间歇式反应器系统控制方案案
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序列间歇式(序批式)活性污泥(SBR)反应器的设计
序列间歇式(序批式)活性污泥（SBR）反应器的设计SBR是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。
与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。
它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。
一、SBR工艺的优点1、理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。
2、运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。
3、耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。
4、工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
5、处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
6、反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。
7、SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。
8、脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。
9、工艺流程简单、造价低。
主体设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。
二、SBR系统的适用范围由于上述技术特点，SBR系统进一步拓宽了活性污泥法的使用范围。
就近期的技术条件，SBR系统更适合以下情况：1、中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
2、需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。
3、水资源紧缺的地方。
SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。
4、用地紧张的地方。
5、对已建连续流污水处理厂的改造等。
第五章 间歇式操作反应器
1、生化反应器？——利用生物催化剂进行生化反应的设备。
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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2013-7-25
第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
第三章 间歇反应器
净的得益为： 净的得益为：
W (θ R ) WT
最佳的θ 值可由下式求得： 最佳的 R值可由下式求得：
d [W (θ R ) WT ] = 0 dθ R
或
dW (θ R ) = WR dθ R
从方程(3-23)可得： 可得： 从方程 可得
dW (θ R ) N dx r = (W ) A0 A = (W )V A dθ R | a A | dθ R | aA | θ
qAk T = 613 65 x A + θ mt c p
令 qAk＝52.8kW
qAk (52.8kW) = = 0.0927K/s mi c p (227kg)(2.51kJ/kg K)
物料衡算： 物料衡算：
dx A 1 22450 C A0 (1 x A ) exp(35.2 = ) dθ 60C A0 T
N p NA (1 x A ) 1 xA = p t A0 = p A0 ( t ) Nt N t 0 (1 + ε A x A ) 1 + ε A x A pt 0
p A = pt
级反应为例， 以n级反应为例， 级反应为例
(1 + ε A x A ) θ= n 1 ∫x n A0 (1 x A ) kC A0 1
3.3.a 最优间歇反应操作时间
设化学品A 每公斤分子的价格为w 设化学品 j每公斤分子的价格为 j，则反应前后 反应混合物的净增值为： 反应混合物的净增值为：
W (θ ) = ∑ w j ( N j N j 0 ) = ∑ w j ∑ aijξi = ∑ (W )i ξ i
j =1 j =1 i =1 i =1 N N M M
等温操作 T= 613 K 绝热操作 q=0 5.28 52.8 105.8 158.9
化工反应器教案
流化床反应器的特点
缺点： 1、气体流动状态与理想转换偏离较大，气体与颗粒返 混，没有温度差和浓度差，气体可能以气泡通过，气固接触不良， 反应转化率降低。
2、催化剂颗粒间碰撞剧烈，造成破碎，增加损失和除尘困难； 3、颗粒磨蚀作用，管道和设备腐蚀严重 流化床优点是主要的，流化态操作的经济效果不错，特别是传热 和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定，对于热效应很大的大规 模生产特别有利。比较适用于热效应很大的放热或吸热过程、要求 有均一催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较 短、操作较短时间需更换（活化）的反应；一般不适用于要求高转 化率和要求催化剂层有温度分布的反应。
b、气体的停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利 于提高化学反应的转化率和选择性；
c、催化剂不易磨损，可以较长时间使用； d、适宜在高温、高压条件下操作； 缺陷：a、催化剂导热性不太好，床层中传热性能较差；b、不能 使用细粒催化剂；c、催化剂的再生、更换均不方便
固定床反应器的结构和类型
1、绝热式固定床反应器 可分为单段绝热式和多段绝热式 单绝热式如图，缺点反应过程中温度变化较大。
理想混合是指反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温 度完全均一。釜式反应器内，物料经强烈搅拌，可以看成达到了 理想混合。
理想置换是指在与流动方向垂直的界面上，各点的流速和流 向完全相同，即流体的浓度和温度在与流动方向垂直的界面上处 处相等，不随时间改变。
由于理想反应器计算比较简单，工业生产中许多装置可近似按理 想状况处理。理想反应器的设计计算作为实际反应器设计的基础。
通式为：
{微元时间内进入微 —{微元时间内离开微 ——{微元时间、微元体积 ={微元时间、微元体积内
元体积的反应物量} 元体积的反应物量} 内转化掉的反应物量 }
第七章 生物反应器的检测及控制
类似地，搅拌功率也与上述的搅拌转速相关连的因素有密切 关系，同时是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。因而直 接测定或计算求出搅拌功率也十分重要。
9.冷却介质流量与温度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐 还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范 围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热带走。 要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不 同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。 故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间 接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。
生物细胞本身的状态； (5)反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制
的参变量与生物反应效能如何相关对应?
第一节 生化过程主要检测的参变量
在发酵工厂中，生物反应有关的过程可分成培养基灭菌、 生物反应以及产物分离纯化过程。对生物反应器系统， 为了掌握其中生化反应的状态参数及操作特性以便 进行控制，需检测系 列的参数，如表7-1 所示。
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧 速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、 产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器， 当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的 搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转 速的三次方成正比，即，其中N为搅拌转速。此外，某些生 物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌 转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。故此，测量和控 制搅拌转速具有重要意义。
4.泡沫高度 液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度
的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主 要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、 菌体、糖浆以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通 气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的 CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡 沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反 应空间，即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时 泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。 不同的生物反应其泡沫产生情况变化很大，有些生物发 酵过程的泡沫不易控制。
9.冷却介质流量与温度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐 还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范 围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热带走。 要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不 同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。 故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间 接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。
生物细胞本身的状态； (5)反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制
的参变量与生物反应效能如何相关对应?
第一节 生化过程主要检测的参变量
在发酵工厂中，生物反应有关的过程可分成培养基灭菌、 生物反应以及产物分离纯化过程。对生物反应器系统， 为了掌握其中生化反应的状态参数及操作特性以便 进行控制，需检测系 列的参数，如表7-1 所示。
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧 速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、 产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器， 当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的 搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转 速的三次方成正比，即，其中N为搅拌转速。此外，某些生 物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌 转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。故此，测量和控 制搅拌转速具有重要意义。
4.泡沫高度 液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度
的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主 要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、 菌体、糖浆以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通 气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的 CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡 沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反 应空间，即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时 泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。 不同的生物反应其泡沫产生情况变化很大，有些生物发 酵过程的泡沫不易控制。
间歇式反应器(专业教育)
传质过程。
特备参考
16
制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一 般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装 置的锅式反应器（间歇式反应器）。 5.典型搅拌反应锅的结构
这类设备的化工零部件国内 已标准化，可参见《化工设备设计手 册》第一分册（材料与零部件）。
主要由以下部分组成： ⑴锅的主体 ⑷轴密封装置 ⑵换热装置 ⑸传动装置 ⑶搅拌装置 ⑹工艺接管
如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
应器内装有高效搅拌器，在急剧
搅拌下，使液滴分散的很细，大
大增加两相间的接触面积，同时
由于各相内所形成的湍流而强化
非均相：过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。
气-液相—锅式、塔式、管式 液-液相—锅式、列管式 气-固相—沸腾床、固定床、锅式 液-固相—锅式 气-液-固相—锅式、塔式、流化床 固-半固相—球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式
特备参考
12
⑷按操作方式分
①间歇操作（也称分批操作）反应器 ②连续操作反应器 ③半连续操作（或称半间歇操作）反应器：
第三章 间歇式反应器
第一节 概述
一、反应器类型
反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原 料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料 药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、 包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程 的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出，而其余 则为分批加入或卸出的操作。 a.常用反应器：锅式、塔式 b.操作特征：半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而 改变，也随反应器内的位置而改变。 c.适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速 率。
特备参考
16
制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一 般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装 置的锅式反应器（间歇式反应器）。 5.典型搅拌反应锅的结构
这类设备的化工零部件国内 已标准化，可参见《化工设备设计手 册》第一分册（材料与零部件）。
主要由以下部分组成： ⑴锅的主体 ⑷轴密封装置 ⑵换热装置 ⑸传动装置 ⑶搅拌装置 ⑹工艺接管
如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
应器内装有高效搅拌器，在急剧
搅拌下，使液滴分散的很细，大
大增加两相间的接触面积，同时
由于各相内所形成的湍流而强化
非均相：过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。
气-液相—锅式、塔式、管式 液-液相—锅式、列管式 气-固相—沸腾床、固定床、锅式 液-固相—锅式 气-液-固相—锅式、塔式、流化床 固-半固相—球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式
特备参考
12
⑷按操作方式分
①间歇操作（也称分批操作）反应器 ②连续操作反应器 ③半连续操作（或称半间歇操作）反应器：
第三章 间歇式反应器
第一节 概述
一、反应器类型
反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原 料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料 药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、 包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程 的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出，而其余 则为分批加入或卸出的操作。 a.常用反应器：锅式、塔式 b.操作特征：半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而 改变，也随反应器内的位置而改变。 c.适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速 率。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
k A0 exp( E ) RT
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
间歇操作釜式反应器的设计—间歇操作釜式反应器体积和数量的计算
三、间歇操作釜式反应器的体积和数量计算
由物料衡算求出每小时需处理的物料体积V0后，即可进行反应釜的 体积V和数量n的计算。
计算时，在反应釜体积和数量这两个变量中必须先确定一个。由于 数量一般不会很多，通常可以用几个不同的n值来算出相应的V值， 然后再决定采用哪一组n和V值比较合适。
⒈ 给定V，求n
• 按设计任务每天需操作的批次为：
24V0 24V0
VR
V
VO 每小时需处理的物料体积
• 设备中物料所占体积即反应器有效体积 VR 与设备实际体积即反应 器体积V之比称为设备装料系数，以符号 表示，具体数值根据实 际情况而变化。
• 每天每只反应釜可操作的批次为：
24 24 t '
• 操作周期t又称工时定额，是指生产每一批物料的全部操作时间。由 于间歇反应器是分批操作，其操作时间由两部分构成：一是反应时间
，用 表示；二是辅助时间，即装料、卸料、检查及清洗设备等所需
时间，用 '表示。
• 生产过程需用的反应釜数量 n' 可按下式计算：
n' V0 ( ' )
V
• 由上式计算得到的 n'值通常不是整数n，需圆整成整数。这样反应釜 的生产能力较计算要求提高了，其提高程度称为生产能力的后备系 数，以 表示，即：
理的物料总重量 GD , 用它除以物料的密度ρ，即得每天所需处理物料 的总体积VD，
VD
GD
操作周期
操作周期又称工时定额，是指生产每一批料的全部操作时间，即从 准备投料到操作过程全部完成所需的总时间。
例如萘磺化制取2—萘磺酸的操作周期计算如下：
检查设备
加萘 加硫酸及升温 反应 压出料 操作周期
间歇式反应器课程设计
间歇式反应器课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解间歇式反应器的基本原理与结构，掌握其工作过程及特点；2. 掌握间歇式反应器在化工生产中的应用及其优缺点；3. 学会运用化学反应动力学的基本知识分析间歇式反应器中的反应过程。
技能目标：1. 能够运用所学知识对间歇式反应器进行设计与计算，包括反应器体积、反应时间等参数的确定；2. 能够运用图表、数据和文字等形式对间歇式反应器运行结果进行有效表达和分析；3. 能够运用批判性思维和合作学习的方法，探讨间歇式反应器在实际应用中存在的问题及改进措施。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学工程学科的兴趣，激发其探索未知、勇于创新的精神；2. 培养学生具备良好的团队合作意识，学会倾听、交流、分享与合作；3. 增强学生的环保意识，使其认识到化学反应器在环境保护和资源利用方面的重要性。
课程性质：本课程为化学工程学科的专业课程，旨在帮助学生掌握间歇式反应器的基本理论、设计与计算方法，培养学生解决实际工程问题的能力。
学生特点：学生为高中二年级学生，已具备一定的化学基础和实验操作技能，具有较强的求知欲和动手能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论联系实际，采用案例教学、实验演示等多种教学方法，提高学生的实践操作能力和创新能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为今后的学术研究和工程实践打下坚实基础。
二、教学内容1. 间歇式反应器原理：讲解间歇式反应器的基本概念、工作原理及分类，结合教材第二章第一节内容，重点分析不同类型的间歇式反应器特点。
2. 间歇式反应器设计与计算：根据教材第二章第二节，教授反应器体积、反应时间等参数的计算方法，并通过实例进行讲解。
- 反应器体积的计算；- 反应时间的确定；- 物料平衡与能量平衡分析。
3. 间歇式反应器在化工生产中的应用：结合教材第二章第三节，介绍间歇式反应器在实际生产中的应用案例，分析其优缺点。
4. 化学反应动力学在间歇式反应器中的应用：根据教材第二章第四节，讲解反应动力学在间歇式反应器设计中的应用，包括反应速率、反应级数等概念。
A105间歇釜式反应器的开车与运行
停车操作步骤
注： 【在加热蒸汽量很少的情况下,反应釜的温度上升的 比较快说明反应接近尾声。】
① 打开反应釜放空阀放掉反应釜内的蒸汽然 后关闭放空阀。 ② 打开蒸汽总阀打开蒸汽加压阀给反应釜加压。 ③ 打开蒸汽预热阀片刻。 ④ 打开反应釜出料阀出料出完料后进行吹起 然后关闭出料阀。对设备进行清洗、检查。
正常操作的参数控制
⑴ 工艺参数要求 ① 反应釜压力应不大于8atm(釜内压力过大会影响共沸物的 沸点) ② 夹套加热的蒸汽温度保持早100℃左右使反应产生的水 被蒸出。 ③ 分馏器温度控制在89.3℃左右共沸物温度 ⑵ 注意工艺生产指标的调整方法 ① 温度调节操作过程中以温度为主要一调节对象以压 力为辅助对象因为温度对反应速率的影响比压力大。温 度调节可以通过控制夹套内水蒸气的内温度来控制反应 釜内的温度。 ② 压力调节压力调节主要是通过对温度的控制来实现的 必要时可以适当的调节放空阀的开度。
A105间歇釜式反应器的开车与 运行
第二组
任务目标
1、间歇釜的冷态开车操作规程 2、停车操作步骤 3、正常操作的参数控制 4、间歇釜的常见故障与处理 5、间歇釜的维护要点 6、间歇釜操作
间歇釜的冷态开车操作规程
（一）备料 ① 先向沉淀罐中进正丁醇的料打开正丁醇的进料阀向 沉淀罐进料当正丁 醇达到一定的液位时关闭进料阀 静止备用。 ② 向硫酸计量罐进料先打开硫酸计量罐的放空阀和溢流 阀打开硫酸进料阀 向硫酸计量罐充夜出现溢流后 候关闭阀门。 ③ 向乙酸计量罐进料先打开乙酸计量罐的放空阀和溢流 阀打开乙酸计量罐 的进料阀向计量罐充夜出现溢 流后关闭阀门。 （二）进料 ①微开反应釜放空阀 ②从正丁醇沉淀罐向反应釜进料打开泵前阀、计后阀和反 应釜的进料阀，启动进料泵。再依次打开泵后阀和计前阀
间歇式操作反应器
特点
间歇式操作反应器通常具有固定的反 应体积，需要在反应完成后进行排渣 或出料，操作过程不连续。
工作原理
反应物混合
将原料和催化剂等物质在反应前 混合均匀，确保反应物浓度和催 化剂的分散度。
加热与冷却
通过外部加热或冷却装置，控制 反应温度，以实现所需的化学反 应条件。
压力控制
通过调节压力来控制反应速率和 化学平衡，通常采用加压或减压 的方式。
等。
酿造业
03
间歇式操作反应器可用于酿造业中，如啤酒、葡萄酒、黄酒等
的酿造。
其他领域
环境治理
间歇式操作反应器可用于环境治理领域，如废水处理、废气 处理等。
农业
间歇式操作反应器可用于农业领域，如农药合成、肥料生产 等。
03
间歇式操作反应器的操 作与控制
操作步骤
准备阶段
进料阶段
反应阶段
出料阶段
清理阶段
分类与比较
分类
根据不同的工作原理和应用需求，间 歇式操作反应器可分为搅拌釜式、填 充床式、喷射器式等类型。
比较
不同类型的间歇式操作反应器各有优 缺点，适用于不同的化学反应和物质 转化过程。选择合适的反应器类型需 要根据实际需求进行评估和比较。
02
间歇式操作反应器的应 用化学 Nhomakorabea业01
合成高分子材料
间歇式操作反应器可用于合成各 种高分子材料，如聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯等。
02
精细化学品生产
在精细化学品生产中，间歇式操 作反应器可用于合成染料、颜料、 香料、表面活性剂等。
03
化学品的提纯与分 离
间歇式操作反应器可用于化学品 的提纯与分离，如蒸馏、萃取、 重结晶等。
制药工业
间歇式操作反应器通常具有固定的反 应体积，需要在反应完成后进行排渣 或出料，操作过程不连续。
工作原理
反应物混合
将原料和催化剂等物质在反应前 混合均匀，确保反应物浓度和催 化剂的分散度。
加热与冷却
通过外部加热或冷却装置，控制 反应温度，以实现所需的化学反 应条件。
压力控制
通过调节压力来控制反应速率和 化学平衡，通常采用加压或减压 的方式。
等。
酿造业
03
间歇式操作反应器可用于酿造业中，如啤酒、葡萄酒、黄酒等
的酿造。
其他领域
环境治理
间歇式操作反应器可用于环境治理领域，如废水处理、废气 处理等。
农业
间歇式操作反应器可用于农业领域，如农药合成、肥料生产 等。
03
间歇式操作反应器的操 作与控制
操作步骤
准备阶段
进料阶段
反应阶段
出料阶段
清理阶段
分类与比较
分类
根据不同的工作原理和应用需求，间 歇式操作反应器可分为搅拌釜式、填 充床式、喷射器式等类型。
比较
不同类型的间歇式操作反应器各有优 缺点，适用于不同的化学反应和物质 转化过程。选择合适的反应器类型需 要根据实际需求进行评估和比较。
02
间歇式操作反应器的应 用化学 Nhomakorabea业01
合成高分子材料
间歇式操作反应器可用于合成各 种高分子材料，如聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯等。
02
精细化学品生产
在精细化学品生产中，间歇式操 作反应器可用于合成染料、颜料、 香料、表面活性剂等。
03
化学品的提纯与分 离
间歇式操作反应器可用于化学品 的提纯与分离，如蒸馏、萃取、 重结晶等。
制药工业
化学反应器自动控制系统设计
目录摘要 (III)1 关于化学反应 (1)2 关于化学反应器 (2)2.1 反应器的类型 (2)2.2 反应器的性能指标 (2)2.3 反应器的控制要求 (2)3 反应器的控制方案 (4)3.1 反应器常用的控制方式 (4)3.2 温度被控变量的选择 (5)3.3 控制系统的选择 (6)4 反应器串级系统的控制原理 (9)4.1 系统方框图 (9)4.2 系统原理分析 (9)5 反应器的部分实现 (11)5.1 原料的比值控制 (11)5.2 仪器仪表的选择 (12)6 设计总结与展望 (13)参考文献 (14)化学反应器自动控制系统设计1 关于化学反应化学反应的本质是物质的原子、离子重新组合，使一种或者几种物质变成另一种或几种物质。
化学反应过程具备以下特点：1) 化学反应遵循物质守恒和能量守恒定律。
因此，反应前后物料平衡，总热量也平衡；2) 反应严格按反应方程式所示的摩尔比例进行；3) 化学反应过程中，除发生化学变化外，还发生相应的物理等变化，其中比较重要的有热量和体积的变化；4) 许多反应应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。
此外，反应器的控制方案决定于化学反应的基本规律： 1．化学反应速度化学反应速度定义为：单位时间单位容积内某一部分A 生成或反应掉的摩尔数，即tAA Vd dn r 1±= (1-1) 若容积V 为恒值，则有dtdC dt V dn r AA A ±=±=/ (1-2) 式中 r A ——组分A 的反应速度，mol/m 3·h ； n A ——组分A 的摩尔数，mol ； C A ——组分A 的摩尔浓度，mol/m 3； V ——反应容积，m 3。
2．影响化学反应速度的因素实验和理论表明，反应物浓度(包括气体浓度，溶液浓度等)对化学反应速度有关键作用。
温度对化学反应速度影响较为复杂，最普遍的是反应速度与温度成正比。
任务一间歇操作釜式反应器设计
任务一间歇操作釜式反应器设计引言：间歇操作釜式反应器是一种常见的化工反应装置，广泛应用于化学、医药、食品等行业中。
它适用于反应时间短、反应物浓度高、批量生产等情况。
本文将介绍间歇操作釜式反应器的设计原则、操作要点以及安全措施。
一、设计原则：1.反应器材料选择：间歇操作釜式反应器需要考虑反应物与反应器材料的相容性。
常见的反应器材料包括不锈钢、玻璃钢、陶瓷等。
在选择材料时，需根据反应条件（如温度、压力、反应物性质）来确定最合适的材料。
2.热交换设计：间歇操作釜式反应器通常涉及到加热或冷却过程，为确保反应物的温度控制在适宜范围内，需设计良好的热交换装置。
常见的热交换装置包括卧式或立式蒸发器、管壳式换热器等。
3.搅拌设计：搅拌是保证反应物均匀混合的关键步骤，也有助于加速反应速率。
搅拌速度、形式（如桨叶搅拌、齿轮搅拌等）、搅拌器的材料选择（如不锈钢、陶瓷等）都需要考虑。
二、操作要点：1.反应物的加入：在操作过程中，需要谨慎添加反应物。
为避免危险反应（如爆炸、喷溅等），应根据反应物的性质、浓度和反应条件来控制反应物的加入速度和温度。
2.反应温度的控制：间歇操作釜式反应器在反应过程中需要进行加热或冷却操作。
为确保反应物的温度控制在目标范围内，可通过控制加热或冷却介质的温度、流速等来实现。
3.离心分离：在反应结束后，部分反应物可能需要进行固液分离或液液分离。
离心机是常用的分离装置，通过调整离心机的转速和时间来实现分离目的。
三、安全措施：1.安全阀的设置：由于反应中可能产生高压，为防止反应器的破裂或爆炸，应设置安全阀或安全泄压装置。
安全阀的选择需根据反应物的性质、压力和反应器的容量来确定。
2.紧急停车装置：当发生突发情况时，需要迅速停止反应器的运行。
为确保操作人员的安全，应配备可靠的紧急停车装置，如急停按钮、紧急刹车等。
3.防护装置：为避免操作人员对反应物的接触，应设置防护装置，如护栏、防护罩等。
同时，应戴好相应的防护装备，如防护眼镜、手套等。
东北大学过程控制系统第5章5 分程控制控制系统
三、分程控制中的几个问题
（1）控制阀流量特性要正确选择。
把两个调节阀作为一个调节阀使用时，要求一个阀向另外一个阀过度时， 其流量变化要平滑。两个阀的放大系数不同，分程点上引起流量特性的突变。
因为在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，表现在特性曲 线上产生斜率突变的折点，这在大小控制阀并联时尤其重要。如果两控制阀 均为线性特性，情况更严重，见图8-43(a)。如果采用对数特性控制阀，分程 信号重叠一小段，则情况会有所改善，如图8-43（b）所示。
2．用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求
工程示例2：工业废液中和控制系统
工程示例3 间歇式化学反应器分程控制系统
间歇反应器的工作原理：
1.按要求配比好原料并放入反应器，开始时温 度达不到反应要求，需对其通以蒸汽加热， 诱发化学反应；
2.当达到反应温度并开始反应后，会产生大量 的反应热，需及时地移走热量，否则会因温 度过高而发生危险。
阀压
-
Tsp GC(S)
-
GVA(S)
+
+
减温对象
-
T
GVB(S)
加温对象
Gm(S)
a） A阀应选气闭阀，则控制器应为正作用， B阀应选气开。
b）分程区域：为了保证安全，不使反应器温度过高，能源中断时冷水阀应该 打开，所以A阀应在小信号段，B阀在高信号段。
放空
100%
B
阀
A
氮气 PC
门 开 度
B
A
在运行中，如果两个控制通道特性不同，即广义对象特性 是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象特性的要求。 只好照顾正常情况下的被控对象特性，按正常情况下整定控制 器的参数。对另一台阀的操作要求，只要能在工艺允许的范围 内即可。
序批式间歇反应器--SBR设计计算
设计参数和内容
（6）反应池水深，水深H=4~6m，安全高ε=0.5m(泥界面上最小水 深)。 （7）设计内容，确定曝气时间TA、沉淀时间TS、排水时间TD、充 水时间TF、反应池容积V、安全容积ΔV、构造尺寸、水位设定、需 氧量和供氧量、加氯接触池容积、排泥设备、污泥产量等。
设计计算公式
（1）BOD污泥负荷
周期数的确定取整非限制曝气限制曝气标准状态下污水需氧量kgo设计污水需氧量kgocs标准状态下清水中饱和溶解氧浓度mgl混合液中总传氧系数与清水中总传氧系数之比一般取080混合液的饱和溶解氧值与清水中的饱和溶解氧值之比一般取090时清水表面饱和溶解氧浓度mgl混合液剩余溶解氧mgl一般取2mgl下实际计算压力时曝气装置所在水下深处至池面的清水平均溶解值mgl曝气装置出口处的绝对压力mpa其值根据下式计算
（1）确定曝气时间TA，沉淀时间TS，排水时间TD （2）确定周期数，周期，进水时间 （3）确定反应器容量 （4）对容量进行校正 （5）需氧量、供氧量、接触池的计算
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LogoΒιβλιοθήκη 设计计算公式（2）曝气时间TA
带入(1)式
设计计算公式
（3）沉淀时间TS 当X<3000mg/L时，采用
当X>3000mg/L时，采用
设计计算公式
（4）排水时间TD 要消毒时取2h，否则取0.5~1.0h。有时排水时间也可沉淀。
（5）单池容积V
（6）周期数的确定（取整） 非限制曝气
限制曝气
设计计算公式
（7）安全容积ΔV
设计计算公式
（7）安全容积ΔV
设计计算公式
（8）需氧量
设计计算公式
间歇釜式反应器BR
反应器计算的基本方程
反应器计算可以采用经验法和数学模型法。经验计算法是根据已有的 装置生产定额，进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。经 验计算法的局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算。 如果改变反应过程的条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计， 或者进一步确定反应器的最优结构、操作条件，经验计算法是不适用的， 这时应该用数学模型法计算。根据小型实验建立的数学模型（一般需经 中试验证），结合一定的求解条件——边界条件和初始条件，预计大型
釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而
变，生产周期存在反应时间（生产时间）τ和非生产时间 τ‘。 其结构简单、操作方便、灵活性大、应用广泛。但是
设备生产效率低、不易保持每批质量稳定、高转化率下体
积较大。一般用于液—液相、气—液相等系统，如染料、
医药、农药等小批量多品种的行业。
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][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。
设备的行为，实现工程计算。
数学模型法计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映 传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上 述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。
反应器计算的基本方程包括
描述浓度变化的物料衡算式；
描述温度变化的能量衡算式； 描述压力变化的动量衡算式； 描述反应速率变化的动力学方程式。
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第十一号方案
2
2007 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛
五、监视系统软件设计 ........................................................................................................................51 5.1 监控系统设计 ............................................................................................................................52 5.2 监控系统界面 .............................................................................................................................52
2.2 硬件配置 ....................................................................................................................................14 2.3 软件配置及安装 ........................................................................................................................14 2.4 变量表 ........................................................................................................................................15
三、控制策略设计 ................................................................................................................................17
3.1 反应温度控制策略 ....................................................................................................................17 3.1.1 加热位式控制....................................................................................................................18 3.1.2 升温模糊控制....................................................................................................................18 3.1.3 恒温PID控制......................................................................................................................21 3.1.4 规则集................................................................................................................................22
3.2 压力控制策略 ............................................................................................................................23 3.2.1 协调型专家系统................................................................................................................23 3.2.2 压力安全专家策略............................................................................................................24
3.4 控制系统P&ID图 ........................................................................................................................32 3.5 顺序控制 ....................................................................................................................................32 3.6 阀门特性选择 ............................................................................................................................34
2007 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛
西门子杯 全国大学生过程控制技能挑战赛
——间歇式反应器系统控制方案
第十一号参赛方案
第十一号方案
1
2007 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛
目录
目 录........................................................................................................................................................ 2
参考文献 ................................................................................................................................................55
一、间歇式反应器系统概述 ..................................................................................................................4
1.1 被控对象工艺流程(简单描述反应过程)...................................................................................4 1.2 反应过程分析 ..............................................................................................................................5 1.3 控制要求 ...................................................................................................................................... 7 1.4 间歇式反应器系统P&ID图 ...........................................................................................................8
3.3 主产物产率控制策略 .......................................................................................................ห้องสมุดไป่ตู้........26 3.3.1 软测量技术........................................................................................................................26 3.3.2 组分控制............................................................................................................................31
四、控制系统软件实现 ........................................................................................................................35
4.1 SCL程序 ......................................................................................................................................35 4.2 CFC图描述 ..................................................................................................................................44 4.3 SFC图描述 ..................................................................................................................................50