分离工程第三章 釜式反应器10
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分离工程第三章 釜式反应器-10
3 4 9 浓硫酸H 2 SO4 3 4 9 2
373 K
黄 国 文 制 作
2 当丁醇过量时，反应动力学方程式为 rA kCA 式中 CA 为乙酸浓度， kmolm-3 。已知反应速度常数 k 为 1.04m3kmol-1h-1 ，投料摩尔比为乙酸：丁醇 =1 ： 4.97，反应前后物料的密度为 750kgm-3，乙酸、丁醇 及醋酸丁酯的分子量分别为 60 、 74 和 116 。若每天生 产 3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失 )，乙酸的转 化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数f为 0.7，试计算所需反应器的反应体积和实际体积。
变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
黄 国 文 制 作
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
Q0 :反应器进料的体积流量
Q0
Q
Q :反应器出料的体积流量
ci 0 :反应器进料中关键组分浓度
c i :反应器出料中关键组分浓度
ci 0
ci
Vr
假设
黄 国 文 制 作
Vr :反应体积
温度均一 浓度均一
dX A
2 2 kc A ( 1 X ) 0 A
0
黄 国 文 制 作
XA 1 kc A0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
例3
在搅拌良好的间歇釜式反应器
CH COOH C H OH CH COOC H H O
间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，
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。
373 K
黄 国 文 制 作
2 当丁醇过量时，反应动力学方程式为 rA kCA 式中 CA 为乙酸浓度， kmolm-3 。已知反应速度常数 k 为 1.04m3kmol-1h-1 ，投料摩尔比为乙酸：丁醇 =1 ： 4.97，反应前后物料的密度为 750kgm-3，乙酸、丁醇 及醋酸丁酯的分子量分别为 60 、 74 和 116 。若每天生 产 3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失 )，乙酸的转 化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数f为 0.7，试计算所需反应器的反应体积和实际体积。
变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
黄 国 文 制 作
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
Q0 :反应器进料的体积流量
Q0
Q
Q :反应器出料的体积流量
ci 0 :反应器进料中关键组分浓度
c i :反应器出料中关键组分浓度
ci 0
ci
Vr
假设
黄 国 文 制 作
Vr :反应体积
温度均一 浓度均一
dX A
2 2 kc A ( 1 X ) 0 A
0
黄 国 文 制 作
XA 1 kc A0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
例3
在搅拌良好的间歇釜式反应器
CH COOH C H OH CH COOC H H O
间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，
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。
第三章釜式及均相管式反应器PPT优秀课件
Ø一般在层流状态下操作 Ø液体将沿着螺旋面上升或下降
形成轴向循环流动，
螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合
6.5.2 Measures of improving effects
1.打旋现象及其消除
危害:
ü各层液体之间几乎 不发生轴向混合，
ü当物料为多相体系时， 还会发生分层或分离现象。
ü搅拌效率下降
单个全混流反应器ab同时加入维持a在较低的转化率下进行而后a从出口物料中分离返回反应器平行反应的适宜操作方式98二连串反应连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程许多卤化水解反应都属连串反于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应进料中只有组分a并且各反应组分的化学计量数均相等99相应各组分的反应速率为反应开始时a的浓度为ca0m00积分代入式2可得此式为一阶线性常微分方程其解为则100组分a的浓度单调下降副产物m的浓度单调上升而主产物l的浓度先升后降其间存在最大值
Features and Applications:
(a) 平桨
切向和径向运动
可用于简单的 固液悬浮
(b) 斜桨
桨叶可分成24°、45° 或60°倾角 轴向和径向运动
单层桨式的缺点：轴向流动范围小
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(c) Majority Inclined
在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 mcBo/cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 c B c B 0 ( c A 0 c A ) c A ( m 1 ) c A 0 代入动力学方程
只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度 cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最 基本、最直接的方法是数值积分或图解法。
形成轴向循环流动，
螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合
6.5.2 Measures of improving effects
1.打旋现象及其消除
危害:
ü各层液体之间几乎 不发生轴向混合，
ü当物料为多相体系时， 还会发生分层或分离现象。
ü搅拌效率下降
单个全混流反应器ab同时加入维持a在较低的转化率下进行而后a从出口物料中分离返回反应器平行反应的适宜操作方式98二连串反应连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程许多卤化水解反应都属连串反于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应进料中只有组分a并且各反应组分的化学计量数均相等99相应各组分的反应速率为反应开始时a的浓度为ca0m00积分代入式2可得此式为一阶线性常微分方程其解为则100组分a的浓度单调下降副产物m的浓度单调上升而主产物l的浓度先升后降其间存在最大值
Features and Applications:
(a) 平桨
切向和径向运动
可用于简单的 固液悬浮
(b) 斜桨
桨叶可分成24°、45° 或60°倾角 轴向和径向运动
单层桨式的缺点：轴向流动范围小
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(c) Majority Inclined
在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 mcBo/cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 c B c B 0 ( c A 0 c A ) c A ( m 1 ) c A 0 代入动力学方程
只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度 cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最 基本、最直接的方法是数值积分或图解法。
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
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。
反应工程第三章釜式及均相管式反应器
f
xAf (rA ) f
1/rAf
B
VRP
V0cA0
xAf 0
dxA (rA )V
dx xAf
A
0 (rA )V
A
D
1/rA对xA作图，即曲线AB。
O
xA
xAf
xAf
VRM
VRP
(rA ) f
dx xAf
A
0 (rA )V
＝
矩形OCBD的面积 曲线下边OABD的面积
[OCBD] [OABD]
S fP
cAf cA0
SdcA
/(cA0
cAf
)
对于全混流反应器
S fm S rLf /(rLf rMf ) cLf /(cA0 cAf )
总选择率定义为 S f cLf /(cA0 cAf )
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(1) 选择率的温度效应
L (主反应，n1级，活化能为E1)
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【例题】 CSTR的操作特点。某二级液相反应 A B C ，
已知cA0=cB0，在间歇反应器中达到x=0.99，需反应时间10min。
问：(1) 在全混流反应器中进行时， m 应为多少？(2) 在两个串
联全混流反应器中进行时， m 又为多少？
解：n=2，间歇反应器中
可采用循环操作将未反应的物料从反应产物中分离出来，返 回到反应系统中。
对反应级数越高以及反应过程中增加越多的反应，返混的影 响越严重，两者的体积差别越大。
上一页 下一页 返 回
多级全混釜串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使全 混流反应器所需的体积与平推流反应器所需的体积的差别减 小。
釜式反应器--化工ppt课件
的概念
5
3.1 概述
※反应的特点及其对反应器的要求
化学反应复杂 反应物料的相态多样性：如固相反应就
难于在搅拌反应器中进行连续操作；非 均相反应要求传质效果要好。
许多反应过程的热效应大 工艺条件变化范围宽 反应介质的腐蚀性
6
3.1 概述
※反应器开发的三个任务 根据反应动力学特性，选择合适的反应
器形式 结合动力学和反应器特性，确定操作方
式和优化操作条件 根据产量，设计反应装置，确定反应器
的几何尺寸，并进行评价。
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。
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
反应器
间歇反应器BR 完全混合型
反应器
全混流反应器
活塞流反应器
CSTR
PFR
9
完全混合反应器的定义 是指器内反应流体处于完全混
合状态，在反应器内的混合是瞬间 完成的，以致在整个反应器内各处 物料的浓度和温度完全相同。且等 于反应器出口处物料浓度和温度， 返混达最大限度。
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。
29
图3-3 平行反应组成随时间的变化关系 30
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而
且
。
CP k1 CQ k2
由于两个反应均是一级，而且反应方程形 式完全相同，否则不成立，如例题3.2，由 于产物P是目的产物，希望k1>k2。
例题3.2—P62~63，自学。
5
3.1 概述
※反应的特点及其对反应器的要求
化学反应复杂 反应物料的相态多样性：如固相反应就
难于在搅拌反应器中进行连续操作；非 均相反应要求传质效果要好。
许多反应过程的热效应大 工艺条件变化范围宽 反应介质的腐蚀性
6
3.1 概述
※反应器开发的三个任务 根据反应动力学特性，选择合适的反应
器形式 结合动力学和反应器特性，确定操作方
式和优化操作条件 根据产量，设计反应装置，确定反应器
的几何尺寸，并进行评价。
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。
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
反应器
间歇反应器BR 完全混合型
反应器
全混流反应器
活塞流反应器
CSTR
PFR
9
完全混合反应器的定义 是指器内反应流体处于完全混
合状态，在反应器内的混合是瞬间 完成的，以致在整个反应器内各处 物料的浓度和温度完全相同。且等 于反应器出口处物料浓度和温度， 返混达最大限度。
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。
29
图3-3 平行反应组成随时间的变化关系 30
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而
且
。
CP k1 CQ k2
由于两个反应均是一级，而且反应方程形 式完全相同，否则不成立，如例题3.2，由 于产物P是目的产物，希望k1>k2。
例题3.2—P62~63，自学。
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
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
反应工程第三章
1 平行反应
A→ P A→Q
对A 对P 对Q
rP = k1c A
rQ = k 2 c A
dn i (− ℜ i )V r + =0 dt
dn A Vr (k1 + k 2 )c A + =0 dt dnP − Vr k1c A + =0 dt dnQ − Vr k 2 c A + =0 dt
16
恒容
设计优化 1. 对于单一反应，要考虑 对于单一反应， 最佳操作时间（空时） 最佳操作时间（空时） 问题，串并连问题。 问题，串并连问题。 对于复合反应， 2. 对于复合反应，要考虑 产物的收率和关键组分 的选择性的问题。 的选择性的问题。 3
3.1 釜式反应器的物料衡算
Q0 : 反应器进口物料体积流量
c A = 2.482 ×10 −3 kmol/m3
dc A 1 = −1 − c A dcP 2
cP
XA =
C A0 − C A = 99.88% C A0
YP = 69.19%
∫
0
dc A dc P = − ∫ 22 c A0 1 + c A 2
cA
2.连串反应 2.连串反应
A → P → Q
dc A ） (k1 + k 2 )c A + dt = 0 （3-24） dcP =0 （3-25） ） − k1c A + dt dcQ =0 − k 2 c A + （3-26） ） dt
初始 条件
c A = c A0 cP = 0 cQ = 0
t dc A ∫cA0 c A = −∫0 (k1 + k2 )dt cA
cQ = c A0 − c A − cP
A→ P A→Q
对A 对P 对Q
rP = k1c A
rQ = k 2 c A
dn i (− ℜ i )V r + =0 dt
dn A Vr (k1 + k 2 )c A + =0 dt dnP − Vr k1c A + =0 dt dnQ − Vr k 2 c A + =0 dt
16
恒容
设计优化 1. 对于单一反应，要考虑 对于单一反应， 最佳操作时间（空时） 最佳操作时间（空时） 问题，串并连问题。 问题，串并连问题。 对于复合反应， 2. 对于复合反应，要考虑 产物的收率和关键组分 的选择性的问题。 的选择性的问题。 3
3.1 釜式反应器的物料衡算
Q0 : 反应器进口物料体积流量
c A = 2.482 ×10 −3 kmol/m3
dc A 1 = −1 − c A dcP 2
cP
XA =
C A0 − C A = 99.88% C A0
YP = 69.19%
∫
0
dc A dc P = − ∫ 22 c A0 1 + c A 2
cA
2.连串反应 2.连串反应
A → P → Q
dc A ） (k1 + k 2 )c A + dt = 0 （3-24） dcP =0 （3-25） ） − k1c A + dt dcQ =0 − k 2 c A + （3-26） ） dt
初始 条件
c A = c A0 cP = 0 cQ = 0
t dc A ∫cA0 c A = −∫0 (k1 + k2 )dt cA
cQ = c A0 − c A − cP
化学反应工程_第三章__釜式及均相管式反应器
A0 Ae c Ae A0 Ae
dc A kc c A c B kc c L c M dt
kc t
Kc 2c A0
ln
x Ae (2 x Ae 1) x A x Ae x A
dc A 2 kc c A kc c L c M dt dc 2 A kc c A c B kc c L dt
2 c
ln
{[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [2(c A c A0 ) K c ]2 K c2 4c A0 K c ( K c K c2 4c A 0 K c )2 ( K c )2 K c2 4c A0 K c {[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [4(c A c A0 )2 4c A K c ] ( K c K c2 4c A0 K c )2 4c A0 K c
第三章 釜式及均相管式反应器
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
连续流动釜式反应器
理想流动反应器的组合和比较 多重反应的选择率 半间歇釜式反应器 釜式反应器中进行的多相反应
第三章
釜式及均相管式反应器
结构特征 ① 特征 浓度特征 时间特征 ② 数学模型
第三章釜式及均相管式反应器主要内容第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应数学模型优化结构特征浓度特征时间特征优化组合转化率高选择性强设计计算1理想流动釜式反应器串联及优化2理想流动釜式反应器热稳定性分析第三章釜式及均相管式反应器典型搅拌釜式反应器的结构第一节间歇釜式反应器电动机减速箱疏水阀桨叶搅拌轴测温管固体进料液体进料一釜式反应器的特征搅拌均匀浓度均一分子尺度
dc A kc c A c B kc c L c M dt
kc t
Kc 2c A0
ln
x Ae (2 x Ae 1) x A x Ae x A
dc A 2 kc c A kc c L c M dt dc 2 A kc c A c B kc c L dt
2 c
ln
{[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [2(c A c A0 ) K c ]2 K c2 4c A0 K c ( K c K c2 4c A 0 K c )2 ( K c )2 K c2 4c A0 K c {[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [4(c A c A0 )2 4c A K c ] ( K c K c2 4c A0 K c )2 4c A0 K c
第三章 釜式及均相管式反应器
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
连续流动釜式反应器
理想流动反应器的组合和比较 多重反应的选择率 半间歇釜式反应器 釜式反应器中进行的多相反应
第三章
釜式及均相管式反应器
结构特征 ① 特征 浓度特征 时间特征 ② 数学模型
第三章釜式及均相管式反应器主要内容第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应数学模型优化结构特征浓度特征时间特征优化组合转化率高选择性强设计计算1理想流动釜式反应器串联及优化2理想流动釜式反应器热稳定性分析第三章釜式及均相管式反应器典型搅拌釜式反应器的结构第一节间歇釜式反应器电动机减速箱疏水阀桨叶搅拌轴测温管固体进料液体进料一釜式反应器的特征搅拌均匀浓度均一分子尺度
《釜式反应器》课件
ABCD
严格控制温度和压力
按照工艺要求，严格控制釜式反应器的温度和压 力，防止超温超压运行。
定期维护保养
对釜式反应器及其附件进行定期检查、保养，确 保设备正常运行。
釜式反应器的安全防护措施
防爆装置
在釜式反应器上安装防爆装置，以防止因超温超压引发的爆炸事故。
安全阀
设置安全阀，在压力过高时自动开启泄压，保护釜式反应器和操作人 员的安全。
材料应具备足够的机械 强度，能够承受操作过
程中的压力和振动。
经济性
在满足工艺要求的前提 下，应尽量选择价格低
廉、易采购的材料。
釜式反应器的尺寸与容量设计
01
根据工艺要求确定反应 器的容量和尺寸，确保 足够的反应空间和混合 效果。
02
考虑物料在反应器内的 停留时间，确保物料能 够充分反应。
03
根据反应速度和传热要 求，合理设计反应器的 结构，如搅拌装置、挡 板等。
02 釜式反应器的工作原理
釜式反应器的结构组成
釜体是反应器的主体，用于 容纳反应物料，并承受反应
压力和温度。
釜式反应器主要由釜体、搅 拌装置、加热/冷却系统、密
封装置等组成。
01
02
03
搅拌装置用于使反应物料混 合均匀，促进传热和传质过
程。
加热/冷却系统用于控制反应 温度，保证反应在适宜的温
度下进行。
釜式反应器的故障诊断与处理
故障诊断
当釜式反应器出现异常时，需要 及时诊断故障原因，分析故障类 型，以便采取有效措施进行处理 。
故障处理
针对不同类型的故障，采取相应 的处理措施，如更换损坏部件、 调整工艺参数、清洗设备等，尽 快恢复设备的正常运行。
《釜式反应器》课件
进出料管道设计
根据工艺流程和物料特性，设计合理的进出料管 道，以保证物料流动顺畅、减少阻力损失。
其他辅助设备
阀门与管道
根据工艺流程和操作要求，选择合适的阀门与管道，以满足物料的 输送、控制和安全要求。
测量仪表
根据工艺要求和物料特性，选择合适的测量仪表，如温度计、压力 表、流量计等，以实时监测和控制工艺参数。
根据工艺要求和物料特性 ，选择合适的釜体材质， 如不锈钢、碳钢等。
釜体形状设计
根据工艺流程和操作要求 ，设计合理的釜体形状， 以满足物料混合、反应等 需求。
釜体尺寸确定
根据生产规模、物料量和 操作条件，确定合适的釜 体尺寸，以保证反应效率 和经济性。
搅拌装置
1 2
搅拌器类型选择
根据物料的性质和反应要求，选择合适的搅拌器 类型，如推进式、涡轮式、锚式等。
反应动力学原理
总结词
描述反应动力学原理
VS
详细描述
反应动力学原理是研究化学反应速率变化 规律的科学。在釜式反应器中，反应动力 学原理用于分析反应速率与反应条件（如 温度、压力、浓度等）之间的关系，为优 化反应条件、提高反应效率提供理论依据 。
03
釜式反应器的结构与设计
釜体设计
01
02
03
釜体材质选择
总结词
釜式反应器的发展历程经历了多个阶段，未来将继续向高效、环保、智能化的方向发展 。
详细描述
釜式反应器的雏形可以追溯到古代的酿酒工艺，但现代意义上的釜式反应器则是在工业 革命时期开始发展起来的。随着科技的不断进步，釜式反应器在材料、设计、工艺等方 面不断改进，提高了反应效率、降低了能耗和污染。未来，釜式反应器将继续向着高效
行状态。
根据工艺流程和物料特性，设计合理的进出料管 道，以保证物料流动顺畅、减少阻力损失。
其他辅助设备
阀门与管道
根据工艺流程和操作要求，选择合适的阀门与管道，以满足物料的 输送、控制和安全要求。
测量仪表
根据工艺要求和物料特性，选择合适的测量仪表，如温度计、压力 表、流量计等，以实时监测和控制工艺参数。
根据工艺要求和物料特性 ，选择合适的釜体材质， 如不锈钢、碳钢等。
釜体形状设计
根据工艺流程和操作要求 ，设计合理的釜体形状， 以满足物料混合、反应等 需求。
釜体尺寸确定
根据生产规模、物料量和 操作条件，确定合适的釜 体尺寸，以保证反应效率 和经济性。
搅拌装置
1 2
搅拌器类型选择
根据物料的性质和反应要求，选择合适的搅拌器 类型，如推进式、涡轮式、锚式等。
反应动力学原理
总结词
描述反应动力学原理
VS
详细描述
反应动力学原理是研究化学反应速率变化 规律的科学。在釜式反应器中，反应动力 学原理用于分析反应速率与反应条件（如 温度、压力、浓度等）之间的关系，为优 化反应条件、提高反应效率提供理论依据 。
03
釜式反应器的结构与设计
釜体设计
01
02
03
釜体材质选择
总结词
釜式反应器的发展历程经历了多个阶段，未来将继续向高效、环保、智能化的方向发展 。
详细描述
釜式反应器的雏形可以追溯到古代的酿酒工艺，但现代意义上的釜式反应器则是在工业 革命时期开始发展起来的。随着科技的不断进步，釜式反应器在材料、设计、工艺等方 面不断改进，提高了反应效率、降低了能耗和污染。未来，釜式反应器将继续向着高效
行状态。
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
湖北大学化学与化工学院
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
湖北大学化学与化工学院
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
湖北大学化学与化工学院
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
湖北大学化学与化工学院
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。
釜式反应器
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）002220001()(1)110.95169.6m in(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰A f A f X X A AA A A A A A A A AdX 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。
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：00.326610001.231/0.95275.8⨯==⨯A C m ol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰Af Af 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 lf3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H C O O N a H C l C H C O O H N aC l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。
3-釜式反应器
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：
τ↓，处理物料能力↑（比较时Q0应在相同的T， P 下求得，即在同一基准下进行比较。) τ↑，处理物料能力↓ dV=0的过程，τ= ，即物料在反应器内的平均停 留时间等于空时。
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
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
3.5连续釜式反应器的串联和并联
一、概述 计算方程为： 从图中看出，对于正 常动力学，多釜串联有利 ；对于反常动力学，则使 用单釜有利，如使用多釜 ，则采用并联。 图3-5连续釜式反应器体积的几何图示 在釜式反应器中进行具有正常动力学的反应时，是在最 小的反应速率下操作；而进行具有反常动力学的反应时，在 最大的反应速率下操作
单一反应，以反应物A为关键组分
或 对一级不可逆反应 假定每个釜的体积相同，即Vr1=Vr2=……，那么每一 个釜的空时相同τ1=τ2=……=τ，如果反应器中的温度T相同 （保证k一样）
3.5连续釜式反应器的串联和并联
将每一个釜的衡算方程相乘，得到
即
整个系统的空时为： 总的反应体积为：
3.5连续釜式反应器的串联和并联
对于复杂反应，目的产物的收率和选择性是非常重 要的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反 应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。 一、 总收率与总选择 前面曾经给出瞬时收率的定义 或 其中，μPA的物理意义是生成1mol的目的产物P要消耗A的 mol数。
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，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)
勇于开始，才能找到成 功的路
用途：绝大多数用作有液相参与的反应， 如：液液、液固、气液、气液固反应等。
反应器计算
• 操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t) • 设计型----已知XA(或YP) → Vr
例1
用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密 度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时 间为1h。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应 温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。 试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填 充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
假设 温度均一 浓度均一
:反应器进料的体积流量 :反应器出料的体积流量 :反勇应于开器始进，料才能中找关到键成 组分浓度
功的路
:反应器出料中关键组分浓度 :反应体积
取整个反应体积作控制体积
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间内对整个反应器做关键组 分 i 的物料衡算： (进入 = 流出 + 反应 + 累积)
t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。
经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设 法减少辅助操作时间 )
Q0 一般由生产任务确定
3.反应器的体积
：装填系数，由经验确定,一般0.4～0.85,对不起泡、不沸腾 物料，可取0.7~0.85；对于起泡或沸腾物料，可取0.4~0.6。 此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。
为，分均批属加 半入 连或 续卸 操出作反的。应操原程作料度后即卸出全部物料。然后 药生产中的气液相对反反应应常器进行清理，随后进入下一 常采用半连续操作个。操作循环，即进行下一批投料、
反应、卸料、清理等过程。它是一
个典型的非稳态过程，反应器内物
料的组成随时间而变化，这是间歇
(a)间歇式
过程(b的)连基续本式特征。 (c)半间歇式
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。
t 与cA0无关
t 与cA0有关
2.反应体积
3.2 等温 BR 的计算
操作时间
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 一定转化率时所经历的时间。计算关键
连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反应
物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作，反
应操器作内方任式一：位间置歇上、的连反续应、物半浓间度歇、温度、压力、反 应原速料度或等产参物数中均有不一随种时或间一而变化。它具有生产能力 大种、以产上品的质为量连稳续定输、入易间或实歇输现操机作械的化特和点自是动将化反等应优所点需的 ，出因，此而大其规余模的工(业至原生少料产一一的种次反) 加应入器反多应采器用，连达续到操规作定。的
间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。
3.2 等温 BR 的计算
1.反应时间的计算
对非稳态操作，反应时间内： 则物料衡算通式变形为：
间歇釜式反应器物料衡算式
恒容反应
单一反应
3.2 等温 BR 的计算
对单一反应，反应速率可表示为：
积分可得
3.2 等温 BR 的计算
一级反应
非一级反应
反应时间
则所需的反应体积为 反应器的实际体积为
例2
பைடு நூலகம்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。
勇于开始，才能找到成 功的路
假设 温度均一 浓度均一
其中：
对反应物为负 对产物为正
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
对间歇釜式反应器，可简化为:
假设 温度均一 浓度均一
对连续釜式反应器，可简化为：
3.2 等温间歇釜式反应器的计算（ 单一反应）
• 间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活
分离工程第三章 釜式反 应器10
2020年4月23日星期四
釜式反应器的结构
图 开式搅拌釜式反应器结构示意图
1-搅拌器；2-罐体；3-夹套；4-搅拌轴 5-压出管；6-支座；7-人孔；8-轴封；
9-传动装置
釜体一般是由钢板卷焊而成
的圆根筒据体釜，盖再与焊釜上体钢连制接标方准
釜底，并配上封头、搅拌器
• 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)
勇于开始，才能找到成 功的路
用途：绝大多数用作有液相参与的反应， 如：液液、液固、气液、气液固反应等。
反应器计算
• 操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t) • 设计型----已知XA(或YP) → Vr
例1
用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密 度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时 间为1h。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应 温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。 试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填 充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
假设 温度均一 浓度均一
:反应器进料的体积流量 :反应器出料的体积流量 :反勇应于开器始进，料才能中找关到键成 组分浓度
功的路
:反应器出料中关键组分浓度 :反应体积
取整个反应体积作控制体积
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间内对整个反应器做关键组 分 i 的物料衡算： (进入 = 流出 + 反应 + 累积)
t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。
经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设 法减少辅助操作时间 )
Q0 一般由生产任务确定
3.反应器的体积
：装填系数，由经验确定,一般0.4～0.85,对不起泡、不沸腾 物料，可取0.7~0.85；对于起泡或沸腾物料，可取0.4~0.6。 此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。
为，分均批属加 半入 连或 续卸 操出作反的。应操原程作料度后即卸出全部物料。然后 药生产中的气液相对反反应应常器进行清理，随后进入下一 常采用半连续操作个。操作循环，即进行下一批投料、
反应、卸料、清理等过程。它是一
个典型的非稳态过程，反应器内物
料的组成随时间而变化，这是间歇
(a)间歇式
过程(b的)连基续本式特征。 (c)半间歇式
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。
t 与cA0无关
t 与cA0有关
2.反应体积
3.2 等温 BR 的计算
操作时间
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 一定转化率时所经历的时间。计算关键
连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反应
物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作，反
应操器作内方任式一：位间置歇上、的连反续应、物半浓间度歇、温度、压力、反 应原速料度或等产参物数中均有不一随种时或间一而变化。它具有生产能力 大种、以产上品的质为量连稳续定输、入易间或实歇输现操机作械的化特和点自是动将化反等应优所点需的 ，出因，此而大其规余模的工(业至原生少料产一一的种次反) 加应入器反多应采器用，连达续到操规作定。的
间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。
3.2 等温 BR 的计算
1.反应时间的计算
对非稳态操作，反应时间内： 则物料衡算通式变形为：
间歇釜式反应器物料衡算式
恒容反应
单一反应
3.2 等温 BR 的计算
对单一反应，反应速率可表示为：
积分可得
3.2 等温 BR 的计算
一级反应
非一级反应
反应时间
则所需的反应体积为 反应器的实际体积为
例2
பைடு நூலகம்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。
勇于开始，才能找到成 功的路
假设 温度均一 浓度均一
其中：
对反应物为负 对产物为正
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
对间歇釜式反应器，可简化为:
假设 温度均一 浓度均一
对连续釜式反应器，可简化为：
3.2 等温间歇釜式反应器的计算（ 单一反应）
• 间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活
分离工程第三章 釜式反 应器10
2020年4月23日星期四
釜式反应器的结构
图 开式搅拌釜式反应器结构示意图
1-搅拌器；2-罐体；3-夹套；4-搅拌轴 5-压出管；6-支座；7-人孔；8-轴封；
9-传动装置
釜体一般是由钢板卷焊而成
的圆根筒据体釜，盖再与焊釜上体钢连制接标方准
釜底，并配上封头、搅拌器