理想反应器的设计

1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
参数选定依据
聚合物的生产速度：WD=9000000/7200=1250kg/h 反应物的流量：W=1250/0.795=1572.3kg/h 稀释剂的流量：WS=1572.3*0.12=188.679kg/h CAO=W/P=1572.3/880=1.79kmol/L 假设该反应是二级反应： Ʈ=1/K*XA/CA0（1-XA）=0.795/0.0917=8.67h 总时间=8.67+1=9.67h 有效体积：VR=Ʈ*W=9.67*1572.3=15203.4=15.2M3 实际体积：V=15.2/0.8=19M3
79.5% 代入公式计算得：VR1=2.2M3 VR2=2.9M3 VR3=2.2M3 VR4=16.3M3 反应器总的有效体积为2.2+2.9+ 2.2+16.3=23.6m3
总结
从反应器的容积角度来说明：
为完成一定生产任务达到一定的最终转化率
时所需的反应器体积以平推流最小，以单级 理想混合反应器为最大。 当转化率越高，理想混合反应器比平推流反 应器体积增大的倍数越多 这说明，转化率越高时，使用平推流反应器 越有利。
计算过程
生产时间=XA/k*(1-XA)=0.795/0.051=15.6h
有效体积=15.6*1572.3=24509=24.5m3 实际体积=24.5/0.8=30.7m3
平推流反应器
物料衡算式：
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，
1 dN P rP V dt
对于n=1级反应
百度文库
对于n≠1级反应
间歇反应器的体积计算
生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料
量 ，根据每批操作所需要的时间可以算出反 应器的体积。其中每批操作所需要的时间包括 两部分，一是物料的反应时间t，另外还有反 应以外的加料、生温、冷却、卸料、清洗等时 间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V计算 公式为：
V vT t t
求得反应器的体积V后，根据
实际反应过程的装料系数，可 以求得反应器实际体积
VT V
例题
例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二 酸与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产 醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：
rA=kCACB 式中： rA----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 cA0、cB0均为0.004 kmol.L-1
0 rAVt
t

t
NA
t t
N A
NA
t t
N A
0 0 rAVt
N A t t N A t rAV t
当t趋于0时
dN A rAV dt
1 dN A rA V dt
定义产物P组分的生成速率：rP 反应速率为单 位时间单位体积生成P的摩尔量
物料衡算方程：A组分累积量=A组分流入量-A组分
流出量-A组分反应消耗量
反应器 间歇式 反应单元 带入 量 整个反应器 0 带出 量 0 √ √ √ 反应 量 √ √ √ √ 累积量 √ 0 0 √
全混釜（稳 整个反应器 √ 态） √ 平推流（稳 微元长度 态） √ 非稳态
理想反应器的三种基本形式 ●搅拌釜式反应器 ●平推流流反应器 ●多级串联理想混合反应器 本章内容 ●掌握工业反应器设计和开发计算中所为 基本原理 ●以反应动力学为基础，根据反应的特点 和反应器的性能，确定化学反应器的形式 和最佳操作条件 ●完成生产任务所必需的反应器体积及生 产能力
反应器内，物料 的浓度和温度处
图像
C
A
time
CA,in
处相等，且等于 反应器流出物料 的浓度和温度。
CA, out
0
CA CA,O
t
position
CA, out
t
x
0
单级连续反应器
加入反应物A的速度=引出反应物A
的速度+由于反应而消耗的反应物A 的速度
V0CA0 V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR
理想反应器特性 ●理想混合反应器特性 返混无穷大，完全混合，混合瞬间完 成，器内物料具有完全相同的温度和 浓度，且等于反应器出口的温度和浓 度。 如：搅拌良好的釜式反应器。 ●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
多级串联理想混合釜式反应器
多级串联理想反应器
此类反应器的设计方法，是以每级反应釜内
为理想混合，级际无反混为基础的，在多级 串联混合釜式反应器的操作中，前一釜的出 口物料就是后釜的进口物料，因此，前一釜 的出口物料组成就是后一釜的进口物料组成， 多级串联分开来看，每一釜可以看作是单级 理想混合连续过程。
理想反应器的设计
概述
化学反应器是化工生产中的关键设备，反应
器的类型很多，在不同类型的反映器中，能 量与物质的传递特性有很大差异，因此反应 器的类型对产品的质量及整个工艺过程的经 济性都起着决定性的作用。 反应器的选型就是要根据给定反应体系的动 力学特性，选择具有适宜传递特性的反应器 设备 本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反 应器设计的基本理论。
)2 kC A0 (1 xA
聚苯乙烯聚合设备参数
项目要求
年产量/ 9000 吨 生产时间 7200
甲苯/%
聚合率
12
79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
单级连续苯乙烯聚合釜体积设计
单级理想混合连续反应器
单级理想混合反应器广泛应用于液相反
应中,在此类反应器中,器内物料的流动 状态为理想混合型,器内所有物料充分混 合,因而有下述特点:物料的温度、组成 处处相等,并等于产物流的组成和温度， 由于器内物料的反应条件恒定,故器内化 学反应稳定,较易控制产品质量,可以连 续生产
理想混合连续搅拌釜式反应器
三、求解方法 1、解析法 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜 进行计算，直至达到要求的转化率为止。
i
例题讲解。
V VRi
2、图解计算 对非一级反应，必须逐釜计算。 计算比较麻烦：
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i n (rAi ) kC Ai
◇间歇釜式反应器的物料衡算
对整个反应器中A组分 物料进行衡算
单位时间进入 反应器的物料 A的量
0
单位时间流出 单位时间 单位时间内在 反应器的物料 反应掉的 反应器内物料 A的量 物料 A的量 A的累积量
反应器容积 V 进料的体积流量 vT
反应器容积 t 反应器中物料的体积流 量
空速（SV）：是空间速度的简称，
它是空时的倒数。指在规定的条件 下，单位时间内通过单位反应器容 积的物料体积
vT 1 FA,0 SV V c A,0V
空速表明反应器的生产能力，一般说 来，空速越大，反应器的生产能力越 大。
求： 已二酸的转化率分别为xA=0.5、 0.6、0.8所需的反应时间分别为 多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转 化率为80%，每批操作的辅助 时间为1小时，试计算确定反应 器的体积大小。
苯乙烯集合设备设计参数
项目要求
年产量/吨 9000 生产时间 7200
甲苯/% 聚合率
12 79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
间歇釜式反应器的体积设计
1.概念
生产时间：即装料完毕后算起至达到所要求的产品 收率所需时间。
辅助时间：装料，卸料以及清洗所需时间之和。
装料系数（φ）：设备中物料所占体积与设备实际 容积之比。
反应器的有效体积：设备中物料所占的体积
反应器的实际体积：即设备的总体积，实际体积除 以装料系数
P79页：
聚合物的生产速度：
WD=9000000/7200=1250kg/h 反应物的流量：W=1250/0.975=1572.3kg/h 稀释剂的流量： WS=1572.3*0.12=188.679kg/h CAO=W/P=1572.3/880=1.79kmol/L 假设该反应是一级反应：
总结
由间歇釜式反应器的设计方程可知： ○反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于 过程的反应速率，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
间歇釜式反应器的特点：间歇釜式反应器的操
作在反应前全部物料一次投入，因而是完全混合 型，所以釜内各点的物料组成，温度相同，但反 应的浓度随时间而降低，而产物浓度则随时间而 增大，这是一种不稳定操作。
间歇搅拌釜式反应器
本节所要掌握的内容
1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应
用； 2.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
间歇搅拌釜式反应器
无需考虑的反应器内热量传递 非定常态过程，cA、产物随时
间而变，化学反应的结果将唯 一地由化学反应动力学确定， 反应进行的程度决定于反应时 间的长短 排除了物质的传递（搅拌良好） 具有周期性，一个周期包括操 作（反应）时间t，也包括辅 助（非生产性）时间t’ 生产灵活性大
这时，可采用图解法
图解法原理
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i (rAi ) f (C Ai )
-rA
rAi f (C Ai )
C Ai 1
i

C Ai
i
x
f(CA)
y f ( x)
C Ai 1


CA1
CA0
CA
多级串联反应器体积设计
VR CA0 CA CA0 xAf V0 (rA ) f (rA ) f
理想混合反应器
对于一级反应

) kC A0 (1 xA
C A0 x A
C A0 xA

) k (1 xA
xA
xA
对于二级反应

kC A0
2
)2 (1 xA

项目要求
年产量/ 9000 吨 生产时间 7200
甲苯/%
聚合率
12
79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
计算过程
假设是四级串联釜：第一级转化率是：30%
第二级是50%，第三级是60%，第四级是