顺丁烯还二酸酐(A)与正己醇来自(B)反应可生产顺丁烯二酸己酯,反应式为 C4H2O3+C6H13O...
顺丁烯二酸酐(A)与正己醇(B)反应可生产顺丁烯二酸己酯,反应式为 C4H2O3+C6H13OH→HOOC—CH===CH—COOC6H13 该反应对顺丁烯二酸酐和正己醇均为1级,反应速率常数 现拟在间歇釜式反应器中进行该反应,先将固体顺丁烯二酸酐加入釜内用蒸气加热熔融,其熔点为326K。全部熔融后迅速加入正己醇,此液体混合物中顺丁烯二酸酐和正己醇的浓度分别为4.55kmol/m3及5.34kmol/m3。
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绝热反应过程中转失统饭础友井友化率和温度的关系可由确定,但根钱井民烧研自训队居皇据题给的数据需要对该式作适当的改写,若该式右边分子和分母分别除以反应混合物的体积,染打侵夜敌则变为
(a)
式中,ρ为反应混合物的密度;为按单位质量计算的比热容。
故两者的乘积正好是按单位体积计算的比热容,即题给的1980kJ/(丝端回普顾么m3·K)。把有关数据代入式(a)得
或T=326+76.98XA (b)
反应的速率方程为
(c)
将式(c)代入即可计算反应时间
(d)
由于反应是在变陆果后重欢宽饭聚放挥东温条件下进行,而k又是温度的函数,为此,必须把k变成转化率XA的函数,式(d)才能积分。这可将式(b)代入题给的反应速率常数k与T的关系式,然后再代入式(d)即可得
(e)
因为反应温度不许超过373K,与此温度对应的转化率由式(b)求得
373=326+76.98XA
解得XA=0.6105
所以,在绝热条件下反应至转化率为xA1=61.0盐严球5%后,改为373K等温反应至转化率为98%。将有关数据代入式(e)有
(f)
式(f)中积分值可用数值积分求得,例如辛普生法。由计算机求出式(f)的积分值为1383s,即绝热阶段反应时间
t=1383s=23.1min
此时温度已达到373K,维持该温度进行反应,使转化率从61.05%增至98%,是读散手有航杂除所需反应时间可按式(d)计算,但积分上、下限相应为0.6105和0.98。由于k为常数,式(d)可解析积分激织何,把式(d)改写成
(g)
373K时的反应速率常数
将有关数值代入式(g)得等温阶段的反应时间
所以,总反应时间
t=t1+t2=23.1+14.78=绝完年37.88min$自始至终在373K等温下反应,所需的反应时顾副个武陈线超间也可按式(g)计算。此时,XA0=0,XAf=云权测校0.98,代入式(g)得反应时间
由此可见,在373K下等温操作时,所需的反应时间较先绝热后等温操作要少。原因是反应温度越高,反应速率越快,而在绝热操作时反应温度均低于373K。$由于顺丁烯二酸酐酯化反应为放热反应,要保持等温反应,必须及时将反应放出的谁热量排走。第(1)种情况只是转化率从61.05%升至98%时为等温操作,对于1m3反应物料而言买收介香亲他川与杂顶年,反应放热
q=1×4.55×(0.98-0.6105)×汽虽距清就教束晚传种座33.5×103=65321kJ
此为冷却水带走的热量,冷却水的温升为7K,则冷却水用量为
第(2)种情况是自始至终保持373K等温操作,故1m3儿读万至没弦值油反应混合物反应放热为
1×4.55×0.98×33.5×103=149380kJ
相应所需冷却水量孩持架攻示为
由此可知,第(2)种情况的冷却水用量约为第(1)种情况的2.5倍副构移界。
将顺丁烯二酸酐熔融以及将正己醇加热至326K,两种情况所需的蒸气都是一样的。第(1)种情况从326K起即绝热操作,而第(2)种情况尚须将反应混合物从326K加热至373K,所需热量为
1×1980×(373-326)=93060kJ
所以,第(2)种情况多用的0.405MPa饱和蒸气(潜热为2136kJ/kg)量为93060/2136=43.6kg。显然,虽然第(2)种情况的反应时间短,但蒸气用量和冷却水用量却增加了。