第3章釜式及均相管式反应器
釜式及均相管式反应器
05
均相管式反应器设计要点及优化措施
设计要点
反应器类型的选择
根据反应特性和工艺要求，选择合适 的反应器类型，如釜式反应器、管式 反应器等。
反应条件的确定
04
釜式反应器设计要点及优化措施
设计要点
反应器类型选择
根据反应特性和工艺要求，选择合适 的釜式反应器类型，如搅拌釜、鼓泡 釜等。
安全防护设计
设置安全阀、爆破片、压力表等安全 附件，确保反应器安全运行。
01
02
材质选择
考虑反应介质、温度、压力等因素， 选用合适的材质，如不锈钢、搪瓷、 陶瓷等。
03
3
新能源领域
釜式及均相管式反应器在新能源领域也有广泛应 用，如用于燃料电池中的电化学反应、太阳能电 池中的光电转换过程等。
THANKS
感谢观看
高传热系数，降低能耗。
强化传质过程
通过改进反应器内部结构或增 加搅拌装置等措施，强化反应 物之间的传质过程，提高反应 速率。
优化操作条件
根据实验结果和模拟分析，调 整操作条件，如温度、压力等 ，以提高反应效率和产物质量 。
实现自动化控制
引入先进的控制系统，实现反 应过程的自动将产物 从反应器中分离出来 ，进行后续处理。
02
均相管式反应器概述
定义与原理
定义
均相管式反应器是一种在化学反应过 程中，反应物和产物在同一相态（气 态或液态）中进行连续流动的管状反 应器。
原理
反应物在管式反应器中连续流动，通 过管壁或管内催化剂的作用，在特定 的温度和压力条件下进行化学反应， 生成所需的产物。
第三章 釜式及均相管式反应器综述
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；
第三节 理想均相反应器的计算
间歇搅拌釜式反应器（BSTR） 平推流（活塞流）反应器（PFR） 理想均相反应器 全混流（连续搅拌釜式）反应器（CSTR） 多级全混流反应器（MCSTR）
一、基本原理
1. 物料衡算式：
流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 2. 热量衡算式： 物料带入量 = 物料带出量 + 反应热效应 + 累积量 3. 反应动力学方程式：
0
c A0 x Af (rA ) f (1 A x Af )
因此，对于变容过程，往往选择标准状况下的体积流量 作为计算空时的基准。
全混釜一般设计方程讨论
5. 动力学特征
1 rA
c A0
1 rA f
1 x Af (rA ) f
1 rA
t c A0
x Af
0
dxA rA
矩形面积
FA0 0.685 1 171 L h 单位时间处理物料的体积量为： 0 c A0 0.004
（3）计算反应体积 V 0 (t t) 171 (8.47 1) 1619L 1.619(m3 ) （4）由装料系数0.75计算反应器体积 V 1.619 VR 2.159(m3 ) 0.75
3.2kmol/m3。该反应为一级，反应温度下的反应速率常数为8×10-3s-1，最 终转化率为98.9%。若加料速率为10kmol/h，则需多大体积的全混流反应 器？若在一个体积为1m3的等温间歇釜中进行，辅助操作时间为30min，求 苯酚的产量和处理10kmol/h过氧化异丙苯时的反应体积？并与全混釜比较。 【思考123】① 恒容过程？变容过程？② 求反应器体积？反应体积? ③ 怎样从设计方程到反应体积？
釜式及均相管式反应器课件
目录
contents
反应器概述釜式反应器均相管式反应器釜式与均相管式反应器的比较反应器的维护与保养
01
反应器概述
反应器是一种用于实现化学反应的设备，能够提供化学反应所需的条件，如温度、压力、浓度等。
根据反应物状态、操作方式、反应机理等不同，反应器可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、流化床反应器等多种类型。
总结词
通过控制温度和压力影响化学反应速率和选择性
详细描述
温度和压力是影响化学反应的重要因素。在釜式反应器中，通过加热或冷却系统可以精确控制反应温度，从而影响化学反应的速率和选择性。同时，压力的控制也有助于调节化学反应的平衡常数和选择性。
根据需要选择连续或间歇操作模式
总结词
根据不同的化学反应需求，可以选择连续操作或间歇操作模式。连续操作模式适用于需要大量原料、产物易于分离且生产能力较高的反应；而间歇操作模式适用于批量生产、实验研究或需要精确控制反应条件的反应。
详细描述
合成高分子材料
总结词
釜式反应器是合成高分子材料的重要设备之一。通过在釜式反应器中聚合单体，可以制备出各种高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。这些高分子材料广泛应用于塑料、纤维、橡胶等领域。
详细描述
VS
制备无机盐及氧化物
详细描述
在无机盐及氧化物的制备过程中，釜式反应器也得到了广泛应用。例如，在硫酸铵的生产中，将原料与催化剂加入釜式反应器中，通过加热和搅拌进行反应，最终得到硫酸铵产品。类似地，氧化物如氧化铁、氧化锌等也可以通过釜式反应器制备得到。
分类
定义
通过优化反应条件，提高化学反应的速率和收率，从而提高生产效率。
提高生产效率
通过高效的传热和传质过程，降低能耗，节约能源。
釜式及均相管式反应器PPT
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
PR
VRcR t t0
对反应时间求导，
dPR
VR [( t
t0
) dcR dt
cR
]
dt
( t t0 )2
并可由 dPR 0 ，得
dt
dCR CR dt t t0
3. 配料比
对反应 A B P S ，如动力学方程为 ( rA )V kcAcB 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 m cBo / cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 cB cB0 (cA0 cA ) cA (m 1)cA0 代入动力学方程
面积为反应时间。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
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
c Af
nAf VR
nA0 ( 1 xAf VR
❖ 桨式搅拌器 ❖ 锚式和框式搅拌器 ❖ 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(1) 桨式搅拌器
旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
二、间歇釜式反应器的数学模型
3-3平推流管式反应器-化学反应工程
第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。
对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。
针对不同反应过程讲述了优化设计方法。
化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。
在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。
由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。
这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。
实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。
间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。
3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。
因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。
间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。
釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。
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
《化工反应技术与设备》课程教学大纲(本科)
《化工反应技术与设备》课程教学大纲英文名称：Chemical Reaction Technology and Equipment课程类型：专业技能课课程要求：必修学时/学分:40/2. 5适用专业：应用化工技术一、课程性质与任务化工反应技术与设备是石油化工生产技术专业、应用化工技术专业学生的一门专业基础课，共计40学时。
本课程要求学生学习和掌握各种反应器特点、均相反应器的设计计算、流体非理想流动状况及多相催化反应器的特点。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和设计计算的讲解;在培养实践能力方面着重培养学生对各种反应过程的分析能力和设计能力，使学生掌握化工工业典型的反应设备的基本计算方法，并了解反应器的开发、放大方法，能够正确选用搅拌器的型式。
二、课程与其他课程的联系先修课程：高等数学，化工原理，物理化学等。
本课程与《化工原理》课程密切相关，《化工原理》系统地介绍单元过程，《化工反应技术与设备》则重点介绍化工生产过程中反应器的类型及选用、搅拌器的类型及选用、反应过程中的换热设备、反应器的工艺设计计算等。
本课程与《物理化学》也有密切联系，《物理化学》中的化学反应动力学部分一般地、系统地介绍反应动力学原理，本课程则深入地、具体地介绍反应器设计时所需的动力学基础知识。
本课程要求学生具有较扎实的数学基础。
该课程为学生后续所学专业课打下良好的理论基础，最终培养学生应用基础理论知识和所学的专业知识，进行反应器的设计及设备的选型，并能分析和解决化工生产中的有关问题, 以适应科研、设计和生产实践等方面的需要。
三、课程教学目标1.学习化工反应技术与设备的基础知识和基本理论知识，掌握常用反应器的结构、特点等基本知识，具有分析、选用和设计均相反应器的能力；2.掌握反应器的类型、搅拌器的类型及作用、反应过程中换热设备的类型，并能正确选用设备型式；3.学习固体催化剂、固定床及流化床反应器的基本理论知识，掌握内外扩散对多相催化反应过程的影响，能够分析气固相催化反应过程；4.培养学生树立正确的设计思想，了解影响反应速率的因素，掌握均相反应器的特点及计算方法；5.培养学生的工程实践能力，使学生掌握停留时间分布的实验测定方法，学会分析实际反应器中流体流动偏离非理想流动的原因，提高反应器的流动状态；6 .了解化工反应技术与设备的前沿和新发展动向。
釜式反应器—釜式反应器的结构
➢涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又 可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min 。 涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌 产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。
➢推进式搅拌器 推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用从外型上是一高径比接近于一的圆筒型反应器。
反应器结构:反应器筒体、各种接管、搅拌装置、密
封装置和换热装置等 。
釜式反应器的基本结构
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
反应器的筒体皆为圆筒形。底、盖常用的 形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，也 有的釜底为锥形。
•
反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖
当加热温度超过250℃时，可采用联苯混合物的蒸汽加热， 根据其冷凝液回流方法的不同，也可分为自然循环与强制循环 。
➢电加热
是一种操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控的一种高温加 热方法。有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型。
➢烟道气加热
用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟 道气作热源加热设备，可用于300℃以上的高温加热。缺点是热 效率低，给热系数小，温度不易控制。可用于300℃以上的高温 加热。
一般多采用直接冷却方式，即利用制冷剂的蒸发直接冷却冷间内的 空气，或直接冷却被冷却物体。制冷剂一般有液氨、液氮等。成本 较高。
有些情况下则采用间接冷却方式，即被冷却对象的热量是通过中间 介质传送给在蒸发器中蒸发的制冷剂。中间介质起传送和分配冷量 的媒介作用，称为载冷剂。常用的载冷剂有三类，即水、盐水及有 机物载冷剂。
釜式反应器的传动和密封装置
电动机
管式反应器和釜式反应器
管式反应器的分类
•
管式反应器是应用较多的一种连续 操作反应器，常用的管式反应器有以 下几种类型： • (1)水平管式反应器 图3.1给出的 是进行气相或均液相反应常用的一种 管式反应器， • 由无缝钢管与U形管连接而成。 这种结构易于加工制造和检修。高压 反应管道的连接采用标准槽对焊钢法 兰，可承受1600-10000kPa压力。如用 透镜面钢法兰，承受压力可达1000020000kPa。
连续釜式反应器中的返混
循环反应器中的物料混合作用是有组织的，而连续 釜式反应器中的物料混合作用是由剧烈的搅拌引 起设备内部强烈环流运动造成的。 间歇釜和连续釜虽然同样存在有剧烈的搅拌与混合， 但是，参与混合的物料是不相同的。前者是同一 时刻进入反应器的物料之间的混合，也就是相同 浓度、相同性质的物料之间的混合，并不改变原 有的物料浓度；后者则是不同时刻进入反应器的 物料之间的混合，也就是不同浓度、不同性质物 料之间的混合，这种混合，常称之为返混，以区 别于前一种混合。
返混
在连续釜式反应器中，反应原料以稳定的流速进入 反应器，反应器中的反应物料以同样稳定流速流 出反应器。由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器 的新鲜物料与已存留在反应器内的物料在瞬间达 到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。 这种停留时间不同的物料之间的混合，称为逆向 混合或返混。 这里所说的逆向，是时间概念上的逆向，不同于一 般的搅拌混合。
选型
• 对于特定的反应过程，反应器的选型需综 合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。
加料方式
• 对有两种以上原料的连续反应器，物料 流向可采用并流或逆流。对几个反应器组 成级联的设备，还可采用错流加料,即一种 原料依次通过各个反应器,另一种原料分别 加入各反应器。除流向外，还有原料是从 反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。 分段加入指一种原料由一端加入，另一种 原料分成几段从反应器的不同位置加入， 错流也可看成一种分段加料方式。采用什 么加料方式，须根据反应过程的特征决定
第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。
3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
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 第三章 理想反应器(3)
a( )
d
d
其中，
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而
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℃。
19
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
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第三章 釜式及均相管式反应器 70
第四章 反应器中的混合及对反应的影响 106
第五章 固定床气-固相催化反应工程 126
第六章 气-液反应工程 176
第七章 流-固相非催化反应
212
第八章 流化床反应工程 236
第九章 气-液-固三相反应工程 270
第3章釜式及均相管式反应器
第三章 釜式及均相管式反应器
xA 1ekt
第3章釜式及均相管式反应器
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
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 CA0xA
CA CA0 kt
xA
kt C A0
kt ln C A0 CA
第3章釜式及均相管式反应器
Standardised stirred tank reactor sizes
❖Deutschland , Germany ❖Deutsche industry norm
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格
400
630
总容积
L
533
847
夹套容积 L
换热面积 m2
t
xAf x
CA0
第3章釜式及均相管式反应器
CAf CA
二、间歇反应器的数学描述 1. 等温等容液相单一反应
❖ 一级不可逆反应1st. Order Reaction（irreversible）
rA kCA
t CA dCA CA0 kCA
kt ln C A0 CA
CA CA0ekt
ktln(1xA)
d1
h1 主要尺寸
(mm)
d2
120 2.5 800 1000 900
152 3.1 1000 1000 1100
h2
1250
1300
第3章釜式及均相管式反应器
1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550
2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的 产品生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
第3章釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器 ❖ 一、 釜式反应器的特征 精细化工产品的生产中的液相反应、液液非均相反应； 有色冶金及化学矿加工中的液固反应； 生物反应中的微生物发酵反应； 聚合物生产中的乳液聚合及悬浮液聚合；
4000 5374 499 7 1800 2000 1900 2500
6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 400 630 1000 2500 4000 6300
总容积 L 533 847 1447 3460
tnA0 V
0xAfdrAA xCA0
dx xAf A 0 rA
dx dC xAf A
tC A0 0 r r A
CA CA0
A 第A 3章釜式及均相管式反应器
等容过程，液相反应
[rA]-1
图解积分示意图
tCA0
xAfdA x CAdC A
0 rA
r CA0
A
[rA]-1
t/cA0 xA0
第3章釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器 ❖ 一、 釜式反应器的特征
特点: 1 由于剧烈搅拌，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；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器 内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的 反应时间。
❖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
❖第八节 讨论与分析
❖参考文献
❖习题
第3章釜式及均相管式反应器
第三章 釜式及均相管式反应器
夹套容 积
L
120
换热面 积
m2
2.5
d1 800
152 216
3.1
4.6
1000 1200
368 8.3 1600
主要尺 h1
寸 (mm) d2
1000 900
1000 1100
1200 1300
1600 1700
h2 1250 1300 1550 2060
第3章釜式及均相管式反应器
5374 8230
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1ekt
kt 1 1
kt 1 xA
CA
CA0
CA
1
CA0 CA0
kt
CA0
1
xA
xA
C A0 kt 1 CA0kt
rA
kC
n A
第3k章t 釜式n1及1均(相C管1A式n反C 应1A器0n) （ 1 － xA ） 1 － n 1 (n 1 )C A n 0 1 kt
❖
1. 工程放大
❖ 2. 反应时间的优化
❖ 3. 配料比
❖
4. 反应温度
❖
第3章釜式及均相管式反应器
二、 间歇釜式反应器的数学模型
用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
rA V d d n tA n A 0d d x tA(n A n A 0(1 x A ))
第三章 理想流动反应器
第一节 流动模型概述 第二节 理想流动反应器
Hefei university of technology 第S3c章h釜式o及o均l相o管f式反c应h器emical engineering
绪论 1
第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础
6
第二章 气-固相催化反应本征及宏观动力学 34
❖第一节 间歇釜式反应器
❖ 一、 釜式反应器的特征
❖ 二、 间歇釜式反应器的数学模型
❖ 1. 等温等容液相单一反应
❖ 2. 等温等容液相多重反应
❖ 三、 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
❖
1. 工程放大
❖ 2. 反应时间的优化
❖ 3. 配料比
❖
4. 反应温度
❖
第3章釜式及均相管式反应器
第一节 间歇釜式反应器 一、 釜式反应器的特征
499
677
11.7 1800 2000 1900 2500
15.6 2000 2500 2100 3050
第三章 釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器
❖ 一、 釜式反应器的特征
❖ 二、 间歇釜式反应器的数学模型
❖ 1. 等温等容液相单一反应
❖ 2. 等温等容液相多重反应
❖ 三、 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化