反应工程设计参考(3)

图3-4反应流程图

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第四章 热量核算

4.1物料衡算

(1)根据乙酸的每小时进料量,再根据它的转化率和反应物的初始质量比算出各物质的进料和出料量，则可以算出各组分的进料量，

乙酸：FA0?15.562kmol/h 乙醇：FB0?15.562?60?2?40.597kmol/h

46乙酸乙酯：FR0?0kmol/h 水：FS0?15.562?60?1.35?70.029kmol/h

18本工艺设计采用两个连续釜串联生产，其中XA1=0.2465,XA2=0.38 （2）第一个反应釜的各组分的出料量

乙酸：FA1?FA0(1?XA1)?15.562?(1?0.2465)?11.726kmol/h 乙醇：FB1?FB0?FA0XA1?40.597-15.562?0.2465?36.761kmol/h 乙酸乙酯：FR1?FA0XA1?15.562?0.2465?3.836kmol/h

水：FS1?FS0?FA0XA1?70.029?15.562?0.2465?73.865kmol/h （3）第二个反应釜各组分的出料量

乙酸：FA2?FA0(1?XA2)?15.562?(1?0.38)?9.648kmol/h 乙醇：FB2?FB0?FA0XA2?40.597-15.562?0.38?34.683kmol/h 乙酸乙酯：FR2?FA0XA2?15.562?0.38?5.914kmol/h

水：FS2?FS0?FA0XA2?70.029?15.562?0.38?75.943kmol/h 综合上述计算，反应釜的物料衡算见表4-1如下：

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表4-1物料衡算具体结果

第一个反应釜 物质 进料 kmol/h 进料 kmol/h 出料 kmol/h 出料 kmol/h 乙酸 乙醇 乙酸乙酯 水 15.562 40.597 0．000 70.029 11.726 36.761 3.836 73.865 11.726 36.761 3.836 73.865 9.648 34.683 5.914 75.943 第二个反应釜 4.2能量衡算

4.2.1 热量衡算总式

Q1?Q2?Q3?Q4

式中：Q1进入反应器物料的能量，KJ

Q2：化学反应热，KJ

Q3：供给或移走的热量，有外界向系统供热为正，有系统向外界移去热量为负，KJ Q4：离开反应器物料的热量，KJ

4.2.2每摩尔各物质在不同条件下的Cp,m值

对于气相物质，它的气相热容与温度的函数由下面这个公式计算：

cp,m?A?BT?CT2?DT3【5】

各种液相物质的热容参数如下表4-2[6]：

表4-2液相物质的热容参数

物质 乙醇 乙酸 乙酸乙酯 水 A 59.342 -18.944 155.94 92.053 B×10/K 36.358 109.71 2.3697 -3.9953 13

2 C×10/K -12.164 -28.921 -1.9976 -2.1103 42D×10/K 1.8030 2.9275 0.4592 0.53469 63

由于乙醇的沸点为78.3℃、乙酸乙酯的沸点为77.1℃ (1)乙醇的Cp,m

Cp,m(l,351.45K)?A?BT?CT2?DT3=59.342+36.358×10-2 ×351.45-12.164×10 -4×351.452 +1.8030×10 -6×351.453 =59.342+127.780-150.246+78.268?115.543J?mol?K?1(2)乙酸乙酯的Cp,m

Cp,m(l,350.25K)?A?BT?CT2?DT3=155.94+2.3697×10-2 ×350.25-1.9976×10 -4×350.252 +0.4592×10 -6×350.253 =155.94+8.290-24.506+19.730?159.454J?mol?K?1(3)乙酸的Cp,m

Cp,m(l,373.15K )?A?BT?CT2?DT3=-18.944+109.71×10-2 ×373.15-28.921×10 -4×373.152 +2.9275×10 -6×373.153 (4)水=-18.944+409.383-402.699+152.106?139.846J?mol?K?1的Cp,m

Cp,m(l,373.15K )?A?BT?CT2?DT3=92.053-3.9953×10-2 ×373.15-2.1103×10 -4×373.152 +0.53469×10 -6×373.153 =92.053-14.908-29.384+27.792?75.553J?mol?K?14.2.3各种气相物质的参数

该酯化反应的反应温度为100℃，乙醇和乙酸乙酯在此条件下为气体，其参数见表4-3。

表4-3气相物质的热容参数

物质 乙醇 乙酸乙酯 A 4.396 10.228 B×10 0.628 -14.948 -3[7]

C×10-5 D×10-8 E×10-11 5.546 13.033 14

-7.024 -15.736 2.685 5.998

(1)乙醇的Cp,m

Cp,m(g,373.15K)?(A?BT?CT2?DT3?ET4)R=(4.396+0.628×10 -3×373.15+5.546×10 -5×373.152 -7.024×10-8 ×373.153 +2.685×10-11 ×373.154 )R=(4.396+0.234+7.722-3.650+0.521)?8.314=76.680J?mol?K?1(2)乙酸乙酯的Cp,m

Cp,m(g,373.15K)?(A?BT?CT2?DT3?ET4)R=(10.228-14.948×10 -3×373.15+13.033×10 -5×373.152 -15.736×10-8 ×373.153 +5.998×10-11 ×373.154 )R=(10.228-5.578+18.147-8.176+1.163)?8.314=131.228J?mol?K?14.2.4每摩尔物质在100℃下的焓值 (1)每摩尔水的焓值

ΔrHm(H20)?Cp,m(Hl,373.15K)20,?373.15298.15dT?ΔvapHm

?75.553?10?3?(373.15?298.15)?40.668?46.334KJ/mol(2)每摩尔的乙醇的焓值

ΔrHm(C2H5OH)?Cp,m(CHOH,l,351.45K)?25351.45298.15dT?ΔvapHm?Cp,m(CHOH,g,373.15K)?25373.15351.45dT?115.543?10?3?(351.45?298.15)?38.744?76.680?10?3?(373.15?351.45) ?46.566KJ/mol（3) 每摩尔的乙酸的焓值

ΔrHm(CH3C00H)?Cp,m(CHC00H,l,373.15K)?3373.15298.15dT

?139.846?10?3?(373.15?298.15)?10.488KJ/mol(4) 每摩尔的乙酸乙酯的焓值

ΔrHm(CH3C00C2H5)?Cp,m(CHC00CH,l,350.25K)?325350.25298.15dT?ΔvapHm?Cp,m(CHC00CH,g,373.15K)?325373.15350.25dT?159.454?10?3?(350.25?298.15)?30.539?130.539?10?3?(373.15?350.25) ?41.836KJ/mol15