工程款结清证明
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：
CH3COOC2H5?NaOH?CH3COONa?C2H5OH
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：
3
（1） （1） 当反应器的反应体积为1m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
：
XAf，
（1）
t?CA0??0XAfdXAdXA1XA?CA0???2220(?RA)kA0CA0(1?XA)kCA01?XA10.95??169.6min(2.83h)5.6?0.021?0.95
(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：
CH2ClCH2OH?NaHCO3?CH2OHCH2OH?NaCl?CO2
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
0.3266?80.5?91.11kg/h每小时需氯乙醇：0.95?30%
.1
工程款结清证明
0.3266?84?190.2kg/h每小时需碳酸氢钠：0.95?15%
原料体积流量：
Q0?91.11?190.2?275.8l/h1.02
0.3266?1000CA0??1.231mol/l0.95?275.8氯乙醇初始浓度：
反应时间：
XAfdXA1dXA10.95t?CA0?????2.968h2?00kCACBkCA0(1?XA)5.2?1.2311?0.95 反应体积：Vr?Q0(t?t')?275.8?(2.968?0.5)?956.5l
XAfV?（2） （2） 反应器的实际体积：
3.3丙酸钠与盐酸的反应：
Vr956.5??1275lf0.75
C2H5COONa?HCl?C2H5COOH?NaCl
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，min 0 0 NaOH用量，ml 5310 220 130 115∝
2.2 2.1 3.5 8.9 4.4 0.5 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：
.2
工程款结清证明
CA?CB?0.515?VNaOHmol/l10
于是可求出A的平衡转化率：
XAeCA0?CAe52.5?10.5???0.8CA052.50.515?52.5?(1?0.72)?0.0515?14.7mol/l10
XA?XAe?90%?0.8?90%?0.72CA?CA0(1?XA)?
由上图，当CA=0.0515×14.7mol/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：Q0?FA0/CA0?156.4/(0.0515?52.5)?57.84l/min 反应器体积：Vr?Q0(t?t0)?57.84?(18?20?10)?4512l 实际反应体积：4512/0.8?5640l
3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：
现以丙酸浓度对时间作图：
A?B?R
1100014rA?1.1?10exp(?)CACBkmol/m3.hT其反应速率方程为：
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？
.3
工程款结清证明
解：(1)
0.04???(?4000)?CA0(??Hr)T?T0?(XA?XA0)?323?XA?323?39.01XA4.102CF0
XAfdXXAfdXAAt?CA0??CA0?00(?RA)kCACB?CA0?
dXA?91.32h11000221.1?1014exp(?)CA(1?X)0A323?39.01XA
（由数值积分得出）
T?323?39.01?0.85?356.2K
(2)若A全部转化为R,即XA=1.0,则由上面的积分式知，t→∝,这显然是不可能的。
3.5在间歇反应器中进行液相反应：
A?B?CC?B?DrA?k1CACBrD?k2CCCB
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） k2/k1;
（2） 产物C的最大浓度；
（3） 对应C的最大浓度时A的转化率。 解：(1)因为B过量，所以：
''''rA?k1CA,rD?k2CC,rC?rA?rD?k1CA?k2CC
恒容时：
??dCA'?k1CAdt （A） dCC''?k1CA?k2CCdt (B)
（B）式除以（A）式得：
'dCCk2CC??1?'dCAk1CA
.4
工程款结清证明
解此微分方程得：
k2??'CA0??CA?k1CA?CC???'??k2?CA0?CA0??1?'???k1 （C）
'将t1,CA,CC及t2,CA,CC数据代入（C）式化简得：
0.42?0.55x?0.38?0.1x?0.42?0.55?0.38?0.1
解之得：
'k2kx?'?0.525?2k1k1
(2)先求出最大转化率:
1XA,maxk1k1?1?1?()?0.7425k2
k2?1?k???1?XA?1??1?XA???0.4905k?1?2?k1
k2(3)产物C的最大收率：
YC,max产物C的最大浓度：
CC,max?CA0YC,max?0.1?0.4905?0.0491kmol/m3
3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应
k3k1A1????A2???A3
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。
k3k1A???A????A3反应时间12（3） （3） 将上述反应改为
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，其实质是下述反应的特例：
.5
化学反应工程第三章答案
