第三章釜式反应器
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第三章-釜式反应器
3.1釜式反应器的物料衡算式
根据总的物料衡算式，则有：
写成 其中
M
i ijrj j 1
3.1釜式反应器的物料衡算式
连续釜式反应器
累积速率
代 数 方 程
间歇釜式反应器
微 分 方 程
3.2等温间歇釜式反应器的计算
特点
反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响 反应器内温度处处相等，可排除传热的影响 物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间
例3.1 酯化反应, 原料配比A:B:S=1:2:1.35, XAf=0.35, 密度1020kg/m3,辅助时间t0=1hr,装填 系数f=0.75,产量12000kg/Day, 求反应体积?
解: 原料处理量
FA0
12000 24M R xAf
12000 16.23 kmolA
2488 0.35
A
CA0
n=1
rA kC A
C A C A0e kt 或
kt
ln
CA0 CA
x A 1 e kt
n=2
rA
kC
2 A
CA
C A0 1 C A0kt
或
kt 1 1
xA
C A0kt 1 C A0kt
C A C A0
速率常数k值的提高将导致相应反应时间减少 即提高反应温度将使反应速率增加
Q 0.5cA2kmol /(m3 h)
反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物 为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。 解：由题知
A p 2Q 2cA 20.5cA2 2cA cA2
将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式 可有
第三章间歇釜式反应器知识讲解
数
需要设备的总容积为：
Q0t '
V
mVm
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=Q0t’/( 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
解： 每台锅每天操作批数： β=24/17=1.41 每天生产西维因农药数量：
1000×1000÷300=3330Kg（GD）
需要设备总容积: mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3
取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
10
（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。
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Q0，
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=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
11
（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。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备
装料系数，以符号
表示，即：
=VR/V。其值视具体
情况而定
条
件
无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜
带搅拌的反应釜
易起泡或沸腾状 况下的反应
第三章 釜式反应器
半间歇釜式反应器的物料衡算式：
设有反应：
A B R , r k ' c AcB
Q0c A0
QcA
( R A )V
d (V c A ) dt
Q 0 c A 0 Q c A R AV
d (V c A ) dt
式中V为反应器中混合物的体积，其值随时间而变。假定操作开始时先向反应器中注入 体积为V0的B,然后连续输入A,流量为Q,浓度为CA0，且不连续导出物料，即Q=0，即有
V V0 Q 0t
若将VCA看做变量，则该式为一阶线性微分方程，初始条件是t=0， VCA=0， Q0为常数时，一阶微分方程的解为：
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
将
V V0 Q 0t
cA cA0
代入
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
Q 0 c A 0 R AV
d (V c A ) dt
又设B大量过剩，则该反应可按一级反应处理，即 rA kc A
,代入上式有：
Q 0 c A 0 k c A 0V
任意时间下反应混合物的体积：
d (V c A ) dt
V V0
t 0
Q0dt
若为恒速加料，则Q0为常数，所以
FA 0 v0 c A 0
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
(v c p + K A )
-(v c p T 0 + K A T m )
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
第三章 釜式反应器
dcP 0 dt
t0 pt
ln( k1 / k 2 ) 代入式（ 6 ） k1 k 2 k
cP max
k1 c A0 k2
k k 2 1
2
cP max YP max = cA0
3.4 连续釜式反应器反应体积的计算
物料衡算式：Q0Ci0=QCi-RiV r 因为釜式反应器大多数进行液相反应 所以视作为恒容过程 Q=Q0
dcA 对A : ( RA ) k1cA (1) dt dcP 对P : RP k1cA k2cP (2) dt
cA cA0 exp(k1t )(4)
dcP 带入式（2）得： k1cA0 exp(k1t ) k2cP dt
dcP k2cP k1c A0 exp(k1t )(5) dt
Vr=
Q 0( c i,0 - c 0 )
-R
i
i = 1,2,...,k
Q0( c A,0 - c A ) Q0( c A,0 - c A ) Q0c A,0( x A, f - c A,0 ) = = 2 - R Ac A, f -R A x A, f
Vr=
-R
A
空时 V r
Q0
单位时间处理单位体积无聊所需的空间体积 空时越大，反应器的生产能力越小
∵ cA0 cA cP cQ
k2 c A0 ∴ cQ cA0 cA cP 1 exp (k1 k2 )t k1 k2
cP k1 常数 cQ k2
可推广到M个一级平行反应： 对反应物A:
cA cA0 exp （ - k1 +k2 +... +km）t
t0 pt
ln( k1 / k 2 ) 代入式（ 6 ） k1 k 2 k
cP max
k1 c A0 k2
k k 2 1
2
cP max YP max = cA0
3.4 连续釜式反应器反应体积的计算
物料衡算式：Q0Ci0=QCi-RiV r 因为釜式反应器大多数进行液相反应 所以视作为恒容过程 Q=Q0
dcA 对A : ( RA ) k1cA (1) dt dcP 对P : RP k1cA k2cP (2) dt
cA cA0 exp(k1t )(4)
dcP 带入式（2）得： k1cA0 exp(k1t ) k2cP dt
dcP k2cP k1c A0 exp(k1t )(5) dt
Vr=
Q 0( c i,0 - c 0 )
-R
i
i = 1,2,...,k
Q0( c A,0 - c A ) Q0( c A,0 - c A ) Q0c A,0( x A, f - c A,0 ) = = 2 - R Ac A, f -R A x A, f
Vr=
-R
A
空时 V r
Q0
单位时间处理单位体积无聊所需的空间体积 空时越大，反应器的生产能力越小
∵ cA0 cA cP cQ
k2 c A0 ∴ cQ cA0 cA cP 1 exp (k1 k2 )t k1 k2
cP k1 常数 cQ k2
可推广到M个一级平行反应： 对反应物A:
cA cA0 exp （ - k1 +k2 +... +km）t
第三章 釜式反应器
??流入的i??????????????????????????????????????物质量的累在反应器内单位时间内积物质量反应掉的单位时间物质量流出的单位时间物质量单位时间iii7连续定态釜式反应器的物料衡算式?对于定态的连续反应器i组分的积累速率为0i为反应物有???物质量??流出的i?为产物时有?通式为???????????????????????????物质量反应掉的单位时间物质量流出的单位时间流入的单位时间iii????????????????????????????物质量反应生成单位时间物质量流入的单位时间物质量单位时间ii8间歇釜式反应器的物料衡算式?由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出因此q0q0即
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。
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
s
rP rA
dCP dCA
2CA
2CA
C
2 A
1
1 0.5CA
S CPf
CAf
sdCA
CA0
0.002482
2
dCA
2 2 CA
CA0 CAf CA0 CAf 2 0.002482
2
S
dCA ln(
22
) 0.693
0.002482 2 CA
例3.1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应， 每天生产乙酸乙醋12000kg，其化学反应式为
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。
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
s
rP rA
dCP dCA
2CA
2CA
C
2 A
1
1 0.5CA
S CPf
CAf
sdCA
CA0
0.002482
2
dCA
2 2 CA
CA0 CAf CA0 CAf 2 0.002482
2
S
dCA ln(
22
) 0.693
0.002482 2 CA
例3.1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应， 每天生产乙酸乙醋12000kg，其化学反应式为
3-釜式反应器
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
最后解出：
（3-
38）
（3-39）
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，如果P 是目的产物，其值有最优解。通过CP 对时间求导数，可 以得到：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
如果 例题3.3
3.4连续釜式反应器的反应体积
•间歇釜：，有进有出。
该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。
对于间歇反应器，由于dV=0，若为均相
则
（否则不行）
3.2等温间歇釜式反应器的计算（单一 反应）
设反应速率方程为
（不可逆反应），
则
，在等温下有
XAf
∫ 1
t=
0
kcA0a-1
dXA (1-XA)a
=
(1-XAf)1-a-1
(a-1) kcA0a-1
(a≠1)
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
对于均相，恒容过程方程进一步变为：
设初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CQ=0，则方程的解为 进一步：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示，由图可见，t ↑，CA↓， 而CP↑、CQ↑。 图3-3 平行反应组成随时间的变化关系
当温度T↑时，反应速率常数k↑，导致达到规定转化率所 用的反应时间t↓。对于可逆放热反应，是上面的结论仍然 正确吗？
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
最后解出：
（3-
38）
（3-39）
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，如果P 是目的产物，其值有最优解。通过CP 对时间求导数，可 以得到：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
如果 例题3.3
3.4连续釜式反应器的反应体积
•间歇釜：，有进有出。
该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。
对于间歇反应器，由于dV=0，若为均相
则
（否则不行）
3.2等温间歇釜式反应器的计算（单一 反应）
设反应速率方程为
（不可逆反应），
则
，在等温下有
XAf
∫ 1
t=
0
kcA0a-1
dXA (1-XA)a
=
(1-XAf)1-a-1
(a-1) kcA0a-1
(a≠1)
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
对于均相，恒容过程方程进一步变为：
设初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CQ=0，则方程的解为 进一步：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示，由图可见，t ↑，CA↓， 而CP↑、CQ↑。 图3-3 平行反应组成随时间的变化关系
当温度T↑时，反应速率常数k↑，导致达到规定转化率所 用的反应时间t↓。对于可逆放热反应，是上面的结论仍然 正确吗？
第三章间歇釜式反应器
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。ຫໍສະໝຸດ 5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏
6.工艺接管,为适应工艺需要
2
3
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
• 操作周期又称工时定
额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
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
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
小，若标准釜的容积为Va，那么，
Va V 100 % Vma Vm 100 %
V
Vm
14
• 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 ？
15
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
5
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
6
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
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
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。ຫໍສະໝຸດ 5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏
6.工艺接管,为适应工艺需要
2
3
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
• 操作周期又称工时定
额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
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
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
小，若标准釜的容积为Va，那么，
Va V 100 % Vma Vm 100 %
V
Vm
14
• 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 ？
15
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
5
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
6
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
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
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
3_釜式反应器.
A
c
0
AP AQ
P
Q
t
cP k1
cQ
k2
即：任意时刻两 个反应产物浓度 之比，等于两个 反应速率常数之 比
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温 BR 的计算
复合反应
将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统 ：
M
反应物A的浓度为：
(t ki )
cA cA0e 1
反应产物的浓度为：
M
ci
Q0
ci0
Q
ci
Q0ci0dt Qcidt RiVr dt dni
Vr
Q0ci0
Qci
RiVr
dni dt
i 1,2, K
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
M
R
其中：
i
ij r j
j 1
KM
对反应物为负 对产物为正
等温 BR 的计算
1.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
釜式反应器的物料衡算通式
Q0
Q
ci0
ci
Vr
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
Q0 :反应器进料的体积流量
Q :反应器出料的体积流量
ci0 :反应器进料中关键组分浓度 ci :反应器出料中关键组分浓度
Vr :反应体积
取整个反应体积作控制体积
釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间间歇内对整个反应 器做关键组分 i 的物料衡算：
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
对A：(k1 k2 )cA
dcA dt
0
对P：
k1cA
dcP dt
0
c
0
AP AQ
P
Q
t
cP k1
cQ
k2
即：任意时刻两 个反应产物浓度 之比，等于两个 反应速率常数之 比
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温 BR 的计算
复合反应
将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统 ：
M
反应物A的浓度为：
(t ki )
cA cA0e 1
反应产物的浓度为：
M
ci
Q0
ci0
Q
ci
Q0ci0dt Qcidt RiVr dt dni
Vr
Q0ci0
Qci
RiVr
dni dt
i 1,2, K
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
M
R
其中：
i
ij r j
j 1
KM
对反应物为负 对产物为正
等温 BR 的计算
1.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
釜式反应器的物料衡算通式
Q0
Q
ci0
ci
Vr
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
Q0 :反应器进料的体积流量
Q :反应器出料的体积流量
ci0 :反应器进料中关键组分浓度 ci :反应器出料中关键组分浓度
Vr :反应体积
取整个反应体积作控制体积
釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间间歇内对整个反应 器做关键组分 i 的物料衡算：
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
对A：(k1 k2 )cA
dcA dt
0
对P：
k1cA
dcP dt
0
釜式反应器--化工
第三章 釜式反应器
1
2020/6/16
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成 部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定 进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生 产任务所需的反应器体积和主要寸。
对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型 ，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜 式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论 和分析，考察反应器性能与各种因素的关系， 反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括 ：
料所需要的时间。反映反应器的生产强度。
VR V0
，量纲：时间
13
2020/6/16
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。
7
※反应器的特性： 是指器内反应流体的流动状态、混合状态 以及器内的传热性能等，它们又将随反应 器的几何结构和几何尺寸而异。
※均相反应的特点： 反应过程中不存在相间传递过程，影响反 应速率物理因素只有物料的混合和流动状 态两个方面。
2020/6/16
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
★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。
2020/6/16
14
15
2020/6/16
★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
1
2020/6/16
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成 部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定 进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生 产任务所需的反应器体积和主要寸。
对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型 ，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜 式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论 和分析，考察反应器性能与各种因素的关系， 反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括 ：
料所需要的时间。反映反应器的生产强度。
VR V0
，量纲：时间
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2020/6/16
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。
7
※反应器的特性： 是指器内反应流体的流动状态、混合状态 以及器内的传热性能等，它们又将随反应 器的几何结构和几何尺寸而异。
※均相反应的特点： 反应过程中不存在相间传递过程，影响反 应速率物理因素只有物料的混合和流动状 态两个方面。
2020/6/16
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
★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。
2020/6/16
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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
03 第三章 釜式反应器1
（3-6）
nA0 dX A Vr R A
（3-7）
（3-7）适用于多相，均相及等温，非等温的间歇 反应过程
义：
nA0 c A0 Vr
X Af 0
∴
t c A0
1 dX A R A
（3-8）
若进行a级单一不可逆反应
R A rA k c A
LOGO
化学反应工程
第三章 釜式反应器
1
LOGO
第三章—釜式反应器
连续搅拌釜式反应器
重点掌握: 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 。 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。 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。 连续釜式反应器的质量、热量衡算式的建立与应用。 深入理解： 变温间歇釜式反应器的计算。 广泛了解： 串联釜式反应器最佳体积的求取方法。 连续釜式反应器的多定态分析与计算。 产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。
j 1
M
（3-2）
ij
关键组分i 在第j个独立均 相反应中的化学计量数
反应物: 产物:
Ri 0
Ri 0
I. 定态操作，累积速率dni/dt，则式（3-1）化为
连续釜式反应器的物料衡算式
Q0 ci 0 Qci Vr i j rj
j 1
M
i 1, 2,, K
（3.4）
dFR 令： dt 0
（3-15）
根据函数求极值方法，目标函数对t求导， （3-16）
dcR cR 得： dt t t0
（3-17）
（3-17）即为FR最大时必须满足的条件，此 时的t即为最优反应时间tm。
化学反应工程-连续流动釜式反应器
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
全混流反应器在出口条件下操作，当 出口浓度较低时，整个反应器处于低 反应速率状态。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流 程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率 XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、 xA2、……、xAm－1，使VR最小。
对于等温等容过程，各级反应器体积为
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
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。
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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℃。
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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
第三章釜式反应器
热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
要点及釜式反应器概述重点掌握等温...
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。
等温CSTR 的计算
复合反应－平行反应
对关键组分A有V：r
Q0cA0 X Af (k1 k2 )cA
对目的产物VP有r ：Qk10ccAp ， 设cp0 0
对副产物VQr有：Qk20ccAQ ， 设cQ0 0
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
§3.1 釜式反应器的物料衡算通式
釜式反应器是最常用的反应器形式之一
可连续操作，也可间歇或半间歇操作。 本章主要讨论釜式反应器的设计分析及有关优化操作问题。
操作方式：间歇、连续、半间歇
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
用途：绝大多数用作有液参与的反应， 如：液液、液固、气液、气液固反应等。
釜式反应器的物料衡算通式
假设(理想状态） 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一 反应器内无速度分布
§2. 等温 BR 的计算（单一反应）
一 反应时间及反应体积的计算
1.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
2.反应器的体积
V Vr f
f ：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.4～0.85
化学反应工程第3章釜式反应器
第三章 釜式反应器
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
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组 成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定 进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产 任务所需的反应器体积和主要尺寸。
对于反应器的分析计算需要建立适当的数学 模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇 釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论 和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反 应器性能的优化设计问题等。
反应器实际体积为:
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
二、最优反应时间
化学反应工程
最优反应时间使得
①单位时间内产品产量最大（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 例 如 ： AR
对于间歇釜式反应器，总反应时间可以表示为：
tT t t0
当反应时间 t↑时， tT↑、cA↓、rA↓，但 nR↑。而且比值 nR/tT不总是增 加的，存在最优值。如果将目标函数定义为：
化学反应工程第3章釜式反应器
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物料衡算式： 能量衡算式：
动量衡算式：
化学反应工程第3章釜式反应器
化学反应工程
湖北大学化学与化工学院
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 即：反应器内物料完全混合均匀
反应器内物料浓度均一
达到无梯度！
图3.1 釜式反应器示意图 取整个反应体积作控制体积
cA cA0ek t
反应时间关系示意图
cA
c e(k1 k2 )t A0
化学反应工程第3章釜式反应器
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化学反应工程
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组 成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定 进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产 任务所需的反应器体积和主要尺寸。
对于反应器的分析计算需要建立适当的数学 模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇 釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论 和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反 应器性能的优化设计问题等。
反应器实际体积为:
化学反应工程第3章釜式反应器
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二、最优反应时间
化学反应工程
最优反应时间使得
①单位时间内产品产量最大（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 例 如 ： AR
对于间歇釜式反应器，总反应时间可以表示为：
tT t t0
当反应时间 t↑时， tT↑、cA↓、rA↓，但 nR↑。而且比值 nR/tT不总是增 加的，存在最优值。如果将目标函数定义为：
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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 即：反应器内物料完全混合均匀
反应器内物料浓度均一
达到无梯度！
图3.1 釜式反应器示意图 取整个反应体积作控制体积
cA cA0ek t
反应时间关系示意图
cA
c e(k1 k2 )t A0
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CAf、xAf
进料
出料
反应物料以稳定的流入速率进入反应 器后，粒子平行地向前移动。
特征：1）垂直于物料流向的任一截面 上，所有的物系参数T、P、C、u都 是均匀的（相同的）
2）所有的粒子在反应器内的停留时间
都相同。
i
VR V0
实际生产中属于理想置换的情况有：
管式反应器：它的流型基本上是理想置换模型
流动：物料粒子在反应器内的逗留时间可能 并不相同，可能存在着不同程度的返混和 逗留时间分布问题。物料处于连续稳定流 动。
综上所述，二者的区别
间歇反应器 流动反应器
加料方法 间歇
连续
粒子停留 相同 时间
可能不同（也可能相同， 当理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ置换时）
c
(
)
t M
( c M
)t
停留时间 分布
≠0（即浓度随 时间而变）
（1）反应物系参数的变化情况不同
间歇反应器：物料是间歇地加入和取出， 物料不流动，反应的各种参数（如温度、 浓度、压力等）随时间而变，但不随反 应器内空间位置而变。
c () t M
c 0,(M)t
0
流动反应器：物系参数只随位置而变，不
随时间而变
c
c
() t M
0,(M)t
0
（2）质点流动状况不同
间歇：物料中的所有流体粒子（流体粒子是 能代表反应物系特征的微元）。在反应器 内的反应时间是相同的，不存在返混或逗 留时间分布问题。反应物料（质点）不流 动。
实际生产中的多数槽式反应器都可作全混 流反应器处理。
在这两种理想流动反应器的基础上，经 过适当修正和组合，可以得到比较符 合实际多种非理想流动模型。例如在 活塞流模型基础上考虑轴向返混的返 混模型、考虑流速分布的层流模型等。 在全混流基础上发展的多级串联全混 流模型等。
工业生产中的反应器，在进行逗留时间 测定的基础上可以用这些修正的非理 想流动模型而描述。
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
年龄：指存留在器内的粒子，在器内已经 逗留了的时间
寿命：指粒子从进入反应器算起，到粒子 离开反应器，粒子总共在反应器内逗留 的时间
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
（活塞流模型），特别是在长径比很大、流速 较高时可看作是理想置换。
如：CH4+H2O=CO+3H2-Q1
CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2
固定床反应器（近似）：氨合成塔、CO变换
炉、SO2转化器
液
实验用的膜式反应器
圆盘
（可用于多相反应、均相反应）
汽
(2)理想混合模型（全混流）（完全混合） 反应物料以稳定的流入速率进入反应器后， 新鲜物料粒子与存留在反应器内的物料 粒子在瞬间达到完全混合。
来自实验室的化学反应动力学数据，若不计传递过 程的影响，就会使反应机理、反应级数、活化能 及选择性以及反应速率表达式发生错误而不能反 映实际情况。此外，在反应器的模拟、放大、设 计以及分析反应器的稳定性和可控性方面，都会 有一定的影响。因此，只有弄清传递过程对化学 反应的影响，才能正确地用化学动力学数据来进 行反应器设计、模拟、放大和操作控制。研究传 递过程对化学反应的影响，首先要研究流动模型。 因为流动模型是传递过程的基础。只有在流动模 型确定之后，才能正确分析动量传递、传质、传 热和化学反应等过程。
强烈搅拌的反应器
例：普钙的生产
Ca5（PO4）3F+H2SO4→ Ca(H2PO4)2+CaSO4+HF
流化床（ 沸腾床）反应器 硫酸生产中硫 铁矿的焙烧
实验室用的无梯度反应器
循环量》出料量的反应器
(3)非理想流动反应器
为了进一步分析流动模型的本质，下面 介绍几个概念
a、物料粒子的年龄与寿命
连续反应器内，物料中各个粒子的 逗留时间可能并不相同，为了说明逗 留时间的长短，通常采用两种表示， 年龄与寿命
第三章 釜式反应器
• 3.1反应器中流体的流动模型
• 研究流动模型的目的：
• 本章讨论流动模型与化工原理流体动力学
的流动模型不是一回事，这里是指流体流 经反应器时的流动和返混状况。建立各
种流型的数学模型（研究粒子在反应器的 停留时间分布），目的是进行反应器体积 和反应率的计算。
流动模型：是指流体流经反应器时的流 动和返混的状况。
V 0、 CA 0、 X A 0
高与直径相类似
T 、 C A 、 rA
VR、 C A f 、X A f rA f、 T f
特征：1）在反应器内各处的参数T、P、 C相同，并等于反应器出口值。
CA=CAf T=Tf rA =rAf 2)粒子在反应器内停留时间不同，参差
不齐，形成一个逗留时间分布
实际生产接近全混流反应器的有：
=0（浓度不随 位置而变）
没有
自变量 时间
=0（浓度不随时间而变）
≠0（浓度随位置而变）
有（有的停留时间长，有 的短） 空间位置
由于连续反应器有许多优点，化工生产已广泛 应用。下面着重讨论反应器的流动模型。
２．连续流动反应器内流体的流动模型
(1)活塞流反应器（理想置换或挤出流反应器）
V0 、CA0、XA0
本章的重点是阐述流动模型的基本概念、讨论 间歇反应器、理想混合反应器的设计计算。 并对理想混合反应器的热稳定性进行讨论。 在讨论反应器流体流动模型之前，先讨论流 动过程与间歇过程的主要区别（复习）
一、理想流动反应器的基本概念
理想反应器：间歇反应器
流动反应器（全混流、活塞流）
1.间歇反应器与流动反应器的区别
对各种流动模型进行的数学描述就得到流动 的数学模型。
化工生产中有许多型式的反应器，如管式、 槽式等。这些反应器中流体流动的情况很 复杂。但在众多的反应器中，就流体的返 混情况而言，可以抽象出两种极限的情况。
活塞流反应器：完全没有返混
全混流反应器：返混达到极大值实际生产 中的多数管式反应器、固定床催化反应 器都可作为活塞流反应器处理。