精细设备 第二章 例题

2020/1/18精细化工过程与设备精细化工过程与设备李素琼第二章釜式反应器2020/1/182.1概述2.2间歇操作釜式反应器工艺计算2.3连续操作釜式反应器工艺计算2.4搅拌器2.5传热装置3例1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。设备装料系数取0.75。计算示例物料处理量FV一般由生产任务确定，辅助时间t0视实际操作情况而定，反应时间t可由动力学方程确定，也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以及δ等4解：因氨化为连续操作，故至少需要2台还原釜交替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的总容积为37.1775.0/1683.0/'mtFVV取2台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为10m3的反应釜，后备能力为%0.13%10085.8/)85.810(5例2：同例1，如果根据工厂的加工能力能够制造的最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅？解：选用6m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5m3，则受料时间：4.5/0.83=5.44h操作周期：5.44+8=13.44h每天操作总批数：α=24X0.83/4.5=4.45每锅每天操作批数：β=24/13.44=1.78需要锅的个数：m=4.55/1.78=2.5取用三个锅，生产能力后备系数为：δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20%6例3：西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容积。年工作日取300天。解：每台锅每天操作批数：β=24/17=1.41每天生产西维因农药数量：1000×1000÷300=3330Kg（GD）需要设备总容积:mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3取Va为10m3的最大搪瓷锅4台。δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%7•例4：萘磺化反应器体积的计算。萘磺化生产2-萘磺酸，然后通过碱熔得2-萘酚。•已知2-萘酚的收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度为99%，工业萘纯度为98.4%，密度为963kg/m3。•磺化剂为98%硫酸，密度为1.84。萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操作周期为3.67小时。•萘磺化釜的装料系数为0.7。年产2-萘酚4000t，年工作日330天。8L6269631000984.0175.01441282433099.01040003L27084.1100098.0175.014407.1982433099.01040003根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：每小时需处理硫酸的体积为：SO3HOH128144H2SO4+98解：LtFVV439075.067.3896'%9.13%1004390439025002每小时处理物料总体积为：FV=626+270=896L反应器的体积为：若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产能力后备系数为：•例5：以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯（C），操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速率•试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时所需反应时间。解：CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2OA的初始浓度计算：可求出，投料总体积为0.559m3231.045/()AArCkmolmh醋酸A1kmol60kg0.062m3正丁醇B4.96kmol368kg0.496m330002001.79/1()1AfAAxAfAAAAAfnckmolmVxdxtckckcx0.50.90.990.5354.8152.9ththth例6：间歇反应A+B→R+S，二级不可逆rA=kCACB，等温恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，处理量为2.0m3/h，A、B的初浓度均为1.0kmol/m3，每批辅时为0.5h，求反应体积为9.0m3时的A的转化率。解：由解上述方程得%0.80Afx)1(0AfAAfxkCxt001AAAfktCktCx)(0ttFVVR得又由得0/tFVtVR例题7：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？(/)AABRSrkCCCCK3263252CHCOOH(A)+CHOH(B)CHCOOCH(R)+HO(S)=通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为：1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为：解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为1200016.23/88240.35kmolh316.23604.354.155(/)1020mh其次计算原料液的起始组成：0316.23/3.908/4.155/AmolhCmolLmh03.90860210.2(/)46BCmolL03.908601.3517.59(/)18SCmolL0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArkabxcxC然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。代入速率方程，整理后得式中代入到基本公式中2001AfxAAAAdxtkCabxcx0000004/2.611//5.1511/0.65754.7610/()BABASAaCCbCCCCKcKkLmolmin得：t=118.8min30(')4.155(118.8/601.0)12.38RVVttm实际反应器体积：12.38m3/0.75＝16.51m315例8：在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩聚反应,其动力学方程为rA=kCA2kmol/(L·min)，k=1.97L/(kmol·min)。己二酸与己二醇的摩尔配比为1:1，反应混合物中己二酸的初始浓度为0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己二酸的转化率达到80%，每批操作的辅时为1h，装料系数取为0.75，计算反应器体积。解：h5.8)1(0AfAAfxkCxt2202)1(AAAAAxkCkCdtdCr积之得16物料的处理量为L/h0.171004.0146242400VF操作周期为h5.9'0ttt反应体积为L1625'tFVVR反应器容积为L2167/RVV17正反应速率常数k1为4.76×10-4m3/（kmol.min），逆反应速率常数k2为1.63×10-4m3/（kmol.min）。反应器内装入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度为1043kg/m3，假设反应过程不改变。试计算反应2h后乙酸的转化率。CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OABRS例9：在搅拌良好间歇操作釜式反应器中，以盐酸作为催化剂，用乙酸和乙醇生产乙酸乙酯，反应式为：已知100℃时，反应速率方程式为SRBAACCkCCkr2118解：乙酸的初始浓度0.4=3785.0×608.90=0AC乙醇的初始浓度4.10=3875.0×466.181=0BC水的初始浓度183785.018)6.1818.90(043.13875.00SC设XA为乙酸的转化率，则各组分的瞬时浓度与转化率的关系为)1(4AAxCABxC44.10ARxC4=ASxC4+18=kmol/m3kmol/m3kmol/m319代入反应速率方程式，则得)418(41063.1)44.10)(1(41076.444AAAAAxxxxr=)063.049.0248.0(10822AAxx所以AfAfxAAAxAAAxxdxrdxCt02200063.049.0248.01084=AfxAAxx0422.0490.0125.0422.0490.0125.0ln422.050=912.0068.0068.0125.0912.0125.0ln422.050AfAfxx当t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。20例10：在等温间歇釜式反应器中进行以下恒容液相反应：A+B→R，rR=2CAkmol/(m3h)2A→S，rS=0.5CA2kmol/(m3h)反应开始时A和B的浓度均为2.0kmol/m3，目的产物为R，计算反应时间为3h的A的转化率和R的收率以及生成R的选择性。解：rA=rR+2rS=2CA+2×0.5CA2=2CA+CA2，所以，恒容条件下，组份A的物料衡算式为22/-AAAACCrdtdC积之得21)+2()+2(ln21=00AAAACCCCt代入已知条件得CAf=2.48×10-3kmol/m3，即反应3h后A的浓度此时xA=(2.0-2.48×10-3)/2.0=0.9988=99.88%22/-AAACCdtdC又由及ARCdtdC2=/得2/11-/AARCdCdC积之得22AfARfCCAARCdCdC02/1C0于是2/+12/+1ln2=0AfARfCCC代入数据得CRf=1.384kmol/m3，则R的收率为YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的选择性为SR=YR/xA=0.693%，即69.3%上述计算表明，A转化了99.88%，而转化生成R只有69.2%，其余的30.68%则转化为S。23例11、设在间歇釜式反应器中进行某二级不可逆反应A+B→R。已知反应热为33.5kJ/molA；反应物平均热容为1980kJ/(m3·K)。反应速率rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)，A和B的初浓度分别为4.55kmol/m3和5.34kmol/m3，在反应物预热到326.0K后，①从326.0K开始在绝热条件下进行反应，在温度达到373.0K时开始等温反应。计算A的转化率达到0.98所需要的时间；②若反应始终在373K等温进行，所需反应时间又是多少？24解：①绝热反应过程的转化率和温度的关系由绝热方程确定。注意到反应开始时混合物中不含产物，即xA0=0，所以AiiArxCvnnqTT00ARiiAxVCvnCqTT/0r0右端分子分母同除反应体积VR，得右端分母即是以kJ/(m3·K)给出的反应混合物平均热容AxT98.760.32625rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)＝1.37×1012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0xA)所以AxAAArdxCt00AxAABAAAxCCxdxx000))(1(1037.1)98.760.32612628exp(1226可知由AxT98.760.326当绝热反应到373.