高等化学反应工程作业

成绩：

高等化学反应工程作业

学院：化工学院

班级：硕14-3班 姓名：姜静 学号：

TS14040082

一、环氧乙烷水合反应间歇反应器数据确定反应动力学方程式

将500ml 浓度为2kmol/m-3的环氧乙烷水溶液与500ml 含0.9%（质量分数）硫酸的水溶液混合，在55℃下进行反应，测得乙二醇浓度随反应时间的变化数据如表例1所示。由这些数据确定55℃的反应速率常数。由于水通常是过量存在，故认为在反应过程中，水的浓度是一个常数。反应对环氧乙烷来说是一级。

（1）该反应为：

24

（CH2）2O+H2O −−−→ HOCH2-CH2OH

H SO

A + B −−−→ C

这一反应是等温液相反应，可以认为是恒容过程，设计计算式为

催化剂

t r = -

⎰

c A 0

c A

dc A (-r A )

由于水是大大过量的，在任意时刻水的浓度可以认为与初始浓度相同，所以速率方程与水的浓度无关，故速率方程为：

-rA=kcA

故速率方程与设计方程结合并积分，得到：

dc A

—rA=—dt =k cA

⎰dt =-⎰

t

C A 0

C A

c A 0dc A

kc A ln c A =k t

环氧乙烷在任意时刻的浓度cA 为： cA=cA0e-kt

在任意时刻乙二醇的浓度能由反应计量方程获得，反应消失的环氧乙烷就是生成的乙二醇： cC=cA0-cA=cA0(1-e-kt)

将上式重新排列，两边取对数得到：

c A 0-c C

) c A 0 ln = -kt

(

c A 0-c C

) c A 0

从上式可看到，以 ln 对t 作图，将得到一条直线，其斜率是（-k ）。

(

c A 0-c C c -c C

) (A 0) c c A 0A 0表2列出了与t 的关系，然后以半对数坐标对t 作图，如果图1所示，

(

图中的斜率等于（-k ）

c a 0-c c ) c a 0表2（与t 的关系

在图中直线上任取两点，可以计算出线的斜率 k=0.311min-1 反应的速率方程为 -rA=0.311cA

可以用此方程设计反应器。

对于给定的的生产任务，即单位时间处理的原料量FA(kmol/h) 以及原料的组成cA0(kmol/m3)达到产品要求xAf 及辅助生产时间t’,动力学方程等，均做给定的条件。设计计算过程是求出间歇反应器的体积过程。步骤如下。

（1）由式tr=ca0

⎰

x A

dx A

(-r A ) 计算反应时间tr

（2）计算一批料所需时间tt: tt=tr+ t’

其中t’为辅助生产时间。

（3）计算每批投放物料总量F’A=FA·tr 式中，F’A的单位为kmol.

F A ' c (4)计算反应器有效容积V’R=A 0或V’R=V0(tr+t’)

(5)计算反应器总体积VR 。反应器总体积应包括有效容积，分离空间，辅助部件占有体积。通常有效体积占总体积分率为60%-85%，该分率成为反应器填充系数ϕ，有生产实际决定。

V R '

VR=ϕ

核算计算过程

a. 当已知一间歇反应器大小VR, 以及原料组成cA0, 产品组成cAf, 反应速率方程（-rA ）, 辅助生产时间及填装系数ϕ，求能否满足处理量或产量的要求，步骤如下： （1）由cA0和 cAf, 计算相应的xAf: 恒容过程 cAf= cA0（1-xAf ） （2）求tr

tr=cA0

⎰

X aF

dx A (-r A )

（3）求一批料所需时间tt tt=tr+t’

V R ϕt (4)看处理量FA=cA0t , 看是否满足要求。

b. 当已知VR 、cA0、（—rA ）、t’、 FA 、ϕ时求出出口组成cA 能否满足要求。其步骤如下： 1、求单位时间处理的体积：

F A

c V0=AO

2、求每批料所允许的时间tt:

V R ϕV tt=0

3、求相应的允许反应时间：

tr=tt-t’

4、求cAf

x A

c A f dc dx A A

⎰(-r A ) =—C A 0(-r A )

由tr=ca0

⎰

求出cAf 。

5、将计算出的cAf 与生产任务要求的cAf 相比较，若计算出的cAf 小于生产任务要求的cAf ，则可认为该反应器能满足要求。

二、用原子矩阵法确定下列反应系统的独立反应数 体系有CO 、CO2、H2、H2O 、CH3OH 、CH3OCH3

C O H

⎛CO 1 1 0⎝

CO 2120H 2002H 2O 012CH 3OH

114

CH 3OCH 3⎫

⎪

2⎪

⎪1

⎪⎪6⎭

−−→

⎛1

0 0⎝

⎛1 0 0⎝

110

110

002

001

012

011

104

102

2⎫

⎪-1⎪6⎪⎭

2⎫⎪-1⎪

⎪3⎭

−−→

−−→

⎛1

0 0⎝

010

001

-111

102

3⎫

⎪-1⎪

⎪3⎭

矩阵秩为3，而反应组分为6，则独立反应数为3 以H2O 、CH3OH 、CH3OCH3为关键组分

) , V3=(V 13 , 0 , 0) , V2 =(V 12, V 22 , V 32 , 0 , 1 , 0 , V 23 , V 33 , 0 , 0 , 1) V1 =(V 11 , V 21 V 31, 1

⎛100-11

01010 00112⎝

⎛V 11V 12V 13⎫ ⎪V V V 212223⎪

3⎫ V V 32V 33⎪31⎪ ⎪

100⎪-1⎪ 0⎪10 ⎪

3⎪ ⎭ ⎝001⎪⎭ = 0

自上述方程可解得：

V11=1，V12=-1，V13=-3，V21=-1，V22=0，V23=1，V31=-1，V32=-2，V33=-3

于是，可写出一组独立方程； CO2 ＋ H2 ＝ CO ＋ H2O 2H2 ＋ CO ＝ CH3OH

3CO ＋ 3H2 ＝ CH3OCH3 ＋ CO2