2019最新第三章_间歇釜式反应器体育
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18
• 例3-2 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。
解： wenku.baidu.com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10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
投料到操作过程全部
完成所需的总时间t’ ， 操 作 时 间 t’ 包 括 反 应
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
间t0 两部分组成。
• 压出料
15分
• 即t’ = t + t0
• 操作周期 240分或4小时
10
反应时间t的求算方法
• 由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意： • (1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往
受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来 求算反应过程的时间。 • (2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质 速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计 算反应时间。 • (3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温 过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相 当高的转化率。有时需分段作动力学计算。
2.搅拌装置，由搅拌轴和搅拌器组成，
使反应物混合均匀，强化传质传热
3.传热装置，主要是夹套和蛇管，用来
输入或移出热量，以保持适宜的反应 温度
4.传动装置,是使搅拌器获得动能以强
化液体流动。
5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏
6.工艺接管,为适应工艺需要
4
5
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
13
2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或Q0与t ’，根据已有的设备容积Va， 求算需用设备的个数m。
• 设备装料系数为 ，则每釜物料的体积为 Va，按
设计任务，每天需要操作的总批次为：
VD 24Q0
•
Va Va
解： rA
dCA dt
k CA 2
kCA02 (1
xA)2
积之得
t
xAf
8.5h
kCA0 (1 xAf )
27
物料的处理量为
2400 Q0 24146 0.004 171.0L/h
操作周期为
t' t t0 9.5h
反应体积为
VR Q0t ' 1625L
每个设备每天能操作的批数为：
24 = t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
14
由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m’, m＇＞m。
因此实际设备总能力比设计需求提高了。 其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，
则
m' m 100 %
rA (rA,1) (rA,2 ) rR rS (k1 k 2)CA
其中R为目标产物，则A的转化率、组份浓度 与反应时间的关系可由物料衡算求得。
2
间歇釜式反应器
BR（Batch Reactor）
• 3.1 釜式反应器的特点及其应用 • 3.2 间歇釜式反应器的容积与数量 • 3.3 等温间歇反应釜的计算 • 3.4 变温间歇釜的计算 • 3.5 半间歇釜式反应器
3
3.1.1釜式反应器的结构 *
1.釜的主体，提供足够的容积，确保达 到规定转化率所需的时间
0
0
(rA )VR
dn A = d（VRC A）
dt
dt
所以
(rA)VR dnA / dt
22
由反应物A转化率xA的定义 xA (nA0 nA ) / nA0
得到
dnA nA0dxA
于是，
(rA)VR nA0dxA / dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 (rA )VR
19
H2SO4 +
SO3H
OH
98
128
144
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 103 0.99 128 1 1000 626L
330 24
144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000 103 0.99 98 1.07 1 1000
反应器容积为
V VR / 2167 L
28
3.3.2 复杂反应(考虑平行反应和串联反应)
① 平行反应
平行反应的基本特征是相同的反应物能进行两个
或两个以上的反应。
设等温间歇反应器中进行一级平行反应：
A k1 R （主反应） A k2 S （副反应）
rR k1CA
rS k 2CA
m
15
（2）已知每小时处理的物料体积Q0与操作周期t’,求设备体积与个
数
需要设备的总容积为：
Q0t '
V
mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=Q0t’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88)而 定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或略 大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力称 为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大小，
11
（3）反应体积VR
• 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。
如果由生产任务确定的单位时间的物料处理量为Q0，
操作时间为t’(包括反应时间t和辅助操作时间t0 )，
则反应器的有效容积：
VR=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
7
3.2.1间歇釜式反应器的容积与数量
确定反应器的容积与数量是车间设计的基础， 是实现化学反应工业放大的关键 1、求算反应器的容积与数量需要的基础数据
8
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
料处理量为Q0
VD
=
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
Q0=VD/24
9
（2） 操作周期t’
(3) 二级反应 A→R
(4) 二级反应 A+B→R(CA0=CB0)
rA kCA0
rA kCA
rA
k
C2 A
rA kCACB
t
xAf CA0 /
k
CA0 CAf k
t
1 k
ln(1/(1
xA ))
1 k
ln
C A0 CA
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
• 1、特点*
·反应物料一次加入，产物一次取出 •结构简单、加工方便，传质、传热效率高 •同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀 •非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应 速度随着反应时间而变
•操作灵活性大，便于控制和改变反应条件 •辅助时间占的比例大 ,劳动强度高，生产效率低.
6
2、应用
•适合于多品种、小批量生产 •适应于各种不同相态组合的反应物料 几乎所有有机合成的单元操作
适用于任何间歇反应过程。
23
恒容条件下： CA0 nA0 /VR
所以
t CA0
x
Af
0
dxA (rA )
xA (nA0 nA) / nA0 (CA0 CA) / CA0
dxA dCA / CA0
取 t=0 时 xA= 0、CA＝CA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，
12
（4）*设备装料系数
实际生产中，反应器的容积要比有效容积大，以保 证液面上留有空间。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备 条
件
无搅拌或缓慢搅
装料系数，以符号
拌的反应釜
表示，即：
带搅拌的反应釜 易起泡或沸腾状
=VR/V。其值视具
体情况而定
况下的反应
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85
20
4390
3.3 等温间歇釜式反应釜的计算*
反应器容积V 反应器有效体积VR Q0, t’
确定反应时间的两种方法：①经验法; ②动力学法 ①间歇反应属非定态操作，反应时间 取决于所要达到的反应进程
②反应器内各处浓度、温度均一，所 以，可对其中某一反应物做物料衡算， 以确定反应时间。
t’ = t + t0
270 L
330 24
144 0.75 0.98 1.84
每小时处理物料总体积为:Q0=626+270=896L
反应器的体积为： V Q0t' 896 3.67 4390L
0.7
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：
2 2500 4390 100% 13.9%
积分得 其中-rA一般具有
t CAf dCA
CA0 (rA )
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
反应器的有效体积 VR=FV (t＋t0)
24
等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*
化学反应 速率微分式 反应时间积分式
(1) 零级反应 A→R
(2) 一级反应 A→R
解：由 t
xAf
得
kCA0 (1 xAf )
xAf
ktCA0 1 ktCA0
又由 VR Q0 (t t0) 得 t VR / Q0 t0
解上述方程得
xAf 80.0% 26
例3-4：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=kCA2 kmol/(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。
贡卫涛 综合楼D401 84986067 wtgong@dlut.edu.cn
1
第三章 理想反应器
1.间歇釜式反应器（Batch Reactor, BR) 2.全混流反应器（Continuously Stirred Tank Reactor CSTR) 3.平推流反应器（Plug Flow Reactor， PFR)
21
3.3.1 单一反应
1.反应时间的计算 设在间歇反应器内进行如下化学反应 A＋B→R
若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积)；-rA为t时刻的反 应速率；nA0为反应开始时A的摩尔量；nA为t时刻的A的摩尔 量。并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
若标准釜的容积为Va，那么，
Va V 100 % Vma Vm 100 %
V
Vm
16
3、计算示例
物料处理量Q0一般由生产任务确定，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
17
例3-1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。
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
(5) 二级反应 A+B→R(CA0≠CB0)
rA kCACB
t
1
ln CB0 (CA0 CR )
k(CA0 CB0 ) CA0 (CB0 CR )
其它反应的积分请参阅参考书[1]，[6] 25
例3-3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。
• 例3-2 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。
解： wenku.baidu.com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10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
投料到操作过程全部
完成所需的总时间t’ ， 操 作 时 间 t’ 包 括 反 应
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
间t0 两部分组成。
• 压出料
15分
• 即t’ = t + t0
• 操作周期 240分或4小时
10
反应时间t的求算方法
• 由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意： • (1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往
受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来 求算反应过程的时间。 • (2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质 速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计 算反应时间。 • (3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温 过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相 当高的转化率。有时需分段作动力学计算。
2.搅拌装置，由搅拌轴和搅拌器组成，
使反应物混合均匀，强化传质传热
3.传热装置，主要是夹套和蛇管，用来
输入或移出热量，以保持适宜的反应 温度
4.传动装置,是使搅拌器获得动能以强
化液体流动。
5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏
6.工艺接管,为适应工艺需要
4
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3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
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2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或Q0与t ’，根据已有的设备容积Va， 求算需用设备的个数m。
• 设备装料系数为 ，则每釜物料的体积为 Va，按
设计任务，每天需要操作的总批次为：
VD 24Q0
•
Va Va
解： rA
dCA dt
k CA 2
kCA02 (1
xA)2
积之得
t
xAf
8.5h
kCA0 (1 xAf )
27
物料的处理量为
2400 Q0 24146 0.004 171.0L/h
操作周期为
t' t t0 9.5h
反应体积为
VR Q0t ' 1625L
每个设备每天能操作的批数为：
24 = t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
14
由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m’, m＇＞m。
因此实际设备总能力比设计需求提高了。 其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，
则
m' m 100 %
rA (rA,1) (rA,2 ) rR rS (k1 k 2)CA
其中R为目标产物，则A的转化率、组份浓度 与反应时间的关系可由物料衡算求得。
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间歇釜式反应器
BR（Batch Reactor）
• 3.1 釜式反应器的特点及其应用 • 3.2 间歇釜式反应器的容积与数量 • 3.3 等温间歇反应釜的计算 • 3.4 变温间歇釜的计算 • 3.5 半间歇釜式反应器
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3.1.1釜式反应器的结构 *
1.釜的主体，提供足够的容积，确保达 到规定转化率所需的时间
0
0
(rA )VR
dn A = d（VRC A）
dt
dt
所以
(rA)VR dnA / dt
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由反应物A转化率xA的定义 xA (nA0 nA ) / nA0
得到
dnA nA0dxA
于是，
(rA)VR nA0dxA / dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 (rA )VR
19
H2SO4 +
SO3H
OH
98
128
144
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 103 0.99 128 1 1000 626L
330 24
144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000 103 0.99 98 1.07 1 1000
反应器容积为
V VR / 2167 L
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3.3.2 复杂反应(考虑平行反应和串联反应)
① 平行反应
平行反应的基本特征是相同的反应物能进行两个
或两个以上的反应。
设等温间歇反应器中进行一级平行反应：
A k1 R （主反应） A k2 S （副反应）
rR k1CA
rS k 2CA
m
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（2）已知每小时处理的物料体积Q0与操作周期t’,求设备体积与个
数
需要设备的总容积为：
Q0t '
V
mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=Q0t’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88)而 定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或略 大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力称 为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大小，
11
（3）反应体积VR
• 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。
如果由生产任务确定的单位时间的物料处理量为Q0，
操作时间为t’(包括反应时间t和辅助操作时间t0 )，
则反应器的有效容积：
VR=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
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3.2.1间歇釜式反应器的容积与数量
确定反应器的容积与数量是车间设计的基础， 是实现化学反应工业放大的关键 1、求算反应器的容积与数量需要的基础数据
8
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
料处理量为Q0
VD
=
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
Q0=VD/24
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（2） 操作周期t’
(3) 二级反应 A→R
(4) 二级反应 A+B→R(CA0=CB0)
rA kCA0
rA kCA
rA
k
C2 A
rA kCACB
t
xAf CA0 /
k
CA0 CAf k
t
1 k
ln(1/(1
xA ))
1 k
ln
C A0 CA
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
• 1、特点*
·反应物料一次加入，产物一次取出 •结构简单、加工方便，传质、传热效率高 •同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀 •非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应 速度随着反应时间而变
•操作灵活性大，便于控制和改变反应条件 •辅助时间占的比例大 ,劳动强度高，生产效率低.
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2、应用
•适合于多品种、小批量生产 •适应于各种不同相态组合的反应物料 几乎所有有机合成的单元操作
适用于任何间歇反应过程。
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恒容条件下： CA0 nA0 /VR
所以
t CA0
x
Af
0
dxA (rA )
xA (nA0 nA) / nA0 (CA0 CA) / CA0
dxA dCA / CA0
取 t=0 时 xA= 0、CA＝CA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，
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（4）*设备装料系数
实际生产中，反应器的容积要比有效容积大，以保 证液面上留有空间。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备 条
件
无搅拌或缓慢搅
装料系数，以符号
拌的反应釜
表示，即：
带搅拌的反应釜 易起泡或沸腾状
=VR/V。其值视具
体情况而定
况下的反应
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85
20
4390
3.3 等温间歇釜式反应釜的计算*
反应器容积V 反应器有效体积VR Q0, t’
确定反应时间的两种方法：①经验法; ②动力学法 ①间歇反应属非定态操作，反应时间 取决于所要达到的反应进程
②反应器内各处浓度、温度均一，所 以，可对其中某一反应物做物料衡算， 以确定反应时间。
t’ = t + t0
270 L
330 24
144 0.75 0.98 1.84
每小时处理物料总体积为:Q0=626+270=896L
反应器的体积为： V Q0t' 896 3.67 4390L
0.7
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：
2 2500 4390 100% 13.9%
积分得 其中-rA一般具有
t CAf dCA
CA0 (rA )
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
反应器的有效体积 VR=FV (t＋t0)
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等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*
化学反应 速率微分式 反应时间积分式
(1) 零级反应 A→R
(2) 一级反应 A→R
解：由 t
xAf
得
kCA0 (1 xAf )
xAf
ktCA0 1 ktCA0
又由 VR Q0 (t t0) 得 t VR / Q0 t0
解上述方程得
xAf 80.0% 26
例3-4：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=kCA2 kmol/(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。
贡卫涛 综合楼D401 84986067 wtgong@dlut.edu.cn
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第三章 理想反应器
1.间歇釜式反应器（Batch Reactor, BR) 2.全混流反应器（Continuously Stirred Tank Reactor CSTR) 3.平推流反应器（Plug Flow Reactor， PFR)
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3.3.1 单一反应
1.反应时间的计算 设在间歇反应器内进行如下化学反应 A＋B→R
若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积)；-rA为t时刻的反 应速率；nA0为反应开始时A的摩尔量；nA为t时刻的A的摩尔 量。并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
若标准釜的容积为Va，那么，
Va V 100 % Vma Vm 100 %
V
Vm
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3、计算示例
物料处理量Q0一般由生产任务确定，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
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例3-1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。
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
(5) 二级反应 A+B→R(CA0≠CB0)
rA kCACB
t
1
ln CB0 (CA0 CR )
k(CA0 CB0 ) CA0 (CB0 CR )
其它反应的积分请参阅参考书[1]，[6] 25
例3-3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。