化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
间歇操作釜式反应器
06
安全与维护
安全操作规程
01
02
03
04
操作前检查
确保釜式反应器及其附件完好 无损，检查电源、气源等是否
正常。
严格控制工艺参数
如温度、压力、液位等，防止 超温、超压、溢锅等事故发生
。
操作中监护
操作人员应时刻关注釜式反应 器的运行状态，发现异常及时
处理。
操作后清理
对釜式反应器进行彻底清洗， 确保无残留物，保持设备清洁
。
定期维护保养
日常保养
每天对釜式反应器进行外观检查，确 保设备无异常；定期清理设备表面污 垢和残留物。
定期检查
根据设备使用情况，定期对釜式反应 器的关键部件进行检查，如传感器、 密封件、轴承等。
润滑保养
定期对釜式反应器的轴承、链条等运 动部件进行润滑保养，确保设备正常 运行。
维修保养
根据设备磨损情况，对釜式反应器进 行维修保养，更换磨损严重的部件， 确保设备性能稳定。
取样与分析
定期从反应器中取出样品 进行分析，以了解反应进 程和产物性质。
后处理阶段
冷却与出料
清洗与整理
待反应结束后，将反应器冷却至适宜 温度，然后打开反应器将产物取出。
对反应器进行彻底清洗，整理设备并 做好记录，为下一次操作做好准备。
分离与提纯
根据产物的性质和后续应用需求，进 行分离、提纯和精制操作，得到目标 产物。
间歇操作釜式反应器
• 简介 • 类型与结构 • 操作流程 • 影响因素 • 应用领域 • 安全与维护
01
简介
定义与特点
定义
间歇操作釜式反应器是一种在一定条 件下进行化学反应的设备，通常用于 小规模或中等规模的实验室或工业生 产。
化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器
求：
已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反 应时间分别为多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积 大小。
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） 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；
P vR A N A 0 NT 1 xA 1 A xA NT 0 A NT 0
P R A N A0 N A0 A A NT 0 NT 0 V NT V V0 1 A xA 1 A xA V0 NT 0
1 dN P rP V dt
对设计方程进行积分
1 dNA 0 dt N A0 V rA
t NA
A组分的转化率
N A0 N A xA N A0
间歇反应的反应时间 xA N A 0 dxA t 0 V rA
dNA dxA N A0
rA kc
n A
rA kc
n A
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。
间歇釜式反应器
计算方法
1、已知V0与 ，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n 按设计任务每天需要操作的总次数为： α =
24V0 24V0 = VR V
β= 每个设备每天能操作的批数为：
n' =
24 24 = t τ +τ '
则需用设备个数为：
α V0 (τ + τ ') = β V
VR = V = V0 (τ + τ ' ) / n '
物料衡算式 依 据：质量守衡定律。 基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和 单元时间作为空间基准和时间基准。 衡算式：对任一组分A在单元时间Δτ、单元体积ΔV内： [A的积累量]=[A的进入量] [A的离开量] [A的反应量] [A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 的积累量]=[A的进入量 的离开量 的反应量 目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时 间变化的函数关系。
热量衡算式 （1）依 据： 能量守衡定律。 （2）基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为 空间基准和时间基准。 （3）衡算式 在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）： [积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量]-[出料带走的热量]积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量] 出料带走的热量] ]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量 [传给环境或热载体的热量] 传给环境或热载体的热量] （4）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。
BR体积和数量求算 体积和数量求算
已知条件 每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）
Vρ
操作周期——指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时 间（生产时间）τ和非生产时间τ‘ 组成。 反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情 况定。 设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比， 其具体数值根据实际情况而变化，参见表3-1。
《间歇釜式反应器》课件
间歇釜式反应器的结构
罐体
由高强度材料制成的容器，抗压能力强。
搅拌系统
通过搅拌使反应物充分混合，加快反应速度。
加热夹套
提供反应所需的温度条件，确保反应进行。
冷却系统
用于控制反应器的温度，防止过热。
间歇釜式反应器的工作原理
1
装填反应物
将反应物加入反应器中，并密封好。
加热反应
2
通过加热夹套提供反应所需的温度。
《间歇釜式反应器》PPT 课件
什么是间歇釜式反应器
间歇反应器与连续反应器的区别
1 时间
间歇反应器在一段时间内完成反应，而连续反应器是持续进行。
2 反应条件
间歇反应器可以容易地进行反应条件的调整，而连续反应器则需要更稳定的操作。
3 产品输出
间歇反应器一次性产出一定量的产品，而连续反应器可以持续输出。
3
搅拌反应物
使用搅拌系统使反应物充分混合。
冷却反应物
4
通过冷却系统控制反应器的温度，使反 应停止。
常见的间歇釜式反应器的应用领域
化工
用于合成化学物质，例如合 成聚合物。
制药
在药品加工
用于食品加工过程中的小批 量反应。
间歇釜式反应器的优缺点
1 优点
灵活性高，能适应不同的反应条件和物料。
2 缺点
生产效率相对较低，需要一定的操作时间。
总结
间歇釜式反应器在化工、制药和食品加工等领域有广泛的应用，其结构简单，工作原理清晰，灵活性高，是一 种重要的反应器类型。
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
反应工程-答案-第三章
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH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0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
第三章 釜式反应器
������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积：
������ = ������ ������ + ������
式中： Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定） t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间：������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 ： t=0时，CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 ： ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式（6）也可写成：
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16
化学反应工程第三章
反应级数 反应速率
残余浓度式
转化率式
n=0
n=1
n=2 n级 n≠1
rA k
rA kCA
rA
kC
2 A
kt CA0 CA
kt CA0 xA
CA CA0 kt
xA
kt CA0
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1 ekt
kt 1 1
kt 1 xA
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
N A,CAf X Af
, 若 xA0 0 则物料衡算方程为:
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝累积量
NA '
NA
(rA ) f VR
0
N A ' N A0 (1 xA0 ) N A N A0 (1 xAf )
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
CA 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应
A→B
反应速率
r
0.01C
应器中达到x=0.99，需要反应时间为10min，问：
（1）在全混流反应器中进行时， 应为多少？
（2）在两个串联全混流反应器中进行时， 又为多少？
第四节 多级全混流反应器的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为 CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器 的浓度推动力。
化学反应工程第三章答案
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH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0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？（2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A A A A A AA A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积；（2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h 原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l （2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应： 2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
化学反应工程 间歇釜式反应器
液相可逆反应速率方程的求取： 一级液相可逆反应A P，CA0=0.5mol/L， CP0=0，间歇反应器中进行反应。8min 后，A的 转化率为33.3%，平衡转化率为66.7%，求该反 应的速率方程式。
三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
1、工程放大
（1）反应物达到一定的转化率所需的反应时间，
三间歇釜式反应器的工程放大及操作优化三间歇釜式反应器的工程放大及操作优化装填系数一般取04085对于沸腾或易发泡液体物料0406对于一般流体07085考虑温度高时容器耐压能力以及防泄漏问三间歇釜式反应器的工程放大及操作优化三间歇釜式反应器的工程放大及操作优化2反应时间优化当反应时间t时产物总量而且比值产物总量t不总是增加的存在最优值
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0.02mol/l，反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化 率达到95%。试问： •（1） 当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？ •（2） 若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？
rAVdt
+
dnA
dnA dxA rAV nA0 ( nA nA0 (1 xA )) dt dt
积分
等容过程
t nA0
nA0 t V
x Af
0
dx A V rA
C －C A x A A0 C A0 dC dxA A C A0
x Af
VR Q0 (t t0 )
三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
实际的反应器体积为：
VR V f
f －装填系数 ，一般取0.4~0.85
釜式反应器--化工ppt课件
VR V0
，量纲： 时间
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13
3.3 等温条件下，分批式操作的完全混 合反应器（BR）理想反应器的设计分析
3.3.1 概述
★分批式（又称间歇）操作：
是指反应物料一次投入反应器内，而在反 应过程中不再向反应器投料，也不向外排出 反应物，待反应达到要求的转化率后再全部 放出反应产物。
例题3.2—P62~63，自学。
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31
3.3.5 连串反应
设在等温间歇反应器中进行如下的一级不 可逆连串反应（恒容）：
各组分的动力学方程： rAk1CA rPk1CAk2CQ rQ k2CP
设初值条件为：当t=0时， C AC A 0,C P0 ,C Q0
则有：
09.06.2020
★充分（完全）混合：
指反应器内的物料在搅拌的作用下，其参数（如
温度，浓度等）各处均一。
14
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15
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★间歇反应器特点
反应物料一次加入，产物一次取出。 物料充分混合，无返混；同一瞬时，反应器内各点温度相
同、浓度相同；而且出料与反应器内物料的最终组成相同； 所有物料在反应器内的反应时间（停留时间）相同。 非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。 具有周期性 具有灵活性
令
dC P dt
0
topt
lnk2 k1 k2 k1
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33
09.06.2020
.
34
C P ma x k k 1 1 C A k 0 2ex kp 2top tex kp 1 topt
化学反应工程讲稿2009第3章1：釜式反应器BR
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt 1 1 CA CA0
CA
CA0 1 CA0kt
kt CA0 xA
xA
kt CA0
1 kt ln
1 xA
xA 1 ekt
kt 1 xA
CA0 1 xA
xA
CA0kt 1 CA0kt
kt
n
1
1
(C1An
设计计算/操作分析、优化
*Batch stirred tank reactor 间歇搅拌釜
*Continuous stirred tank reactor 连续搅拌釜
*Tubular flow reactor 平推流管式反应器
反应器设计计算的目的与任务： 设备）t(反～应V0时（间体)积~x流（量转：化生率产）任~V务R（）反应容积：
rA kCA
t CA dCA
CA0 kCA
CA CA0ekt
xA 1 ekt
kt ln CA0 CA
kt ln(1 xA )
实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’)
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=V0(t+t’)
据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算
等辅助操作时间为1h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方
程为
rA k(CACB CRCS / K )
100℃时，k=4.76×10-4 L/（mol·min），平衡常数K=2.92。
试计算乙酸转化35 % 时所需的反应体积。根据反应物料的特性， 若反应器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？
化学反应工程 第三章
t xAf
x cA cAf 图3－3 等温间歇液相反应 过程反应时间t的图解积分4 cA0
图3－2 等温间歇液相反应 过程t/cA0的图解积分
1. 等温等溶液相单一反应 在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆 反应，则关键反应物A的反应速率式为：
dc A (rA )V k c f (c A ) dt c Af dcA 所需反应时间为：t c k f (c ) A0 c A
2. 增加组分B的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。
17
4. 反应温度 对于间歇釜式反应器，可以在反应时间的不同 阶段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度。 一般说来，高转化率时，反应物的浓度减少，反应 速率也随之减少，可以通过提高反应温度，促进反 应速率常数增大而增加反应速率。 如间歇釜式反应器中的硝化反应，在反应前期， 温度为40～45℃；反应中期，温度为60℃；而反应 后期，温度提高到70℃。
19
解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量， 12000 可算出每小时乙酸需用量为 16.23kmol / h
88 24 0.35
由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg 时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg 由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为：
rA 1.045c kmol /(m h)
2 A 3
对1kmol A而言，投料情况是：
醋 酸 A 1kmol 60kg 0.062m3
正丁醇 B
4.96kmol
368kg
0.496m3
可求出，投料总体积VR=0.559m3
c A0 nA0 1.79kmol / m3 VR
第三章间歇釜式反应器
则
受料时间： 4.5/0.83=5.44h 操作周期： 5.44+8=13.44h 每天操作总批数：α=24X0.83/4.5=4.45 每锅每天操作批数： β=24/13.44=1.78 需要锅的个数： m=4.55/1.78=2.5 取用三个锅，生产能力后备系数为：
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
8
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。
• 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.
4
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
V FVt' / 0.8316 / 0.75 17.7m3
取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为 10m3的反应釜，后备能力为
反应工程课后习题参考答案
1 绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4.27x=69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH:%100221004.27⨯++--y x yx =6.983%空气：%1002210023279.54⨯++--y x y x =40.19% 水： %10022100281.17⨯++++y x y x =34.87%HCHO: %10022100⨯++y x x=17.26%CO 2: %10022100⨯++y x y=0.6983%1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
下图是生产流程示意图放空气体 Akmol/h原料气和冷凝分离后的气体组成如下：组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 21.460.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。
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N A 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
rP
1 V
dNP dt
对设计方程进行积分
t
dt
NA
1 dNA
0
V r N A0
A
A组分的转化率
xA
N A0 N A N A0
√
√ √
√
√
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
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
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。
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
1 k
ln 1
xA
35.7s
rA kcA
恒压间歇反应器
AA PP RR
N A N A0 N A0xA
NP
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
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
A0 xA
NT NT 0
1 P
vR
A
A
N A0 NT 0
xA
1 AxA
A
P
R A
A
N A0 NT 0
N A0 NT 0
V V0
NT NT 0
1 AxA
V V0 1 AxA
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
k
N
n A
Vn
k
N
n A0
1 xA Vn
n
t
1
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
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
t
1
k
cn 1 A0
xA 0
dxA 1 xA
n
当n1
t
1
k
cn 1 A0
1
n
1
xA
1 n
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。
t
V n1 0
k
N n 1 A0
xA 0
1 AxA
n 1
dxA 1 xA
n
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：
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，确定化学反
○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
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
√
√
全混釜（稳 整个反应器 √
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
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）
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
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
求：
已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反 应时间分别为多少？
若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积 大小。
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。