将上述数据代入(A)式,化简后得到:
若i=1,则(B)式变为: 解之得:
若i=2,则(B)式变为: 解之得:
若i=3,则(B)式变为: 解之得:
即:三釜串联能满足要求。
以硫酸为催化剂,由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜,一台的反应体积为3m3,另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯,初步决定采用等温连续操作,原料中醋酸的0.浓度为m3,丁酯则大量过剩,该反应对醋酸为2级,在反应温度下反应速率常数等于1.2m3/,要求醋酸的最终转化率不小于50%,这两台反应釜可视为全混反应器,你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大?为什么?试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应,这两台反应器的串联方式又应如何?
解:因为反应级数大于1,所以联立方式应当是小釜在前,大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算:
二式联立化简后得到:(将XA2=代入)
解之得:XA1=
醋酸丁酯产量=
如果进行的是一级反应,可进行如下计算: (1) (1) 小反应器在前,大反应器在后:
联立二式,且将XA2=代入,化简后得到:
解得:XA1= 所以有:
醋酸丁酯产量=
(2)大反应器在前,小反应器在后:
解得XA1=
所以有:
产量同前。说明对此一级反应,连接方式没有影响。
等温下进行级液相不可逆反应:。反应速率常数等于5m,A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h,试分别计算下列情况下A的转化率达95%时所需的反应体积:(1)全混流反应器;(2)两个等体积的全混流反应器串联;(3)保证总反应体积最小的前提下,两个全混流反应器串联。 解:(1)全混流反应器
(2) (2) 两个等体积全混流反应器串联
由于,所以由上二式得:
将XA2=代入上式,化简后得到XA1=,所以:
串联系统总体积为: (3) (3) 此时的情况同(1),即
原料以0.5m3/min的流量连续通入反应体积为20m3的全混流反应器,进行液相反应:
CA,CR为组分A及R的浓度。rA为组分A的转化速率,rD为D的生成速率。原料中A的浓度等于m3,反应温度下,k1=,k2=1.25m3/,试计算反应器出口处A的转化率及R的收率。
解: 所以:
即为:
在全混流反应器中等温进行下列液相反应:
进料速率为360l/h,其中含25%A,5%C(均按质量百分率计算),料液密度等于c m3。若出料中A的转化率为92%,试计算: (1) (1) 所需的反应体积; (2) (2) B及D的收率。已知操作温度下,k1=×10-5l/;
k2=×10-9s-1;; k3=×10-5l/ ;B的分子量为140;D的分子量为140。
解:因MB=MD=140,所以MA=MC=70
(1)
(2) (3) 由(2),(3)式分别得:
(4) (5) 将(4),(5)式及上述数据代入(1)式,可整理为τ的代数方程式,解之得τ=×105s= (1) (1) 反应体积 (2) (2) 将τ代入(4)式得,所以B的收率为:
对A作物料衡算: 所以有:
所以D的收率为:
3.17 在CSTR中进行下述反应:
(1) (2)
(3)
如果k1/k2=8, k2/k3=30,CB6=l,氯对苯的加料比=,k1τ=1 l/mol,( τ为空时),试计算反应器出口B,M,D,T,C的浓度。各个反应对各反应物均为一级。
解:
分别列出组分B,M,D,T,C的物料衡算式:
(1) (2) (3)
(4) (5) 由(5)式得: (6)
联立(1),(2),(3),(4),(6)式(五个方程,五个未知数): 由(2)式得:
(7)
由(3)式得:
(8)
将(1),(7),(8)式代入(6)得:
整理得:
解得:CC= kmol/m3 代入(1)式得: 代入(7)式得: 代入(8)式得: 代入(4)式得: 验证: 即:
3.18 根据例题中规定的条件和给定数据,使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点?如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使原料以0.001 m3/s的流速连续进入反应器,其它条件不变,试讨论定态问题,在什么情况下出现三个定态点?是否可能实现?
解:由例,知:
移热速率方程: (1) 放热速率方程: (2)
绝热操作方程: (3) 由(3)式得:
(4) (4) (4) 代入(2)式得:
(5)
由(1)式及(5)式作图得: T 326 330 340 350 360 365 370 qg 由上图可知,此反应条件下存在着两个定态点。如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率,使Q0=s,而保持其它条件不变,则这时的移热速率线如q’r所示。由图可知,q’r与qg线无交点,即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。从例可知,该反应温度不得超过373K,因此从图上知,不可能出现三个定态点的情况。
3.19 根据习题所规定的反应及给定数据,现拟把间歇操作改为连续操作。试问: (1) (1) 在操作条件均不变时,丙酸的产量是增加还是减
少?为什么?
(2)若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变,所需空时为多少?能否直接应用中的动力学数据估算所需空时?
(3)若把单釜操作改变三釜串联,每釜平均停留时间为(2)中单釜操作时平均停留时间的三分之一,试预测所能达到的转化率。
解:(1)在操作条件均不变时,用习题中已算出的Vr=4512l,Q0=min,则可求出空时为τ=4512/=78min。此即间歇操作时的(t+t0)。当改为连续操作时,转化率下降了,所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。因Q0维持不变,故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。
(2)若维持XA=,则可由题中的数据得出XA=时所对应的反应速率,进而求出这时对应的空时τ=。因题意要求丙酸产量不变,故Q0不能变,必须将反应器体积增大至14240 l才行。
(3)这时τ1=τ/3=。利用题中的数据,可求出RA~XA之关系,列表如下:
XA 0 -RA 0 故可用作图法求此串联三釜最终转化率。第三釜出口丙酸钠的转化率为:XA3=。
3.20 根据习题所规定的反应和数据,在单个全混流反应器中转化率为%,如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联,要求达到同样的转化率时,生产能力各增加多少?
解:(1)二个300 l全混串联釜,XA2=,
(1) (2) 解得:XA1=
代入(1)式求出此系统的体积流量:
题中已算出。因为最终转化率相同,故生产能力增加=倍。
(2)二个300l釜并联,在最终转化率相同时,Q0增加一倍,生产能力也增加一倍。