分离工程第三章 釜式反应器-10
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3 4 9 浓硫酸H 2 SO4 3 4 9 2
373 K
黄 国 文 制 作
2 当丁醇过量时，反应动力学方程式为 rA kCA 式中 CA 为乙酸浓度， kmolm-3 。已知反应速度常数 k 为 1.04m3kmol-1h-1 ，投料摩尔比为乙酸：丁醇 =1 ： 4.97，反应前后物料的密度为 750kgm-3，乙酸、丁醇 及醋酸丁酯的分子量分别为 60 、 74 和 116 。若每天生 产 3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失 )，乙酸的转 化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数f为 0.7，试计算所需反应器的反应体积和实际体积。
变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
黄 国 文 制 作
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
Q0 :反应器进料的体积流量
Q0
Q
Q :反应器出料的体积流量
ci 0 :反应器进料中关键组分浓度
c i :反应器出料中关键组分浓度
ci 0
ci
Vr
假设
黄 国 文 制 作
Vr :反应体积
温度均一 浓度均一
dX A
2 2 kc A ( 1 X ) 0 A
0
黄 国 文 制 作
XA 1 kc A0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
例3
在搅拌良好的间歇釜式反应器
CH COOH C H OH CH COOC H H O
间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时
间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。 设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时 间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。
黄 国 文 制 作
3.2 等温 BR 的计算
1.反应时间的计算 对非稳态操作，反应时间内： 则物料衡算通式变形为：
t
X Af
0
n A0 dX A Vr ( R A )
单一反应
t c A0
XA f
0
dX A rA
3.2 等温 BR 的计算
对单一反应，反应速率可表示为：
(A ) rA kCA
CA CA0 (1 X A )
(A ) rA kC (1 X A )
1
3.2 等温 BR 的计算
一级反应 反应时间
1 1 t ln k 1 X Af
非一级反应
t (1 X Af )1 1 ( 1)kcA0
1
相同
达到一定转化率所需的反应时间与反 应器大小无关，只取决于动力学因素。 温度越高，速率常数 k 越大，则达到 相同转化率所需的反应时间 t 越短。 t 与cA0无关 t 与cA0有关
温度下 k1=4.76×10-4L/(mol•min) ，平衡常数 K=2.92 。
黄 国 文 制 作
试计算乙酸转化 35% 所需的反应体积。若反应器填 充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？
解：首先计算原料处理量 Q0 ，根据乙酸乙酯产量可
算出每小时乙酸用量为
12000 16.23 kmol / h 88 24 0.35
积分可得
A0
t c A0
XA f
0
dX A rA
X Af (1 X Af ) 1 1 dX A t 1 , 1 1 kCA0 0 (1 X A ) ( 1)kCA0
1
黄 国 文 制 作
1 X Af dX A 1 1 t ln , k 0 1 X A k 1 X Af
黄 国 文 制 作
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
1 t 4.7410 4 3.908 4.434 (5.15 4.434) 0.35 2 2.61 ln 118.8 min (5.15 4.434) 0.35 2 2.61
则所需的反应体积为
1 k1C A0 b 2 4ac
(B)
由a,b及c的定义式知，
a 10.2 / 3.908 2.61 b [1 10.2 / 3.908 17.59 /(3.908 2.92)] 5.15 c 1 1 / 2.92 0.6575 b 2 4ac (5.15) 2 4 2.61 0.6575 4.434
第三章 釜式反应器
黄 国 文 制 作
黄 国 文 制 作
黄 国 文 制 作
黄 国 文 制 作
釜式反应器的结构
9
8
7
6 5 4 3 2 1
黄 国 文 制 作
图 开式搅拌釜式反应器结构示意图 1-搅拌器；2-罐体；3-夹套；4-搅拌轴 5-压出管；6-支座；7-人孔；8-轴封； 9-传动装置
釜体一般是由钢板卷焊而成 的圆筒体，再焊上钢制标准 根据釜盖与釜体连接方 釜底，并配上封头、搅拌器 式的不同，搅拌釜式反应 等零部件。根据反应物料的 性质，罐体的内壁可内衬橡 器可分为开式(法兰连接)和 胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等 闭式(焊接)两大类。目前， 耐腐蚀材料。为控制反应温 度，罐体外壁常设有夹套， 釜式反应器的技术参数已 内部也可安装蛇管。标准釜 实现标准化。 底一般为椭圆形，根据工艺 要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
i ij r j
其中：
j 1 M
Vr
假设
黄 国 文 制 作
温度均一 浓度均一
对反应物为负 对产物为正
KM
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
dni Q0 ci 0 Qci iVr dt i 1,2, K
对间歇釜式反应器，可简化为:
Q0
Q
ci 0
ci
Vr
假设
黄 国 文 制 作
黄 国 文 制 作
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
C A C A0 (1 x A ) C B C B 0 C A0 x A C R C A0 x A C S CS 0 C A0 x A
2 2 rA k1 (a bxA cxA )CA 0
(A)
黄 国 文 制 作
dni iVr 0 dt
i 1,2, K
对连续釜式反应器，可简化为：
温度均一 浓度均一
Q0ci 0 Qci iVr i 1,2,K
3.2 等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
• • •
特别适用于多品种、小批量的化学品生产。因此，在医药、试 剂、助剂、添加剂等精细化工部门得到了广泛的应用。 间歇反应器操作时间由两部分组成：一是反应时间，即装料完
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
黄 国 文 制 作
用途：绝大多数用作有液相参与的反应， 如：液液、液固、气液、气液固反应等。
反应器计算
• 操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t) • 设计型----已知XA(或YP) → Vr
均相或拟均相
黄 国 文 制 作
釜式反应器的全混流假设：
• 反应区内反应物料的浓度均一 • 反应区内反应物料的温度均匀
黄 国 文 制 作
本章内容
釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联
釜式反应器中复合反应的收率与选择性
解：(1) 计算反应时间 因为是二级反应，故 则
t
X Af kCA0 (1 X Af )
1 4.97 M 60 74 71.7 5.97 5.97
CA0
所以
黄 国 文 制 作
1 750 1 -3 kmol m 1.75 71.7 5.97
A B
该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙 酯及氢氧化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80％、90％和 95 ％时的反应时间。
解：
t c A0
X Af
0
dX A c A0 ( R A )
X Af
3.反应器的体积 V Vr
f
黄 国 文 制 作
f
：装填系数，由经验确定 , 一般 0.4 ～ 0.85, 对不起泡、不沸腾 物料，可取 0.7~0.85 ；对于起泡或沸腾物料，可取 0.4~0.6 。 此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。
例1
用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其反应式为
取整个反应体积作控制体积
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间内对整个反应器做关键组
分 i 的物料衡算：
Q0
Q
(进入 = 流出 + 反应 + 累积)
ci 0
ci
Q0ci 0dt Qci dt iVr dt dni
dni Q0 ci 0 Qci iVr dt i 1,2, K
Vr Q0 (t t0 ) 4.155 (118.8 / 60 1) 12.38m3
反应器的实际体积为
黄 国 文 制 作
Vr 12.38 VT 16.51m3 f 0.75
例2
在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
CH3COOC2 H5 NaOH CH3COONa C2 H5OH
黄 国 文 制 作
区别
3.2 等温 BR 的计算
2.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 操 一定转化率时所经历的时间。计算关键 作 t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 时 间 经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设 法减少辅助操作时间 ) Q0 一般由生产任务确定
dni Vr ij r j 0 dt j 1
M
Q0 Q 0
VrR A n A0 dX A 0 dt
nA nA0 (1 xA )
间歇釜式反应器物料衡算式
t 0, X A 0
t c A0
黄 国 文 制 作
X Af
0
dX A ( R A )
恒容反应
其中
a C B 0 C A0 b (1 CB 0 C A0 CS 0 C A0 k ) c 1 1 k
将(A)式代入得反应时间为
1 t k1C A0
x Af
0
dxA 2 a bxA cxA ln (b b 2 4ac ) x Af 2a (b b 2 4ac) x Af 2a
由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
Q0 16.23 60 4.35 4.155 m3 h 1020
原料液各组分起示浓度分别为
16.23 C A0 3.908 mol l 4.155 3.908 60 2 CB 0 10.2 mol l 46 3.908 60 1.35 CS 0 17.59 mol l 18
黄 国 文 制 作
连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反 应物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作， 操作方式：间歇、连续、半间歇 反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、 原料或产物中有一种或 反应速度等参数均不随时间而变化。它具有生产能 一种以上的为连续输 入 间歇操作的特点是将反应所需 力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优 或输出，而其余的 ( 至少 点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。 的原料一次加入反应器，达到规定 一种 ) 为分批加入或卸出 的反应程度后即卸出全部物料。然 的操作，均属半连续操 后对反应器进行清理，随后进入下 作。原料药生产 中的气 一个操作循环，即进行下一批投料、 液相反应常常采 用半连 续操作。 反应、卸料、清理等过程。它是一 个典型的非稳态过程，反应器内物 料的组成随时间而变化，这是间歇 过程的基本特征。 (a)间歇式 (b)连续式 (c)半间歇式
CH COOH C H OH CH COOC H H O
3 2 5 3 2 5 2
( A)
( B)
( R)
(S )
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密
度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时
间为 1h 。反应速率方程为 rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应
373 K
黄 国 文 制 作
2 当丁醇过量时，反应动力学方程式为 rA kCA 式中 CA 为乙酸浓度， kmolm-3 。已知反应速度常数 k 为 1.04m3kmol-1h-1 ，投料摩尔比为乙酸：丁醇 =1 ： 4.97，反应前后物料的密度为 750kgm-3，乙酸、丁醇 及醋酸丁酯的分子量分别为 60 、 74 和 116 。若每天生 产 3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失 )，乙酸的转 化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数f为 0.7，试计算所需反应器的反应体积和实际体积。
变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
黄 国 文 制 作
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
Q0 :反应器进料的体积流量
Q0
Q
Q :反应器出料的体积流量
ci 0 :反应器进料中关键组分浓度
c i :反应器出料中关键组分浓度
ci 0
ci
Vr
假设
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Vr :反应体积
温度均一 浓度均一
dX A
2 2 kc A ( 1 X ) 0 A
0
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XA 1 kc A0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
例3
在搅拌良好的间歇釜式反应器
CH COOH C H OH CH COOC H H O
间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时
间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。 设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时 间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。
黄 国 文 制 作
3.2 等温 BR 的计算
1.反应时间的计算 对非稳态操作，反应时间内： 则物料衡算通式变形为：
t
X Af
0
n A0 dX A Vr ( R A )
单一反应
t c A0
XA f
0
dX A rA
3.2 等温 BR 的计算
对单一反应，反应速率可表示为：
(A ) rA kCA
CA CA0 (1 X A )
(A ) rA kC (1 X A )
1
3.2 等温 BR 的计算
一级反应 反应时间
1 1 t ln k 1 X Af
非一级反应
t (1 X Af )1 1 ( 1)kcA0
1
相同
达到一定转化率所需的反应时间与反 应器大小无关，只取决于动力学因素。 温度越高，速率常数 k 越大，则达到 相同转化率所需的反应时间 t 越短。 t 与cA0无关 t 与cA0有关
温度下 k1=4.76×10-4L/(mol•min) ，平衡常数 K=2.92 。
黄 国 文 制 作
试计算乙酸转化 35% 所需的反应体积。若反应器填 充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？
解：首先计算原料处理量 Q0 ，根据乙酸乙酯产量可
算出每小时乙酸用量为
12000 16.23 kmol / h 88 24 0.35
积分可得
A0
t c A0
XA f
0
dX A rA
X Af (1 X Af ) 1 1 dX A t 1 , 1 1 kCA0 0 (1 X A ) ( 1)kCA0
1
黄 国 文 制 作
1 X Af dX A 1 1 t ln , k 0 1 X A k 1 X Af
黄 国 文 制 作
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
1 t 4.7410 4 3.908 4.434 (5.15 4.434) 0.35 2 2.61 ln 118.8 min (5.15 4.434) 0.35 2 2.61
则所需的反应体积为
1 k1C A0 b 2 4ac
(B)
由a,b及c的定义式知，
a 10.2 / 3.908 2.61 b [1 10.2 / 3.908 17.59 /(3.908 2.92)] 5.15 c 1 1 / 2.92 0.6575 b 2 4ac (5.15) 2 4 2.61 0.6575 4.434
第三章 釜式反应器
黄 国 文 制 作
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釜式反应器的结构
9
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7
6 5 4 3 2 1
黄 国 文 制 作
图 开式搅拌釜式反应器结构示意图 1-搅拌器；2-罐体；3-夹套；4-搅拌轴 5-压出管；6-支座；7-人孔；8-轴封； 9-传动装置
釜体一般是由钢板卷焊而成 的圆筒体，再焊上钢制标准 根据釜盖与釜体连接方 釜底，并配上封头、搅拌器 式的不同，搅拌釜式反应 等零部件。根据反应物料的 性质，罐体的内壁可内衬橡 器可分为开式(法兰连接)和 胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等 闭式(焊接)两大类。目前， 耐腐蚀材料。为控制反应温 度，罐体外壁常设有夹套， 釜式反应器的技术参数已 内部也可安装蛇管。标准釜 实现标准化。 底一般为椭圆形，根据工艺 要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
i ij r j
其中：
j 1 M
Vr
假设
黄 国 文 制 作
温度均一 浓度均一
对反应物为负 对产物为正
KM
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
dni Q0 ci 0 Qci iVr dt i 1,2, K
对间歇釜式反应器，可简化为:
Q0
Q
ci 0
ci
Vr
假设
黄 国 文 制 作
黄 国 文 制 作
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
C A C A0 (1 x A ) C B C B 0 C A0 x A C R C A0 x A C S CS 0 C A0 x A
2 2 rA k1 (a bxA cxA )CA 0
(A)
黄 国 文 制 作
dni iVr 0 dt
i 1,2, K
对连续釜式反应器，可简化为：
温度均一 浓度均一
Q0ci 0 Qci iVr i 1,2,K
3.2 等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
• • •
特别适用于多品种、小批量的化学品生产。因此，在医药、试 剂、助剂、添加剂等精细化工部门得到了广泛的应用。 间歇反应器操作时间由两部分组成：一是反应时间，即装料完
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
黄 国 文 制 作
用途：绝大多数用作有液相参与的反应， 如：液液、液固、气液、气液固反应等。
反应器计算
• 操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t) • 设计型----已知XA(或YP) → Vr
均相或拟均相
黄 国 文 制 作
釜式反应器的全混流假设：
• 反应区内反应物料的浓度均一 • 反应区内反应物料的温度均匀
黄 国 文 制 作
本章内容
釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联
釜式反应器中复合反应的收率与选择性
解：(1) 计算反应时间 因为是二级反应，故 则
t
X Af kCA0 (1 X Af )
1 4.97 M 60 74 71.7 5.97 5.97
CA0
所以
黄 国 文 制 作
1 750 1 -3 kmol m 1.75 71.7 5.97
A B
该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙 酯及氢氧化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80％、90％和 95 ％时的反应时间。
解：
t c A0
X Af
0
dX A c A0 ( R A )
X Af
3.反应器的体积 V Vr
f
黄 国 文 制 作
f
：装填系数，由经验确定 , 一般 0.4 ～ 0.85, 对不起泡、不沸腾 物料，可取 0.7~0.85 ；对于起泡或沸腾物料，可取 0.4~0.6 。 此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。
例1
用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其反应式为
取整个反应体积作控制体积
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间内对整个反应器做关键组
分 i 的物料衡算：
Q0
Q
(进入 = 流出 + 反应 + 累积)
ci 0
ci
Q0ci 0dt Qci dt iVr dt dni
dni Q0 ci 0 Qci iVr dt i 1,2, K
Vr Q0 (t t0 ) 4.155 (118.8 / 60 1) 12.38m3
反应器的实际体积为
黄 国 文 制 作
Vr 12.38 VT 16.51m3 f 0.75
例2
在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
CH3COOC2 H5 NaOH CH3COONa C2 H5OH
黄 国 文 制 作
区别
3.2 等温 BR 的计算
2.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 操 一定转化率时所经历的时间。计算关键 作 t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 时 间 经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设 法减少辅助操作时间 ) Q0 一般由生产任务确定
dni Vr ij r j 0 dt j 1
M
Q0 Q 0
VrR A n A0 dX A 0 dt
nA nA0 (1 xA )
间歇釜式反应器物料衡算式
t 0, X A 0
t c A0
黄 国 文 制 作
X Af
0
dX A ( R A )
恒容反应
其中
a C B 0 C A0 b (1 CB 0 C A0 CS 0 C A0 k ) c 1 1 k
将(A)式代入得反应时间为
1 t k1C A0
x Af
0
dxA 2 a bxA cxA ln (b b 2 4ac ) x Af 2a (b b 2 4ac) x Af 2a
由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
Q0 16.23 60 4.35 4.155 m3 h 1020
原料液各组分起示浓度分别为
16.23 C A0 3.908 mol l 4.155 3.908 60 2 CB 0 10.2 mol l 46 3.908 60 1.35 CS 0 17.59 mol l 18
黄 国 文 制 作
连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反 应物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作， 操作方式：间歇、连续、半间歇 反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、 原料或产物中有一种或 反应速度等参数均不随时间而变化。它具有生产能 一种以上的为连续输 入 间歇操作的特点是将反应所需 力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优 或输出，而其余的 ( 至少 点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。 的原料一次加入反应器，达到规定 一种 ) 为分批加入或卸出 的反应程度后即卸出全部物料。然 的操作，均属半连续操 后对反应器进行清理，随后进入下 作。原料药生产 中的气 一个操作循环，即进行下一批投料、 液相反应常常采 用半连 续操作。 反应、卸料、清理等过程。它是一 个典型的非稳态过程，反应器内物 料的组成随时间而变化，这是间歇 过程的基本特征。 (a)间歇式 (b)连续式 (c)半间歇式
CH COOH C H OH CH COOC H H O
3 2 5 3 2 5 2
( A)
( B)
( R)
(S )
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密
度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时
间为 1h 。反应速率方程为 rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应