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4 管式反应器

4管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应:6532664+→+C H CH H C H CH 在反应条件下该反应的速率方程为:0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度,mol/l ,原料处理量为2kmol/h ,其中甲苯与氢的摩尔比等于1。

若反应器的直径为50mm ,试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。

解:根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程,原料甲苯与氢的摩尔比等于1,即:00=T H C C ,则有:0(1)==−T H T T C C C X 示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢,其中:53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/−−××===×××====×T T T T p C kmol m RT F Q C kmol h kmol s所以,所需反应器体积为:00000.5 1.50 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51−−−==−−=×=×=×−−∫∫∫T T X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX m X 所以,反应器的长度为:23.0061531.10.05 3.14/4=×m 4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据,改用活塞流反应器生产乙二醇,试计算所需的反应体积,并与间歇釜式反应器进行比较。

解:题给条件说明该反应为液相反应,可视为恒容过程,在习题3.2中已算出:0275.8/=Q l h0 1.231/=A C mol l所以,所需反应器体积:00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=−−===−×−∫AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X l kC X由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小,间歇釜式反应器的反应体积大,这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。

4.31.013×105Pa 及20℃下在反应体积为0.5m 3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应:22432222 1.410,/.+→=×NO NO O NO O NO r C C kmol m s式中的浓度单位为kmol/m 3。

进气组成为10%NO,1%NO 2,9%O 2,80%N 2,若进气流量为0.6m 3/h (标准状况下),试计算反应器出口的气体组成。

解:由NO 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程,其设计方程为:20400 1.410=×∫A X r AA A BV dX C Q C C (A )示中A,B 分别代表NO 和O 2。

由题意可知,若能求得出口转化率,由(2.54)式得:0001−=+ii A A Ai A A Ay y X y y X ννδ便可求出反应器出口气体组成。

已知:0034302023302331,0.10,0.0920.6(27320)/2730.644/ 1.788810/0.62.67710/22.42.677100.1 4.15910/0.6442.677100.093.74310/0.644−−−−−−==−===+==×==×××==×××==×∑iAA B Ai A B y y Q m h m s F kmol h C kmol m C kmol m νδν所以,反应速率为:22004223431(1)()21.410(10.05)(10.05)(1)(3.743 2.078)101.410(10.05)−−−=×−−−−×=×−A A B A A A A A A AA C X C C X r X X X X X 再将有关数据代入(A )式:334200.514 4.15910(10.05)1.78910(1)(3.743 2.078)−−×××−=×−−∫A X A AA A X dX X X (B )用数值积分试差求得:99.7%=A X 因此,22000.1(10.997)0.032%10.0510.050.99710.090.10.9972 4.227%10.050.99720.10.10.997211.546%10.050.9970.884.197%10.050.997−−===−−×−××==−×+××==−×==−×A A A A A B NO N y y X y X y y y 另:本题由于惰性气体N 2占80%,故此反应过程可近似按恒容过程处理,也不会有太大的误差。

4.4在内径为76.2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:26242⇔+C H C H H 反应压力及温度分别为2.026×105Pa 及815℃。

进料含50%(mol)C 2H 6,其余为水蒸汽。

进料量等于0.178kg/s 。

反应速率方程如下:−=AA dp kp dt式中p A 为乙烷分压。

在815℃时,速率常数11.0−=k s,平衡常数47.4910=×K Pa ,假定其它副反应可忽略,试求:(1)此条件下的平衡转化率;(2)乙烷的转化率为平衡转化率的50%时,所需的反应管长。

解:(1)设下标A—乙烷,B—乙烯,H—氢。

此条件下的平衡转化率可按平衡式求取:=B Hp Ap p K p5015050150110 1y y y y 5011501y y y 11111 50Py , 1y y y 100B0B 000A A0000000eA eA e A eA AA A A A AHB eA e A A A A A A A A i i AA A AA Ai i i AA A A A Aii i X .X *.X .X *.*X y X X .)X (.X y X .y p X y X X y X p p p +=+−−=+−==+−=+−=+==+−=+−=δννδδδννδνν=-=,61014497150150422.X *.P )X )(X .(X .P y P y y p p p K Ae Ae Ae A H B A H B Ae==−+===若以1摩尔C 2H 6为基准,反应前后各组分的含量如下:262422,,⇔+∑C H C H H H O 反应前10012平衡时1-X eX eX e12+X e因此,平衡时各组分分压为:111(1),,222−===+++e e e B H A e e eP X P X P X p p p X X X 将其代入平衡式有:2541() 2.02610/7.491022−××=×++e ee eX X X X 解此一元二次方程得:0.61=e X (2)所需的反应管长:首先把反应速率方程变为()3/,/.−=A Ad p RT kp kmol m sdt RT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。

已知:00.1780.50.0037/300.5180.50.50.305×==×+×==A AfAe F kmol sX X 代入物料衡算式有00130.3053501()20.00378.31410108820.131 2.026101=−+×××+==××−∫∫AfX Ar A A A A AA dX V F X P k X RTX dX m X 其反应管长:20.1328.8(0.0762) 3.14/4==×L m 4.5于277℃,1.013×105Pa 压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应:2533252()()()()+→+C H OH CH COOH CH COOC H H OA B P Q 催化剂的堆密度为700kg/m 3,在277℃时,B 的转化速率为:7644.09610(0.38.88510)(/9.8),/.3600(1 1.51510)−−−×+×−=+×Q B P Q A B P p p p p p r kmol kg sp 式中的分压以Pa 表示,假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。

加料组成为23%B,46%A,31%Q (均为重量%),加料中不含酯,当X B =35%时,所需的催化剂量是多少?反应体积时多少?乙酸乙酯的产量为2083kg/h 。

解:由反应计量方程式知反应过程为恒容过程,将速率方程变为B 组分转化率的函数,其中:000000(1),,=−=−==+B B B A A B B P B B Q Q B Bp p X p p p X p p X p p p X 为求各组分初始分压,须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比,即12.34%B,32.1%A,55.45%Q 。

于是有:50505000.1234 1.013100.3220 1.013100.5545 1.0131020830.0188/3600880.35=××=××=××==××B A Q B p p p F kmol s将上述有关数据代入设计方程:00=∫BX B B BdX W F r 采用数值积分便可得到所需的催化剂量:41.0110=×W kg 其反应体积为:431.011014.5700×===r WV m ρ4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:2242()()2()→+CHClF g C F g HCl g 流量为2kmol/h 的纯CHClF 2气体先在预热器预热至700℃,然后在一活塞流反应器中700℃等温下反应。

在预热器中CHClF 2已部分转化,转化率为20%。

若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s ,当出口处CHClF 2的转化率为40.8%时,出口的气体线速度时多少?反应器的长度是多少?整个系统的压力均为1.013×105Pa ,700℃时的反应速率常数等于0.97s -1。

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