?⑷熱穩(wěn)定判據(jù)：①Q(mào)T=Qg②dTdT式中：QT─散熱速率Qg─放熱速率

二.例題部分

乙酸和乙醇酯化反應(yīng)：

CH3COOH?C2H5OH

k1k2CH3COOC2H5?H2O

2

在一間歇反應(yīng)器中進行，反應(yīng)溫度反應(yīng)為100℃，以少量HCl作催化劑。反應(yīng)器單位體積投料量：乙酸300kg/m3，乙醇550kg/m3。已知正、逆反應(yīng)均為二級反應(yīng)，并且k1=8.0×10-6m3/(kmol·s)，k2=2.7×10-6m3/(kmol·s)，反應(yīng)混合物的比重為1145kg/m3，且在反應(yīng)過程中保持不變。試回復(fù)以下問題：(1)當(dāng)反應(yīng)時間為多少時乙酸的轉(zhuǎn)化率達40％？

(1)每批物料當(dāng)乙酸的轉(zhuǎn)化率達到40％時，即中止反應(yīng)。排料以及再投料等工序需要

45分鐘。假使每天生產(chǎn)10噸乙酸乙酯，反應(yīng)器的體積應(yīng)為多少？(2)(1)將方程簡寫成A?Bk1k2C?D

CA0?300?5kmol/m360CB0?550?11.96kmol/m346CC0?0

CD0?1145?300?550?16.39kmol/m318rA?k1CACB?k2CCCD

?k1CA0(1?xA)(CB0?CA0xA)?k2CA0xA(CD0?CA0xA)

?[8?(1?xA)(11.96?5xA)?2.7?xA(16.39?5xA)]?5?106

間歇反應(yīng)器：t?nA0?xA00.4dxA106dxA?rAVR?08(1-xA)(11.96?5xA)?2.7xA(16.39?5xA)106上述方程采用數(shù)值積分，令：y=

8(1-xA)(11.96?5xA)?2.7xA(16.39?5xA)

xA0.000.050.100.150.200.250.300.350.40y10451.511527.012828.314432.916460.019101.122683.427816.635782.2

①按梯形法數(shù)值積分：

t=0.05×[0.5×10451.5+11527.0+12828.3+14432.9+16460.0+19101.1+22683.4+27816.6+0.5×35782.2]=7398(sec)=123(min)②按辛普森法數(shù)值積分：

t=0.05÷3×[10451.5+4×11527.0+2×12828.3+4×14432.9+2×16460.0+4×19101.1+2×22683.4+4×27816.6+35782.2]=7361(sec)=122.7(min)即當(dāng)t=123min時，乙酸的轉(zhuǎn)化率為40％

(2)由上述結(jié)果可知單位時間單位反應(yīng)器體積乙酸乙酯的產(chǎn)量為：

3

5.0×0.4×88÷(123+45)＝1.0456kg/(min·m3)今要求乙酸乙酯的日產(chǎn)量為10噸，反應(yīng)器的體積應(yīng)為：

ＶR＝10000÷(1.0456×24×60)＝6.64(m3)

考慮在全混流反應(yīng)器中進行的丁二烯和丙烯酸甲酯的縮合反應(yīng)：CH2＝CH─CH＝CH2＋CH2＝CH─COOCH3─→C6H9COOCH3（簡寫為Ａ＋Ｂ─→Ｃ），以AlCl3為催化劑，反應(yīng)溫度為20℃，液料的體積流速為0.5m3/h，丁二烯和丙烯酸甲酯的濃度為CA0=96.5mol/m3，CB0=184mol/m3，催化劑AlCl3的濃CD=6.63mol/m3。試驗測得該反應(yīng)的速度方程為：

rA=kCACDk=1.15×10-3m3/(mol·ks)若要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率為40％，試求反應(yīng)器的體積。

rA??dCA?kCACD?kCA0(1?xA)CDdt對于全混流反應(yīng)器

???VRCA0(xAf?xA0)?Q0rA??CA0xAfkCA0(1?xA)CD0.4?87.4(ks)?24.28(h)?3(1.15?10)(1?0.4)(6.63)故反應(yīng)器的體積為:ＶR=Q0τ=0.5×24.28=12.14(m3)

在全混流反應(yīng)器中乙酸酐發(fā)生如下水解反應(yīng)：

(CH3CO)2+H2─→2CH3COOH簡寫為：Ａ＋Ｂ─→Ｃ，反應(yīng)溫度為25℃時測得如下數(shù)據(jù)：

試驗編號

12進料體積流量582cm3/min395cm3/min乙酸酐初始濃度1.4×10–4mol/cm31.37×10–4mol/cm3乙酸酐轉(zhuǎn)化率

0.3310.408已知在乙酸酐低濃度水解時，上述反應(yīng)可以看作一級反應(yīng)，反應(yīng)器體積為1800cm3，求：

(1)反應(yīng)速度常數(shù)；

(2)若要使乙酸酐的轉(zhuǎn)化率提高到60％，那么液料流量應(yīng)為多少？(1)

??CA0xAVRCA0xA①??Q0rAkCA0(1?xA)∴k?Q0xA②

VR(1?xA)4

顯然，k與CA0無關(guān)，利用第一組數(shù)據(jù)可得：

k?由其次組數(shù)據(jù)可得：

528?0.331?0.1600min?1

1800?(1?0.331)k?395?0.408?0.1512min?1

1800?(1?0.408)將兩者平均k=0.1556(min-1)

(2)將k值和xA=0.6代入②式得：

Q0=0.1556×1800×(1－0.6)÷0.6=186.7(cm3/min)

在上題中使用單個全混釜進行乙酸酐的水解反應(yīng)?，F(xiàn)改用體積一致的三個全混釜的串聯(lián)體系進行這一反應(yīng)。每個反應(yīng)釜的體積為1800cm3，反應(yīng)溫度仍為25℃，那么：

(1)乙酸酐的總轉(zhuǎn)化率達到60％時，液體進料速度為多少？將計算結(jié)果與上例結(jié)果進行比較。

(2)假使液料以582cm3/min的速度進入到第一個反應(yīng)釜中，那么乙酸酐在各個反應(yīng)釜中的轉(zhuǎn)化率分別為多少？總轉(zhuǎn)化率為多少？

設(shè)乙酸酐的初始濃度為CA0，離開第一、其次、第三個反應(yīng)釜的濃度分別為CA1、CA2、CA3，則對于第一個反應(yīng)釜應(yīng)有：

?1?CA0?CA1C