第3章釜式反应器
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化学反应工程_连续流动釜式反应器讲解
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
两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜 维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；
在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度 下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串 联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应 物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时 间或反应器体积就越小。
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：
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。
多级全混釜的串联及优化
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。 由图示，显然有，ΔCA平>ΔCA全 平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器 中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于 全混流反应器体积。
浓度分布 ------ 推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低
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 釜式及均相管式反应器综述
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
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应 器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；
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
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应 器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；
第三章_间歇釜式反应器 ppt课件
•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.
6
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
7
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
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
即各工序的设备个数与操作周期之比要相等
②各工序的设备容积之间保证互相平衡 即
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=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=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
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 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 ？
17
3、计算示例
6
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
7
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
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
即各工序的设备个数与操作周期之比要相等
②各工序的设备容积之间保证互相平衡 即
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=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=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
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 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 ？
17
3、计算示例
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
分离工程第三章 釜式反应器10
，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
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
等式零的部不件同。，根搅据拌反釜应式物反料应的 性器质可，分罐为体开的式内(法壁可兰内连衬接橡)和
胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等
耐闭腐式蚀(焊材接料)。两为大控类制。反目应前温， 度釜，式罐反体应外器壁的常技设术有参夹数套已，
内部也可安装蛇管。标准釜
底实一现般标为准椭化圆。形，根据工艺
要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
均相或拟均相
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
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
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 由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
原料液各组分起示浓度分别为
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
(A) 其中
将(A)式代入得反应时间为
(B)
由a,b及c的定义式知，
勇于开始，才能找到成 功的路
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
• 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
等式零的部不件同。，根搅据拌反釜应式物反料应的 性器质可，分罐为体开的式内(法壁可兰内连衬接橡)和
胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等
耐闭腐式蚀(焊材接料)。两为大控类制。反目应前温， 度釜，式罐反体应外器壁的常技设术有参夹数套已，
内部也可安装蛇管。标准釜
底实一现般标为准椭化圆。形，根据工艺
要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
均相或拟均相
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
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
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 由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
原料液各组分起示浓度分别为
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
(A) 其中
将(A)式代入得反应时间为
(B)
由a,b及c的定义式知，
勇于开始，才能找到成 功的路
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
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 釜式反应器
13
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
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
i
反应生成
物质量 物质量 i物质量
通式为
7
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
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内
i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
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。
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
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
i
反应生成
物质量 物质量 i物质量
通式为
7
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
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内
i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
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。
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
第三章釜式及均相管式反应器
在连续管式反应器中，在流速较大的湍流状态 时，虽然径向速度分布较均匀，但在边界层中速度 仍然因壁面的阻滞而减慢，使径向和轴向都还存在 一定程度的混合，人们设想了一种理想流动，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。这 种流动称为平推流，亦称活塞流，当管式反应器的 管长远大于管径且物系处于湍流状态时接近于平推 流流动，习惯用PFR，即Plug Flow Reactor来表示。
化学工业出版社
三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 1. 工程放大 由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要 的结论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间， 只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器 的大小无关；反应器的大小是由反应物料的处理量 决定的。
化学工业出版社
化学工业出版社
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，则 单位操作时间的产品产量PR为 P V c t t 对反应时间求导，dP V [( t t ) dc c ]
R R R 0
R R R
dt
dt 2 (t t0 )
0
R
并可由
dP R dt
化学工业出版社
( rA ) V
图3-2 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-3等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
化学工业出版社
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆 反应，反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二 级不可逆反应的本征速率方程代入
间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入 反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清 洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定 的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将 物料排出反应器，完成一个生产周期。 反应器内液相均相和气-液相反应的物料浓度处处 相等。 反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物 料内的热量传递问题。 反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有 相同的反应时间。
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
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
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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
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。
第三章釜式反应器
综上所述，二者的区别
间歇反应器 加料方法 间歇 粒子停留 相同 时间 ≠0（即浓度随 时间而变） =0（浓度不随 c ( )t M 位置而变） 停留时间 没有 分布
( c )M t
流动反应器 连续 可能不同（也可能相同， 当理想置换时） =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）
介于最大和最小之间不同年龄的粒子混合产生返混的原因a由于物料粒子与流体流向作相反的运动强烈搅拌所引起的流动搅拌引起的再循环ii对流由于温度密度不同而造成的气体从上往下走在反应过程中放热使气体温度升高重力减小气体有上浮趋势iii分子扩散或涡流扩散从上到下的气体在反应过程中浓度减小所以有向上扩散的趋势b由于垂直于流向的截面上流速不均匀造成层流引起的径向流速不均匀ii设备有死角则停留时间很长iii沟流和短路存在滞流区死角短路同样反应器中间停留时间短两边长因为出口小上下粒子转弯处去造成增长填料层到一定高度作一槽把气体引到中间填料塔液体容易从壁留下停留时间短而其余停留时间长逆向返混对化学反应的影响a影响反应的转化率和选择性短路和沟流
实验用的膜式反应器
（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。
V0、CA0、XA0
高与直径相类似
T、CA、rA
VR、 CAf 、 XAf rAf 、Tf
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
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x) • 5.经济衡算式 经济的输入=经济的输出+经济的消耗+经济 的积累 我们着重讨论最简单的情况----等温反应器 的计算方法。这样只需考虑物料衡算与动 力学方程就可以了。对非等温反应器的计 算，只对理想置换反应器加以讨论。
3_釜式反应器
t C A0
0
（2）
由C A C A0 1 X A）则t （
CA
dCA rA
设反应速率方程为
( A ) rA kCα A
α α （不可逆反应），则 rA kCA0( 1 X A )
在等温下有：
1 t kC α 01 A
X Af
0
dX A α (1 X A ) (α 1 )kC α 01 A
一、 反应时间和体积的计算
对反应
A B R （A —— 关键组分） n A n A0( 1 X A ) （总是成立的）
dC A 1 dn A kf(C) （单一反应） 则： rA dt V dt
i ij r j
j 1
M
(i 1,2,)
（复杂反应）
k1C A0 - exp[ (k1 k 2 )t] Cp 1 k1 k 2
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑
而且
CP
CQ
k1
k2
（由于两个反应均是一级）
由于产物P是目的产物，希望k1>k2。
图3－3
平行反应组成随时间的变化关系
例. 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 A B P P 2c A kmol /(m3 h) 2 2A Q Q 0.5c A kmol /(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
衡算的基本方程
物料衡算－描述浓度的变化规律
关键组分 关键组分 关键组分 关键组分 输入速率 输出速率 转化速率 累积速率
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2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻 算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时 间。(主要用于连续流动反应器)。
３.平均停留时间
流体微元平均经历的时间称为平均停留时间 。
４.空时：是反应器的有效体积Vr与进料的体积流 量Q0之比。物理意义是处理一个反应器 体积的物料所需要的时间。
Vr
Q0 5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以
[例3.1]在等温间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应
CH3COOH C2H5OH
k1 k2
CH3COOC2H5 H2O
A
B
R
S
每天生产乙二醇12000kg。原料中反应组分的质
量比A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3,反应
温度为100℃，反应速率方程为 rA=k1(CACB-CRCS/K) 在100℃ k1=4.76×10-4K/(mol·min)，K=2.92。要求乙
处理多少个反应器体积的物料
SV
1
3.2等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
一、.间歇釜式反应器的特点
1.反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连
续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。
CA
CA0
时间
C ┆ ┆ Aout┄┄┄┄┄┄┄┄ ┄┄┄┄┄┄ ┄┄
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
Hale Waihona Puke 0dtdt
(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
(2).目标函数为单位生产量的总费用AT
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。
第三章 釜式反应器
主要讲釜式反应器的设计原理 要求掌握的内容：
1.间歇反应器的设计计算方法 2.全混流反应器的设计计算方法
釜式反应器
用夹套和内设管束换热的釜式反应器
3.1、反应器操作中的几个术语
1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实 际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时 所需的时间。(主要用于间歇反应器)
xA 0
dxA 2.61 5.15xA 0.6575xA2
118.8 min
7.反应器有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)=4.155×(118.8/60+1)=12.38m3
8.反应器实际体积
V Vr = 12.38 =16.51m3 f 0.75
3.2.2 最优反应时间
（1）目标函数为反应器的平均生产速率FR kmol/h
h
原料处理量
Q0
16.23 60 (1 1020
2 1.35)
4.155m 3
/
h
3.计算原料液中各组分的起始浓度
16.23 CA0 4.155 3.908mol / L
3.908 60 2
CB0
46
10.2mol / L
3.908 60 2
CS0
18
17.59mol / L
4.各组分瞬间浓度与转化率之间的关系：
酸转化率达到35％。
(1)若辅助时间为1h，试计算反应器的有效体积。
(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解： 1.计算各组分的分子量 MA=60 MB=46 MR=88 MS=18
2.计算乙酸处理量及原料处理量
乙酸处理量
FA0
12000 88 24 0.35
16.23kmol
/
CA CA0 1 xA
CR CA0 xA
CB CB0 CA0 xA CS CS0 CA0 xA
5.反应速率方程
rA k1 CACB CRCS / K
72.70103 2.61 5.15xA 0.6575 xA2
6.计算反应时间
t CA0
xA dxA 3.908 0 rA 72.70103
┆
┆
tout/2
tout
t
CA
CA0┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄t=0
图3.1-1带有搅拌器的釜式反应器
﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout/2
CAout﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout 0 空间位置
二、反应时间及反应体积的计算
1.反应时间
对于反应 A B R
根据间歇反应器的特点对整个反应器作组分 A的物料衡算
恒容时：
t CA0
xA dxA 0 rA
等温间歇釜式反应器的反应过程可视为等容 过程，对于一级不可逆反应：
rA kCA kCA0 1 xA
t CA0
xA dxA 0 rA
xA dxA 0 k 1 xA
11 ln
k 1 xA
在等温间歇釜式反应器中进行α级不可逆反应
rA
kC
组分A的 流入量
=
组分A的 流出量
+
组分A的 反应量
+
反应器内组 分A的积累量
0
0
dnA
(R A )Vr
dt
(R A )Vr
dnA dt
0
nA nA0 1 xA
(R A ) rA
rAVr
nA0
dxA dt
0
t nA0
xA dxA 0 rAVr
间歇反应器的设计基础式
无论是等温或变温、等容或变容上式均成立。 对于非等温过程，上式应与热平衡方程联立求解。
优反应时间。
图解法
①.用速率式计算出t～xA的关系 ②.由产品与xA的关系计算CR～t关系 ③.作CR～t图
④.作 OA t0 A(t0 ,0)
⑤.自A(-t0，0)做CR～t曲线 的切线，切点为M，斜
CR
M
N
率 MD/AD=dCR/dt ⑥.M点的横座标为最优
A 0D
t
反应时间
图3.2 平均生产速率最大图解法示意图
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
３.平均停留时间
流体微元平均经历的时间称为平均停留时间 。
４.空时：是反应器的有效体积Vr与进料的体积流 量Q0之比。物理意义是处理一个反应器 体积的物料所需要的时间。
Vr
Q0 5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以
[例3.1]在等温间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应
CH3COOH C2H5OH
k1 k2
CH3COOC2H5 H2O
A
B
R
S
每天生产乙二醇12000kg。原料中反应组分的质
量比A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3,反应
温度为100℃，反应速率方程为 rA=k1(CACB-CRCS/K) 在100℃ k1=4.76×10-4K/(mol·min)，K=2.92。要求乙
处理多少个反应器体积的物料
SV
1
3.2等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
一、.间歇釜式反应器的特点
1.反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连
续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。
CA
CA0
时间
C ┆ ┆ Aout┄┄┄┄┄┄┄┄ ┄┄┄┄┄┄ ┄┄
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
Hale Waihona Puke 0dtdt
(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
(2).目标函数为单位生产量的总费用AT
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。
第三章 釜式反应器
主要讲釜式反应器的设计原理 要求掌握的内容：
1.间歇反应器的设计计算方法 2.全混流反应器的设计计算方法
釜式反应器
用夹套和内设管束换热的釜式反应器
3.1、反应器操作中的几个术语
1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实 际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时 所需的时间。(主要用于间歇反应器)
xA 0
dxA 2.61 5.15xA 0.6575xA2
118.8 min
7.反应器有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)=4.155×(118.8/60+1)=12.38m3
8.反应器实际体积
V Vr = 12.38 =16.51m3 f 0.75
3.2.2 最优反应时间
（1）目标函数为反应器的平均生产速率FR kmol/h
h
原料处理量
Q0
16.23 60 (1 1020
2 1.35)
4.155m 3
/
h
3.计算原料液中各组分的起始浓度
16.23 CA0 4.155 3.908mol / L
3.908 60 2
CB0
46
10.2mol / L
3.908 60 2
CS0
18
17.59mol / L
4.各组分瞬间浓度与转化率之间的关系：
酸转化率达到35％。
(1)若辅助时间为1h，试计算反应器的有效体积。
(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解： 1.计算各组分的分子量 MA=60 MB=46 MR=88 MS=18
2.计算乙酸处理量及原料处理量
乙酸处理量
FA0
12000 88 24 0.35
16.23kmol
/
CA CA0 1 xA
CR CA0 xA
CB CB0 CA0 xA CS CS0 CA0 xA
5.反应速率方程
rA k1 CACB CRCS / K
72.70103 2.61 5.15xA 0.6575 xA2
6.计算反应时间
t CA0
xA dxA 3.908 0 rA 72.70103
┆
┆
tout/2
tout
t
CA
CA0┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄t=0
图3.1-1带有搅拌器的釜式反应器
﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout/2
CAout﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout 0 空间位置
二、反应时间及反应体积的计算
1.反应时间
对于反应 A B R
根据间歇反应器的特点对整个反应器作组分 A的物料衡算
恒容时：
t CA0
xA dxA 0 rA
等温间歇釜式反应器的反应过程可视为等容 过程，对于一级不可逆反应：
rA kCA kCA0 1 xA
t CA0
xA dxA 0 rA
xA dxA 0 k 1 xA
11 ln
k 1 xA
在等温间歇釜式反应器中进行α级不可逆反应
rA
kC
组分A的 流入量
=
组分A的 流出量
+
组分A的 反应量
+
反应器内组 分A的积累量
0
0
dnA
(R A )Vr
dt
(R A )Vr
dnA dt
0
nA nA0 1 xA
(R A ) rA
rAVr
nA0
dxA dt
0
t nA0
xA dxA 0 rAVr
间歇反应器的设计基础式
无论是等温或变温、等容或变容上式均成立。 对于非等温过程，上式应与热平衡方程联立求解。
优反应时间。
图解法
①.用速率式计算出t～xA的关系 ②.由产品与xA的关系计算CR～t关系 ③.作CR～t图
④.作 OA t0 A(t0 ,0)
⑤.自A(-t0，0)做CR～t曲线 的切线，切点为M，斜
CR
M
N
率 MD/AD=dCR/dt ⑥.M点的横座标为最优
A 0D
t
反应时间
图3.2 平均生产速率最大图解法示意图
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