第三章_间歇釜式反应器
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第3章釜式反应器
A
kC
A0
1 xA
1
t
kC
1 A0
xA 0
dxA 1 xA
1 xA 1 1
1
kC
1 A0
1
2.每批操作所需的时间
由(3.7)式所得的时间是指在一定的操作条件 下，为达所要求转化率xA所需的反应时间，每批操 作所需的时间是(t＋t0)。 t0是辅助生产时间，包 括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。
3.反应器有效体积Vr的计算
反应器的有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)
式中：Q0 是单位时间内处理的反应物料的体积。
反应器实际体积V的计算
反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实 际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
V Vr f
式中：f是装料系数，一般为0.4～0.85， 不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85， 起泡、沸腾物料取0.4～0.6
FR
CRVr t t0
对时间t求导并令
dFR 0 dt
dFR
d[CRVr ] t t0
(t t0 )Vr
dCR dt
Vr CR
0
dt
dt
(t t0 )2
dCR CR dt (t t0 )
通过上式，只要CR和t的关系，即可用解析法或图解 法求得满足单位时间产品产量最大所必须的条件——最
化学反应工程第3章釜式反应器
湖北大学化学与化工学院
化学反应工程
一、平行反应
反应时间的计算
例如：
RiVr
dni 0 dt
dc i 0 dt
主反应
副反应
恒 容 : Ri
对各组分作物料衡算(恒容条件)： 对A： (3.24) (3.25) (3.26)
对P： 对 Q：
系统中只进行两个独立反应，因此三式中仅有二式是独立的。
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化学反应工程
基本方程
物料衡算——描述浓度的变化规律 能量衡算——描述温度的变化规律 动量衡算——描述压力的变化情况
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化学反应工程
物料衡算式：
能量衡算式：
动量衡算式：
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化学反应工程
釜式反应器的物料衡算通式
假设：反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一 即：反应器内物料完全混合均匀 达到无梯度！
Vr Q0 (t t0 ) 4.1 5 5 (1 1 8 .8 / 6 0 1) 1 2 .3 8 m3
反应器实际体积为:
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化学反应工程
二、最优反应时间
最优反应时间使得
①单位时间内产品产量最Baidu Nhomakorabea（生产能力最大）
②生产费用最低
①单位时间内产品产量最大
3釜式反应器教程
全混流反应器计算的基本公式 V0, N A0,CA0 1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A X 0 衡算基准：反应体积（VR） 稳定状态： [A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
rAVdt
+
dn A
dnA dx A rAV nA0 ( nA nA0 (1 x A )) dt dt
积分
等容过程
t nA 0
nA 0 t V
x Af
0
dxA V rA
C A 0－C A x A C A0 dC dx A A C A0
第三章 釜式反应器
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
变温间歇釜式反应器
连续釜式反应器的定态操作
概述 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应 的反应器为间歇反应器和流动反应器。 1.间歇反应器 物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出， 反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相 同的，经历的反应时间也是相同的。 2.连续反应器 物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通 过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短 路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。
第三章 釜式反应器
23
3.3 等温间歇釜式反应器的计算 (复合反应)
对于复合反应主要讨论平行反应与连串反应。
3.3.1 平行反应
如果在等温间歇釜式反应器中进行下列平行反应
p 为目的产物，即第一个反应为主反应，第二个反应
为副反应. 各反应组分的物料衡算式如下
24
平行反应
对于恒容均相系统，物料衡算式两边分别除 以Vr后变为：
解：由于
C Af C Af
rA rP 2rQ 2CA C
C Af
2 A
对于恒容等温反应：
dCA dCA 1 1 1 t ( )dCA 2 rA 2C A C A 2 C A 0 C A 2 C A CA0 C A0
30
例3.2（2）
31
每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于 一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。反应 物的浓度是随反应时间的增长而降低的，而反应产物 的生成速率，则随反应物浓度的降低而降低。所以， 随着时间的延长，无疑会使产品产量增多，但按单位 操作时间计算的产品产量并不一定增加。因此，就必 然存在一个最优反应时间，此时该函数值最大。 以生产费用最低为目标 函数。从单位产品所消耗的原 料量最少着眼，则反应时间越长，原料单耗越少。当 然还要考虑单位时间内反应操作费用、辅助操作费用 为以及固定费用 。同样会存在一个最优反应时间。
3.3 等温间歇釜式反应器的计算 (复合反应)
对于复合反应主要讨论平行反应与连串反应。
3.3.1 平行反应
如果在等温间歇釜式反应器中进行下列平行反应
p 为目的产物，即第一个反应为主反应，第二个反应
为副反应. 各反应组分的物料衡算式如下
24
平行反应
对于恒容均相系统，物料衡算式两边分别除 以Vr后变为：
解：由于
C Af C Af
rA rP 2rQ 2CA C
C Af
2 A
对于恒容等温反应：
dCA dCA 1 1 1 t ( )dCA 2 rA 2C A C A 2 C A 0 C A 2 C A CA0 C A0
30
例3.2（2）
31
每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于 一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。反应 物的浓度是随反应时间的增长而降低的，而反应产物 的生成速率，则随反应物浓度的降低而降低。所以， 随着时间的延长，无疑会使产品产量增多，但按单位 操作时间计算的产品产量并不一定增加。因此，就必 然存在一个最优反应时间，此时该函数值最大。 以生产费用最低为目标 函数。从单位产品所消耗的原 料量最少着眼，则反应时间越长，原料单耗越少。当 然还要考虑单位时间内反应操作费用、辅助操作费用 为以及固定费用 。同样会存在一个最优反应时间。
第三章-釜式反应器
10.195
kmol m3
CR0 0
CS 0
1.35 4.35 M S
1.351020 4.35 18
17.586
kmol m3
浓度与转化率关系为 CA CA0 (1 xAf ) CR CA0 xAf
CB CB0 CA0 xAf CS CS0 CA0 xAf
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）
针对A组分，达到转化率XA需要的反应时间：
t ln ln 1 k1 k2
CA0 CA
1 k1 k2
1 1 x A
将其代入原物料衡算式
C [1 e ] k1CA0 P k1 k2
(k1 k2 )t
CQ
CA0
CA
CP
[1 e ] k2CA0
反应工程
第三章 釜式反应器
本章重点
等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行 与连串反应）。
连续釜式反应器的计算 。 空时和空速的概念。 连续釜式反应器的串联和并联。 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，
连接和加料方式的选择。 连续釜式反应器的热量衡算式。
釜式反应器
dcA dt
2cA
cA2
rp
dcp dt
2cA
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
配料与加料
根据反应需要，将各种原料按照比例加入反应器 中，并确保原料混合均匀。
调整工艺参数
根据反应条件要求，设定适宜的温度、压力、搅 拌速率等工艺参数。
反应阶段
升温与反应
按照设定的温度和压力条 件，逐渐升温并启动搅拌， 使原料在反应器内进行化 学反应。
监控与调整
在反应过程中，密切监控 温度、压力、搅拌速率等 参数的变化，如有异常及 时调整。
等。
制备高纯度产品
通过精确控制反应条件，间歇操作 釜式反应器能够制备高纯度产品， 满足特定需求。
实现高效能量Hale Waihona Puke Baidu用
间歇操作釜式反应器在化学工业中 能够实现高效能量利用，降低能耗。
制药工业
药物合成
间歇操作釜式反应器在制药工业中用于药物合成，如抗生素、抗 病毒药物等。
第三章 釜式及均相管式反应器综述
1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗
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？
t0.5 0.535h t0.9 4.81h t0.99 52.9h
例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙 酯12000kg，其化学反应式为
CH3COOH(A)+C2H6OH(B) =
CH3COOC2H5 (R)+H2O(S)
原料中反应组分的质量比为A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为
t C A0
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
反应器特性分析
浓度分布——推动力 流体流动推动力：压力差 传热推动力：温差 传质推动力：浓度差（化学位差） 化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。 过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。
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？
t0.5 0.535h t0.9 4.81h t0.99 52.9h
例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙 酯12000kg，其化学反应式为
CH3COOH(A)+C2H6OH(B) =
CH3COOC2H5 (R)+H2O(S)
原料中反应组分的质量比为A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为
t C A0
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
反应器特性分析
浓度分布——推动力 流体流动推动力：压力差 传热推动力：温差 传质推动力：浓度差（化学位差） 化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。 过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。
第三章间歇釜式反应器
第三章 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及设备间的平衡 • 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
1
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
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。
10 4.8 2.08 3 44 19 0.6
27
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 FV, 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
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及设备间的平衡 • 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
1
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
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。
10 4.8 2.08 3 44 19 0.6
27
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 FV, 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
第三章 釜式反应器
ki C A 0 产物i: Ci 1 exp( t k j ) j 1 kj j 1
(t t 0 )Q 0 Vr
二、连串反应
2) A (1) P ( Q
N3
M2
K2
1 c A0 1 1 t ln ln (3) k cA k 1 xA
对P： R = 1 dn f = - dc p p Vr dt dt
cA cA0 exp (k1 k2 )t
dcP RP rp k1c A k1c A0 exp (k1 k2 )t dt
积分：t：0-t
c P,0 0
k1cA0 cP 1 exp (k1 +k2 )t k1 k2
3.5.1 串联釜式反应器的计算
Q0
c A,0 x A,0
c A,1 x A,1
c A,p-1 x A,p-1
c A,N X A,N
V r,1
V r,2
V r,p
V r,N
对第P釜进行计算： τ p = V r = c A,p-1 c A,p Q0 -R A,p
p = 1, 2,...N
对P=1， 1
二、并联
解决的问题： 流量的分配 原则： 应保证多股的空时相同 τ等于物料在反应器内的 平均停留时间
Q0
3-釜式反应器
试剂、助剂等生产。
3. 整个操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清洗）
设计间歇反应器的关键在于确定每批所需时间，尤以
反应时间的确定最为重要，辅助时间主要根据经验来确
定
一、 反应时间和体积的计算
A 关键组分
（总是成立的）
3.2等温间歇釜式反应器的计算（单一 反应）
初值条件为：t=0, XA=0 t=t，XA=XAf
一、连续釜式反应器的特点：
反应器的参数不随时间变化 不存在时间自变量，也没有空间自变量 多用于液相反应，恒容操作
出口处的C, T=反应器内的C, T 。由物料恒算式
得 （3.40）
假定物料进出口的流量相等， 则
（3.41）
3.4连续釜式反应器的反应体积
若反应器内只有一个反应，且关键组分为A，则
最后得到连续釜式反应器的计算方程为
由上节讨论知,间歇反应器的反应体积是由反应时间和 物料处理量来确定的,定态操作的连续釜式反应器则由物料 恒算式直接计算反应体积.
3.4连续釜式反应器的反应体积
二、两个重要的物理量－空时、空速 1.空时--衡量生产能力（只针对连续反应器而言），其定义为：
假定反应区内物料温度均匀
本章内容包括： 釜式反应器的物料衡算式 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 变温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的定态操作与分析
第三章 釜式反应器
对于定态的连续反应器，I组分的积累速率为0，I为
反应物有
单位时间 单位时间 单位时间
流入的 i
流出的
i
反应掉的
物质量 物质量 i物质量
为产物时有 单位时间 单位时间 单位时间
流出的 i
流入的
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分：
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应）
恒容条件下（多数情况）
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为： rA kCAn
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应)， 又可用于多相反应，如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上，既可以 是进行连续操作，也可 以进行间歇或半间歇操 作。
1
釜式反应器
2
釜式反应器的流动特点
由于釜式反应器内设有搅拌装置，对物料进行充分的 搅拌混合，因此可以认为在反应区内反应物料的浓度 是均匀一致的，这是处理釜式反应器问题的一个极其 重要的假定。
第三章 釜式反应器
������������
=
������������ − ������������ + ������ ������ + ������
= 0 （括号内值为0）
������������ ������ ������
������������
������������
������������
������
=
=
������������
产品产量 ������ ������
������ =
=
操作时间 ������ + ������
������������
������ ������
+ ������
������������ ������������
− ������
=
=0
������������
������ + ������
∵ Vr≠0，故
−������������
1 ������ (2 + ������ )
2������
+ ������
⇒ ������ = ln 2 ������ (2 + ������
)
（1） （2） （3）
将CA0=2 kmol/m3，t=3h代入（3）式得：3 =
ln (
(
) = ln
3_釜式反应器.
对目的产物P有：
Vr
Q0cp ， k1cA
设c p 0
0
对副产物Q有：
Vr
Q0cQ ， k2cA
例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
CH3COOC2H5 NaOH CH3COONa C2H5OH
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。
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
对A：(k1 k2 )cA
dcA dt
0
对P：
k1cA
dcP dt
0
对Q：
k2cA
dcQ dt
0
系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅 二式是独立的。
组分 A
P
Q 反应 时间
等温 BR 的计算
浓度
cA cA0 e[(k1k2 )t]
cp
k1c A0 k1 k2
1 e[(k1 k2 )t]
cQ
k 2 c A0 k1 k2
1 e[(k1k2 )t]
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
t 1 n cA0 k1 k2 cA
设 t 0时，cA cA0，cP 0，cQ 0
03 第三章 釜式反应器1
4
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
变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
5
釜式反应器的特征：
（1）结构 反应器高度与直径相当或稍高。 釜内设有搅拌装置和挡板。 常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。 （2）操作方式 间歇、连续、半间歇；分批装、卸； （3）应用场合 适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应 、气液固三相反应。 适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、 试剂、助剂等生产。
又∵ 则
a A0
a
cA cA0 1 X A
R A kc 1 X A
a
（3-10）
等温下，反应速率常数k不变，
1 X Af 1 1 X Af 1 t a 1 a a 1 kcA0 0 1 X A a 1 kc A0
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。
化学反应工程 第三章
（3－17）
16
或写成
m xA m cB 0 kt ln m 1 m(1 xA )
（3－17）
以量纲为1 的反应时间cB0kt为纵坐标，转化率xA为横坐 标，配料比m为参变量，画成图3－5。由图可见，当要求A 的转化率较高时，配料比的影响更加明显，提高配料比可缩 短反应时间，需付出的代价是： 1. 降低反应器的溶积利用率；
讨论：间歇反应器中的单一反应 零级反应：t与初浓度cA0正比 1. 反应浓度的影响
C
C0 n=2
一级反应：t与初浓度cA0无关
二级反应：t与初浓度cA0反比
n=1 n=0 0
t
7
零级反应：残余浓度随t直线下降
2. 残余浓度 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降 反应后期的速度很小；所需反 应时间大大加大。
一、均相管式反应器(PFR)的特征
平推流： 它是人们设想的一种理想流动，即认为物料在反应 器内具有严格均匀的径向速度分布，物料像活塞一样向 前流动，反应器内没有返混。亦称为活塞流。 平推流反应器，习惯用PFR表示，即Plug Flow Reactor
(3-3)
(3-4)
3
t c A0
x Af
0
c Af dc dxA A cA 0 (r ) (rA )V A V
图解积分示意图
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+→+C H C O O C H N aO H C H C O O N a C H O H
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）002
2
2
000
1()(1)
11
0.95
169.6m in(2.83)
5.60.0210.95===
⨯
---=
⨯
=⨯-⎰⎰
A f A f X X A A
A A 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+→++C H C lC H O H N aH C O C H O H C H O H N aC l C O
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。
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• （1）已知VD或FV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 24FV
•
Va Va
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==2V4DVt'a =FVVta'
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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' m100%
m
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（2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t’,求设备体积与个
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=V
= mVm
V F V t'/ 0 .8 1 3 /0 6 .7 1 5 .7 m 7 3
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
( 1 8 0 .8 )/8 5 .8 1 5 % 0 1 .0 % 3
思考 如果取受料时间为1h，结果如何？
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例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造 的最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。
料处理量为FV
VD
=
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
FV=VD/24
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（2） 操作周期t’*
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，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
t’ ，操作时间t’包 括反应时间t和辅助 操作时间t0 两部分组
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.工精艺品接课件管,为适应工艺需要
2
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3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
• 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
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V 精品课件m
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• 思考 • 选用个数少而容积大的设备有利还是选用
个数多而容积小的设备有利 ？
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3、计算示例
物料处理量FV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
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=FVt’/( 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
成。
• 即t’ = t + t0
• 例如萘磺化制取2-萘磺 酸的操作周期:
• 检查设备
15分
• 加萘
15分
• 加硫酸及升温 25分
• 反应
160
分
• 压出料
15分
• 操作周期 240分或4小 时
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反应时间t的求算方法
• 由Байду номын сангаас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。
•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
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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
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（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
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FV， 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=FVt＇
其中 t’ = t + t0
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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。
第三章 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及设备间的平衡 • 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
• (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。
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（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。
例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻 苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作 时间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容 积。设备装料系数取0.75
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解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交 替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料 时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的 操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备 的总容积为
• 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
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