化学反应工程31间歇釜式反应器

V vT t t
求得反应器的体积V后，根据实际反应过程的 装料系数，可以求得反应器实际体积
VT V
例题
例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸 与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸 树脂，实验测得该反应的速率方程式为：
rA=kCACB 式中：
rA----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
k
cn 1 A0
1

n
1
x 1n A
1
当n＝1
t


1 k
ln1x A

1 k
ln
1
1 xA
xA 1 ekt
例题
对于一级不可逆反应方程：
A B, rA kcA
在一间歇反应器完成上述反应，如k＝0.01s-1， 试计算转化率达到30%时所用的反应时间。
SV vT 1 FA,0
V cA,0V
空速表明反应器的生产能力，一般说来，空 速越大，反应器的生产能力越大。
反应设计的基本计算方程式
物料衡算方程：A组分累积量=A组分流入量-A组分 流出量-A组分反应消耗量
反应器 间歇式
反应单元 带入量 带出量 反应量 累积量
整个反应器 0
0
第三章 理想反应器
概述
化学反应器是化工生产中的关键设备，反应器 的类型很多，在不同类型的反映器中，能量与 物质的传递特性有很大差异，因此反应器的类 型对产品的质量及整个工艺过程的经济性都起 着决定性的作用。
反应器的选型就是要根据给定反应体系的动力 学特性，选择具有适宜传递特性的反应器设备
本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反应 器设计的基本理论。
反应器的形式和最佳操作条件 ●复完成生产任务所必需的反应器体积及生产能力
理想反应器特性 ●理想混合反应器特性
返混无穷大，完全混合，混合瞬间完成，器内物料具有完全相 同的温度和浓度，且等于反应器出口的温度和浓度。 如：搅拌良好的釜式反应器。
●平推流反应器特性
器内物料以相同的速率和一致的方向进行移动、返混为0，所有 物料在器内具有相同的停留时间。 如：长径比较大、流速较高的管式反应器。
设计间歇反应器的计算： ○反应时间 t：由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一
定转化率所需时间t； t xA N A0 dxA 0 V rA
○有效容积：VR VR=v(t+t0) v----单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算） t0----每批生产的辅助时间
○实际体积：V V=VR /φ φ----装填系数
理想反应器的三种基本形式
●间歇反应器 (Batch reactor) ●活塞流反应器 (Plug flow reactor – PFRs) ●全混流反应器 (Continuous stirred tank reactors – CSTRs)
本章内容
●掌握工业反应器设计和开发计算中所为基本原理 ●以反应动力学为基础，根据反应的特点和反应器的性能，确定化学
rP

1 V
dNP dt
对设计方程进行积分
t
dt
NA
1
dN A
0
V r N A0
A
A组分的转化率
xA

N A0 N A N A0
间歇反应的反应时间
t xA N A0 dxA 0 V rA
dxA


dN A N A0
rA

kc
n A
rA kcAn
rA

k cAn
1
k
cn 1 A0
xA 0
1 AxA
1 xA
n 1 n
dxA
间歇反应器的体积计算
生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料量 ，根 据每批操作所需要的时间可以算出反应器的体积。其 中每批操作所需要的时间包括两部分，一是物料的反 应时间t，另外还有反应以外的加料、生温、冷却、卸 料、清洗等时间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V 计算公式为：
A
P
R A
A

N A0 NT 0

N A0 NT 0
V V0

NT NT 0
1 AxA
V V0 1 AxA
t

V n1 0
k
N n 1 A0
xA 0
1 AxA
n 1
dxA 1 xA n

√
√
全混釜（稳 整个反应器 √
√
√
0
态）
平推流（稳 微元长度 √
√
√
0
态）
非稳态
√
√
√
√
3.2间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
本节所要掌握的内容
1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应 用；
2.等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 3.变容间歇釜式反应器的计算（单一反应） 4.确定最佳操作条件，计算完成规定的生产任务
◇间歇釜式反应器的物料衡算
对整个反应器中A组分物料进行衡算：
单位时间进入 单位时间流出 单位时间 单位时间内在 反应器的物料 反应器的物料 反应掉的 反应器内物料

A的量

A的量


物料A的量

k
N
n A
Vn
k
N
n A0
1 xA Vn
n
1
t

k
N n1 A0
V xA n1
0
dxA 1 xA n
恒容间歇反应器
t

V n1
k
N n1 A0
xA 0
dxA 1 xA n
t

1
k
cn 1 A0
xA 0
dxA 1 xA
n
当n1
t

1
所需的反应器体积
3.2间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
排除了物质的传递（搅拌良好） 无需考虑的反应器内热量传递 非定常态过程，cA、产物随时间
而变，化学反应的结果将唯一地 由化学反应动力学确定，反应进 行的程度决定于反应时间的长短 具有周期性，一个周期包括操作 （反应）时间t，也包括辅助（非 生产性）时间t’ 生产灵活性大
cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 cA0、cB0均为0.004 kmol.L-1
总结
由间歇釜式反应器的设计方程可知： ○反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。 ○反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。（即生产强度）
A的累积量

0
0
rAVt
N A t t N A t
N A t t N A t 0 0 rAVt
NA
t t N A t
t
rAV
当t趋于0时
dN A dt

rAV
rA

1 V
dN A dt
定义产物P组分的生成速率：rP 反应速率为单位 时间单位体积生成P的摩尔量
连续流动反应器的空时、空速
空时：是空间时间的简称。它是指在规定的条 件下，反应器有效容积和进料体积流量的比值，

反应器容积 进料的体积流量
V vT
反应器容积 t 反应器中物料的体积流 量
空时与平 均停留时 间
连续流动反应器的空时、空速
空速（SV）：是空间速度的简称，它是空时 的倒数。指在规定的条件下，单位时间内通过 单位反应器容积的物料体积
N A N A0 N A0xA
NP

NP0
P A
N A0xA
NR

NR0
R A
N A0xA
惰性气体
NI NI0
NT

NT 0
P

vR
A
A
N A0xA
NT NT 0
1 P

vR
A

A

N A0 NT 0
xA
1 AxA
t N A 1 dNA A P V N A0 rA
t NA dN A 1 ln N A
k N N A0
A
k N A0
xA

N A0 N A N A0
1
NA N A0
t

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1 k
ln 1
xA


35.7s
rA kcA
恒压间歇反应器
AA PP RR