化学反应工程第3章 釜式反应器
化学反应工程 第三章习题答案
3-1 在反应体积为31m 的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.981-h，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/3m ，环氧丙烷的最终转化率为90%。
若辅助时间为0.65h ，一天24h 连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？ 解 32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H( A ) ( B ) 一级反应h x k C C k t Af Af A 35.29.011ln 98.0111ln 1ln 10=-=-==h m h m t t V v /31)65.035.2(13300=+=+=丙二醇日产量=Af A x C v 0024=天/12.159.01.23124kmol =⨯⨯⨯kmol k /g 76M B=丙二醇日产量天/kg 2.111492.11576Q =⨯= 3-2一个含有A 和B 液体)/0.04molc /10.0c (B00L L mol A ==、 以体积流量2L/min 流入容积V R =10L 的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A →2B+C 。
已知由反应器流出的物料中含有A 、B 和C ，L mol c Af /04.0=。
试求：在反应器内条件下，A 、B 和C 的反应速率？解 空时min 5min/2100===L Lv V R τmin5/)04.01.0(00L mol C C r r C C AfA Af AfAfA -=-==-ττmin /012.0∙=L molmin)/(024.02∙==L mol r r Af Bfmin)/(012.0∙==L mol r r Af Cf3-3 一个液相反应： A+B →R+S其中，min)/(71∙=mol L k ，min)/(32∙=mol L k 。
化学反应工程第三章答案
3 釜式反应器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l ，反应速率常数等于。
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 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。
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。
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，要求转化率达到95%。
（1） （1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积； （2） （2）若装填系数取，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,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= 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 lf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
化学反应工程第三章包括答案.docx
3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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 l ，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到 95%。
试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(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。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3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。
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，要求转化率达到 95%。
（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：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。
反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。
不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
化学反应工程第三章答案
3 釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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l，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）(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。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO水溶液及30%（重3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。
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，要求转化率达到95%。
（1）（1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（2）若装填系数取，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,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：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。
反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用的NaOH溶液滴定，以确定500kg/h，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：于是可求出A的平衡转化率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当CA=×l时，所对应的反应时间为48min。
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。
化学反应工程第三章习题答案
化学反应⼯程第三章习题答案1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。
2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，⽽管径⼩，管⼦较长和流速较⼤的管式反应按 _平推流 _反应器处理。
3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速 _之⽐。
4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。
5.如果将平推流反应器出⼝的产物部分的返回到⼊⼝处与原始物料混合，这类反应器为_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时为___平推流__反应器，⽽当β→∞时则相当于_全混流___反应器。
7. 对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时反应器内返混为_零_，⽽当β→∞时则反应器内返混为_∞_。
8.对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选⽤_全混流__反应器为宜。
9.对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选⽤_平推流__反应器为宜。
10.分批式操作的完全混合反应器⾮⽣产性时间0t不包括下列哪⼀项___B____。
A. 加料时间B. 反应时间C. 物料冷却时间D. 清洗釜所⽤时间11.在间歇反应器中进⾏等温⼆级反应 A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__D_____秒。
A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进⾏等温⼀级反应 A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.0，当lmol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__B_____秒。
A. 400B. 460C. 500D. 560 13.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之⽐为__A__。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间t 14.⼀级不可逆液相反/30.2mkmol CA =，出⼝转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的⽣产能⼒为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为__C__3m 。
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
化学反应工程王承学课后答案第三章
2A→R
rR 0.5cA[kmol / m3 h]
cA0 cB0 2kmol / m3
试计算反应 2h 时 A 的转化率和产物 P 的收率？
解 A+R→P（目的） rp 2cA
2A→R
rR 0.5cA
rA 2rR rp 3cA ， k 3h1
xAf
1 1 0.143
k 1 3 2 1
xA1 0.725
1
x A1 kcA0 (1 xA1)2
0.483ks
VRi v0i 0.278 0.483 0.134
VR 2VRi 2 0.134 0.268m3
因此，采用两个等体积釜相串联，反应器的总体积减小近 3 倍。
3-5 在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应：
A+R→P（目的） rp 2cA[kmol /(m3 h)]
Sp
rp rA
2 3
Yp
S p xA
2 3
0.143
9.52%
3-6 图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器， A 0 ，A 初始浓度为
2mol/L，要求转化率为 80%， rA 3cAmol / L min ，求每釜的空时 i
和总反应空时。 解 图解法公式
rAi
1
i
cAi1
1
i
cAi ，
10L 2L / min
5min
CA0 CAf
rAf
rAf
CA0 CAf
(0.1 0.04)mol / L 5 min
0.012mol / L min
rBf 2rAf 0.024mol /(L min) rCf rAf 0.012mol /(L min)
3-3 一个液相反应：
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。
釜式反应器的物料衡算方程
选择合适的反应器类型 确定最佳操作条件 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积最 终的目标是经济效益最大
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
三章导学
具体内容
(1)等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） (2)等温间歇釜式反应器的计算（复合反应） (3)全混流反应器的设计 (4) 全混流反应器的串联与并联 (5)釜式反应器中复合反应的收率与选择性 (6)变温间歇釜式反应器的计算 (7)全混流反应器的定态操作与分析
三章导学
釜式反应器 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。
化学反应工程chemicalreactionengineering西南科技大学西南科技大学第三章釜式反应器第一节釜式反应器的物料衡算方程第二节等温间歇釜式反应器的计算单一反应第三节等温间歇釜式反应的计算复合反应第四节连续釜式反应器的反应体积第五节连续釜式反应器的串联与并联第六节釜式反应器中复合反应的收率和选择性第七节变温间歇釜式反应器第八节连续釜式反应器的定态操作三章导学化学反应工程chemicalreactionengineering西南科技大学西南科技大学等温间歇釜式反应器的计算连续釜式反应器的计算
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-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。
釜式反应器
dc P =0 dt
对Q： k 2 c A + ：
dcQ dt
=0
系统中只进行两个独立反应，因此， 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。 二式是独立的。
等温 BR 的计算
组分 A P Q 反应 时间 浓度
c A = c A0 e[ ( k1 + k 2 )t ]
k1c A 0 cp = 1 e [ ( k1 + k 2 ) t ] k1 + k 2
t = ∫
cA
c A0
dc A n kc A
二者相同。这说明，在充分混合的间歇 二者相同。这说明， 反应器中， 反应器中，反应是依照它的动力学特征 进行的。进动过程对反应没有影响。 进行的。进动过程对反应没有影响。
等温 BR 的Vr计算
1.反应体积
Vr = Q0 (t + t0 )
操 作 时 。 间
dn A ( rA )V 'R － 0 = dt dx A ( rA )V 'R = n A0 dn A = n A 0 dx A dt dx A ( rA )V ' R
∫
t
0
dt = n A 0 ∫
xA
0
恒容条件下（多数情况），上式可以简化成： 恒容条件下（多数情况），上式可以简化成： ），上式可以简化成
设 t = 0 时， c A = c A 0， c P = 0， c Q = 0
等温 BR 的计算
dc P =0 令： dt
得：
t opt
n ( k1 / k 2 ) = k1 k 2
连续釜式反应器的反应体积
全混进反应器－－连续搅拌槽式反应器(CSTR 全混进反应器－－连续搅拌槽式反应器(CSTR －－连续搅拌槽式反应器 －Continuous Stirred Tank Reactor) 特性：物料在反应器内充分返混，达到极大 特性：物料在反应器内充分返混， 程度，以至于反应器内各处物料参数均一； 程度，以至于反应器内各处物料参数均一； 反应器的出口组成与反应器内物料的组成相 连续、稳定进动，在定常态下操作。 同；连续、稳定进动，在定常态下操作。
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℃。
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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
化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器
（第三章）
13
rA kcAn
rA
kcAn
k
N
n A
Vn
k
N
n A0
1 Vn
xA
n
t
1
kN
n1 A0
V xA n1
0
dxA 1 xA
n
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
14
恒容间歇反应器
V n1
t
kN
n1 A0
xA 0
dxA 1 xA n
t
1 kcAn01
xA 0
dN P dt
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
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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
间歇反应的反应时间
dxA
dNA N A0
t xA N A0 dxA 0 V rA
rA
kc
n A
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
●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。
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
4
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，
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
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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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物料衡算式： 能量衡算式：
动量衡算式：
t 与cA0无关
a
t 与cA0有关
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2. 反应体积的计算
化学反应工程
1. 反应体积
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一 操
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。 经验给定
时 间
2. 反应器的体积
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本章内容
化学反应工程
➢ 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） ➢ 等温间歇釜式反应器的计算（复合反应） ➢ 全混流反应器的设计 ➢ 全混流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 ➢ 半间歇釜式反应器 ➢ 变温间歇釜式反应器的计算 ➢ 全混流反应器的定态操作与分析
✓ 操作时间=反应时间+辅助时间(装+卸+清洗)，
每批操作时间由计算和经验估计结合得到。
✓ 属于非定态过程。
间歇搅拌釜示意图
间歇反应器的优点是操作灵活，易于适应不同操作条件和不同产品
品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产， 特别是精细
化工与生物化工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、 卸料等辅助操
化学反应工程
解酸需：用首量先为计：算原料处理量Q0。根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙
式中88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料液中乙酸:乙醇:水 = 1:2:1.35， 所以1+2+1.35=4.35kg原料液中含1kg乙酸，由此可求单位时间的原料液量为:
60为乙酸的相对分子质量。原料液起始组成如下:
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化学反应工程
要求
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。 •连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。
操作时间为1h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下：
1转00化℃3时5%，时k所1=4需.7的6×反10应-4 L体/(积mo。l·根mi据n)反，应平物衡料常的数特K=性2，.92若。反试应计器算填乙充酸系 数取0.75，则反应器的实际体积是多少？
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返回例137.4
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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
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化学反应工程
釜式反应器的物料衡算通式
在dt 时间间隔内对整个反应器 做关键组分 i 的物料衡算：
其中：
对反应物为负 对产物为正
图3.1 釜式反应器示意图
定态操作： Q0ci0 Qci RiVr
间歇操作：
RiVr
dni dt
0
a
i 1, 2,1.0..,K
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注意
化学反应工程
1. 首先要选择控制体 如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整
个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态， 反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能 选择微元体积作为控制体。
乙醇及水的相对分子质量分别为 46 和 18，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 :
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。
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化学反应工程
第一节 釜式反应器的衡算方程
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化学反应工程
反应器设计的基本内容
➢ 选择合适的反应器类型 ➢ 确定最佳操作条件 ➢ 计算完成规定的生产任务所需的反应器体
适用于任何间歇反应过程
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等温 BR 反应时间的计算
化学反应工程
一级不可逆反应 非一级不可逆反应
反应时间
(3.12)
(3.11)
相同 区别
达到一定转化率所需的反应时间与反应 器大小无关，只取决于动力学因素。
温度越高，速率常数k 越大，则达到相 同转化率所需的反应时间 t 越短。
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化学反应工程
例3.1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg， 其化学反应式为：
（A）
（B）
（A （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
1020 kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助
2. 对于复杂反应，方程数大大增多
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化学反应工程
第二节 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
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间歇釜式反应器 (BR)
特点：
化学反应工程
✓ 反应器内各处浓度相等，各处温度相等，排除
了传质和传热的影响。
✓ 分批装、卸。 所有物料具有相同的反应时间。
第三章 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。
作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。
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化学反应工程
一、 反应时间和反应体积的计算
1. 反应时间的计算
如 ：ABR (A为关键组分)
对非稳态操作，反应时间内：
物料衡算通式变形为：
由于
（总是成立的）
RiVr
dni dt
0
间歇釜式反应器物料衡算式
单一反应
恒容反应
(3.7)