分离工程第三章 釜式反应器10
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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
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
，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
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？
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
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
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
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
Baidu Nhomakorabea
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
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
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
则所需的反应体积为 反应器的实际体积为
例2
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。
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。
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。
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
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
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
，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
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？
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
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
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
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
Baidu Nhomakorabea
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
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
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
则所需的反应体积为 反应器的实际体积为
例2
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。
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。
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。
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