反应过程与设备例题与习题(第二章)汇编.doc

第二章 均相反应器 一、主要基本概念、基本理论 ⒈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) 1 2 3 4 ⑴　连续系统：① 稳态时第4项等于零。② 非稳态时4项都存在。 ⑵　间歇系统：第1、2项等于零。 ⒉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 2 3 4 5 ⑴ 连续系统：① 稳态、非绝热时第4项等于零。 ② 稳态并绝热时第4、5项等于零。 ③ 非稳态、绝热时第5项等于零。 ④ 非稳态、非绝热时5项都存在。 ⑵　间歇系统：① 非绝热时第1、2项等于零。 ② 绝热时第1、2、5项等于零。 ⒊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。 ⑴ 特 点：① 任一瞬间，在反应器内各点的物料浓度相同、温度相同。 ② 在反应器内各点的物料浓度、温度随反应时间变化。 ⑵ 设 计 式： 　　　 ① 基础设计式： ② 恒 容 时： ⑶　变温过程： 式中： U ─ 给热系数 A h─ 与单位物料体积相当的传热面积 Tm─ 传热介质温度 ρ─ 物料密度 ⒋平推流反应器：物料连续流入、流出反应器。 ⑴　特点：① 稳态时，所有物料在反应器中的停留时间都相同。 　　　　　② 稳态时，同一截面上的物料组成、温度不随时间变化。 　　　　　③ 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。 ⑵　设 计 式： ① 基础设计式 ② 恒 容 时 ⑶　变温过程： ⒌全混流反应器：物料连续流入、流出反应器。 ⑴　特点：① 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。 ② 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。 ⑵　设计式： 　　　 ① 基础设计式： ② 恒 容 时： ⑶　热量衡算： U─ 给热系数 Ah─ 反应器传热面积 ⑷ 热稳定判据： ① QT = Qg ② 式中： QT ─ 散热速率　　　Qg─ 放热速率 二.例题部分 【例题2-1】乙酸和乙醇酯化反应： 在一间歇反应器中进行，反应温度反应为100℃，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k1=8.0×10 - 6m3/(kmol·s)， k2 =2.7×10 - 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％？ 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？ 【解】(1) 将方程简写成 间歇反应器： 上述方程采用数值积分，令：y = xA 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.4 0 y 10451.5 11527.0 12828.3 14432.9 16460.0 19101.1 22683.4 27816.6 35782.2 ①按梯形法数值积分： 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按辛普森法数值积分： 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： 　　　　　　　5.0×0.4×88÷(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÷(1.0456×24×60)＝6.64