第五章间歇式操作反应器资料重点
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间歇操作釜式反应器的设计—反应器流动模型
的一种典型的连续反应器，而理想混合反应器是返混达 到极限状态的一种反应器。
1、返混及其对反应过程的影响
（2）返混对反应过程的影响
间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导 致高浓度的消失。
间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反 应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间 ，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的 混合，不会使原有的高浓度消失。
它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产 能力下降。
流型
一、流型
流型与搅拌的关系
流型与搅拌效果、搅拌功率的关 系十分密切。搅拌器的改进和新 型搅拌器的开发往往从流型着手 。
搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型
流型决定因素
取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内 构件几何特征，以及流体性质、搅拌 器转速等因素。
图3 搅拌器与流型 (c) 切向流
(c)切向流
无挡板的容器内，流体绕 轴作旋转运动，流速高时 液体表面会形成漩涡，流 体从桨叶周围周向卷吸至 桨叶区的流量很小，混 合效果很差。
上述三种流型通常同时存在
轴向流与径向流对混合起主要作用
切向流应加以抑制
采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流
除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式 等安装方式。
返混及其对反应过程的影响
1、返混及其对反应过程的影响
（1）返混
返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器
的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质 点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布，使器内 反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。 返混是连续化后才出现的一种混合现象。 间歇反应器中不存在返混，理想置换反应器是没有返混
1、返混及其对反应过程的影响
（2）返混对反应过程的影响
间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导 致高浓度的消失。
间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反 应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间 ，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的 混合，不会使原有的高浓度消失。
它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产 能力下降。
流型
一、流型
流型与搅拌的关系
流型与搅拌效果、搅拌功率的关 系十分密切。搅拌器的改进和新 型搅拌器的开发往往从流型着手 。
搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型
流型决定因素
取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内 构件几何特征，以及流体性质、搅拌 器转速等因素。
图3 搅拌器与流型 (c) 切向流
(c)切向流
无挡板的容器内，流体绕 轴作旋转运动，流速高时 液体表面会形成漩涡，流 体从桨叶周围周向卷吸至 桨叶区的流量很小，混 合效果很差。
上述三种流型通常同时存在
轴向流与径向流对混合起主要作用
切向流应加以抑制
采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流
除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式 等安装方式。
返混及其对反应过程的影响
1、返混及其对反应过程的影响
（1）返混
返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器
的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质 点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布，使器内 反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。 返混是连续化后才出现的一种混合现象。 间歇反应器中不存在返混，理想置换反应器是没有返混
间歇操作釜式反应器
06
安全与维护
安全操作规程
01
02
03
04
操作前检查
确保釜式反应器及其附件完好 无损，检查电源、气源等是否
正常。
严格控制工艺参数
如温度、压力、液位等，防止 超温、超压、溢锅等事故发生
。
操作中监护
操作人员应时刻关注釜式反应 器的运行状态，发现异常及时
处理。
操作后清理
对釜式反应器进行彻底清洗， 确保无残留物，保持设备清洁
。
定期维护保养
日常保养
每天对釜式反应器进行外观检查，确 保设备无异常；定期清理设备表面污 垢和残留物。
定期检查
根据设备使用情况，定期对釜式反应 器的关键部件进行检查，如传感器、 密封件、轴承等。
润滑保养
定期对釜式反应器的轴承、链条等运 动部件进行润滑保养，确保设备正常 运行。
维修保养
根据设备磨损情况，对釜式反应器进 行维修保养，更换磨损严重的部件， 确保设备性能稳定。
取样与分析
定期从反应器中取出样品 进行分析，以了解反应进 程和产物性质。
后处理阶段
冷却与出料
清洗与整理
待反应结束后，将反应器冷却至适宜 温度，然后打开反应器将产物取出。
对反应器进行彻底清洗，整理设备并 做好记录，为下一次操作做好准备。
分离与提纯
根据产物的性质和后续应用需求，进 行分离、提纯和精制操作，得到目标 产物。
间歇操作釜式反应器
• 简介 • 类型与结构 • 操作流程 • 影响因素 • 应用领域 • 安全与维护
01
简介
定义与特点
定义
间歇操作釜式反应器是一种在一定条 件下进行化学反应的设备，通常用于 小规模或中等规模的实验室或工业生 产。
第五章 间歇式操作反应器
1、生化反应器？——利用生物催化剂进行生化反应的设备。
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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2013-7-25
第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对细胞，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积细胞质量 细胞质量 细胞质量 长细胞质量
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第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
间歇釜式反应器BR
反应器计算的基本方程
反应器计算可以采用经验法和数学模型法。经验计算法是根据已有的 装置生产定额，进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。经 验计算法的局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算。 如果改变反应过程的条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计， 或者进一步确定反应器的最优结构、操作条件，经验计算法是不适用的， 这时应该用数学模型法计算。根据小型实验建立的数学模型（一般需经 中试验证），结合一定的求解条件——边界条件和初始条件，预计大型
釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而
变，生产周期存在反应时间（生产时间）τ和非生产时间 τ‘。 其结构简单、操作方便、灵活性大、应用广泛。但是
设备生产效率低、不易保持每批质量稳定、高转化率下体
积较大。一般用于液—液相、气—液相等系统，如染料、
医药、农药等小批量多品种的行业。
热量衡算式
（1）依 据： 能量守衡定律。 （2）基 准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为 空间基准和时间基准。 （3）衡算式 在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）： [积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量]-[出料带走的热量][传给环境或热载体的热量] （4）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。
设备的行为，实现工程计算。
数学模型法计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映 传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上 述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。
反应器计算的基本方程包括
描述浓度变化的物料衡算式；
描述温度变化的能量衡算式； 描述压力变化的动量衡算式； 描述反应速率变化的动力学方程式。
间歇釜式反应器的特点及其应用
• 例题：萘磺化反应器体积的计算。萘磺化生产2萘磺酸，然后通过碱熔得2-萘酚。已知2-萘酚的 收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度为99%，工业 萘纯度为98.4%，密度为963kg/m3.磺化剂为98% 硫酸，密度为1.84.萘与磺酸的摩尔比为1：1.07. 每批磺化操作周期为3.67h。萘磺化釜的装料系数 为0.7.年产2-萘酚4000t，年工作日330天。
4390
The end,thank you!
• 应用： • 适用于多品种、小批量生产 • 适应于各种不同相态组合的反应物料 • 几乎所有有机合成的单元操作
反应体积VR
• 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体 积。
• 确定反应器体积的容积V的前提是确定反应器的 有效容积
• 如果由生产任务确定的VR F单Vt, 位时间的物料处理量为 FV,操作时间为t‘（包括反应时间t和辅助操作时 间t0),则反应器的有效容积V：R FV t,
间歇釜式反应器的特点及其应用
目录
特点
例题分析
• 特点： • 反应物料一次加入，产物一次取出 • 结构简单、加工方便，传质、传热效率高 • 同一瞬间反应器内各点温度、浓度分布均匀 • 非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应速
度随着反应时间而变
• 操作灵活性大，便于控制和改变反应条件 • 辅助时间占的比例大，劳动强度高，生H2SO4
→
→
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 103 0.99 128 1 1000 626 L 330 24 144 0.75 0.984 963
每小时需要处理的硫酸体积为： 4000 10 3 0.99 98 1.07 1 1000 270 L
反应器操作与控制基础知识—反应器的操作方式
的特点
①是一非定态过程，反应器内物系组 成随时间而改变
②适合于小批量、多品种的产品生产
③不易实现自动化控制，劳动力多
④设备简单
⑤设备利用率低
二、操作方式的特点—— 2.连续操作的特点
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连续操作的一般流程
01
连续进料
02
03
连续反应
连续出料
温度等的控制
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连连续式式 操操作作方方 式式
的的特特 点点
①多属于定态操作，反应器内各种物系参数 不随时间而变，但随位置而变
②适合于大规模生产
③便于实现自动化控制，品质量均一
④设备结构复杂
⑤设备利用率高
二、操作方式的特点——3.半连续（半间歇）操作的特点
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分 批加入或卸出的操作均属半连续操作，相应的反应器称为半连续反 应器或半间歇反应器。
《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
(a) 间接换热式
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇操作的一般流程
01
02
03
04
05
06
准备
投料
升温
反应
出料
清洗
关键步骤
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇式 操作方式
半连续操作具有连续操作和间歇操作的某些特征： 有连续流动的物料，也有分批加入或卸出的物料，因此半连
续反应器的反应物系组成必然既随时间而改变，也随反应器内的位 置而改变。
①是一非定态过程，反应器内物系组 成随时间而改变
②适合于小批量、多品种的产品生产
③不易实现自动化控制，劳动力多
④设备简单
⑤设备利用率低
二、操作方式的特点—— 2.连续操作的特点
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连续操作的一般流程
01
连续进料
02
03
连续反应
连续出料
温度等的控制
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连连续式式 操操作作方方 式式
的的特特 点点
①多属于定态操作，反应器内各种物系参数 不随时间而变，但随位置而变
②适合于大规模生产
③便于实现自动化控制，品质量均一
④设备结构复杂
⑤设备利用率高
二、操作方式的特点——3.半连续（半间歇）操作的特点
原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分 批加入或卸出的操作均属半连续操作，相应的反应器称为半连续反 应器或半间歇反应器。
《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
(a) 间接换热式
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇操作的一般流程
01
02
03
04
05
06
准备
投料
升温
反应
出料
清洗
关键步骤
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇式 操作方式
半连续操作具有连续操作和间歇操作的某些特征： 有连续流动的物料，也有分批加入或卸出的物料，因此半连
续反应器的反应物系组成必然既随时间而改变，也随反应器内的位 置而改变。
第五章 间歇式操作反应器
对细胞，有
积 体细 系胞 内质 累量 细 进胞 入质 体量 系 离细开胞体质系量 长 体细 系胞 内质 生量
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第5章 生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
2、能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时间
输入体系 输出体系 内的反应 体系内积
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 ➢ 选择合适的反应器型式
根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓 度效应、温度效 应及反应的热效应，结合反应器的流动特征 和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满 足反应过程的需要，使反应结果最优。
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生化工程电子教案
化学与生命科学学院
第5章 间歇式操作反应器
生化反应器设计概论 间歇式操作反应器的设计（BSTR） 反应过程的流体力学 氧的传递特性 机械搅拌反应器的结构与计算 反应过程的传热特性
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
常见反应器类型
Batch operation
Continuous
Multi-cascade reactor Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping immobilized bed
一、BSTR的反应时间
对上式积分，
B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ，
积 体细 系胞 内质 累量 细 进胞 入质 体量 系 离细开胞体质系量 长 体细 系胞 内质 生量
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2、能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时间
输入体系 输出体系 内的反应 体系内积
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 ➢ 选择合适的反应器型式
根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓 度效应、温度效 应及反应的热效应，结合反应器的流动特征 和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满 足反应过程的需要，使反应结果最优。
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第5章 间歇式操作反应器
生化反应器设计概论 间歇式操作反应器的设计（BSTR） 反应过程的流体力学 氧的传递特性 机械搅拌反应器的结构与计算 反应过程的传热特性
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
常见反应器类型
Batch operation
Continuous
Multi-cascade reactor Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping immobilized bed
一、BSTR的反应时间
对上式积分，
B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ，
1-5-1间歇操作釜式反应器
1 n
kA单位： kp单位：kmol/m3.h.Pan 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应 的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。
kmol m3 h n kmol 3 m
⑴反应分子数与反应级数
基本概念 a.单一反应与复杂反应
单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程 式便能代表的反应。
（1）最大影响是使反应器进口处反应物高浓度区的 消失或减低，即使反应物浓度下降，产物浓度上升。 （2）这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于反应
过程的浓度效应。
（3）返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任 何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素的影响.
（三）返混及其对反应过程的影响
3.降低返混程度的措施 降低返混程度的主要措施是分割，通常有横 向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。 （1）连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。 当串联釜数足够多时，连续多釜串联的操作性能 就很接近理想置换反应器的性能。
排除了物质的传递搅拌良好无需考虑反应器内热量传递非定常态过程c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生产灵活性大间歇釜式反应器特点五间歇操作釜式反应器br的动力学计算法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
aA bB rR sS
反应，各组分的变化量满足
下列关系：
n A0 n A n B 0 n B n R n R 0 n S n S 0 a b r s
各组分的反应速率满足下列关系:
(rA ) (rB ) rR rS a b r s
kA单位： kp单位：kmol/m3.h.Pan 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应 的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。
kmol m3 h n kmol 3 m
⑴反应分子数与反应级数
基本概念 a.单一反应与复杂反应
单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程 式便能代表的反应。
（1）最大影响是使反应器进口处反应物高浓度区的 消失或减低，即使反应物浓度下降，产物浓度上升。 （2）这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于反应
过程的浓度效应。
（3）返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任 何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素的影响.
（三）返混及其对反应过程的影响
3.降低返混程度的措施 降低返混程度的主要措施是分割，通常有横 向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。 （1）连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。 当串联釜数足够多时，连续多釜串联的操作性能 就很接近理想置换反应器的性能。
排除了物质的传递搅拌良好无需考虑反应器内热量传递非定常态过程c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生产灵活性大间歇釜式反应器特点五间歇操作釜式反应器br的动力学计算法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
aA bB rR sS
反应，各组分的变化量满足
下列关系：
n A0 n A n B 0 n B n R n R 0 n S n S 0 a b r s
各组分的反应速率满足下列关系:
(rA ) (rB ) rR rS a b r s
化工仿真间歇釜反应器期中复习资料
间歇釜反响器单元1、冷态开车操作规程1.1、备料过程(1)向沉淀罐 VX03 进料〔Na Sn〕2①开阀门V9，向罐VX03 充液。
②VX03液位接近 3.60 米时，关小V9，至 3.60 米时关闭V9。
③静置 4 分钟〔实际 4 小时〕备用。
(2)向计量罐 VX01 进料〔CS 〕2①开放空阀门V2。
②开溢流阀门V3。
③开进料阀V1，开度约为 50%，向罐 VX01 充液。
液位接近 1.4 米时，可关小 V1。
④溢流标志变绿后，快速关闭V1。
⑤待溢流标志再度变红后，可关闭溢流阀V3。
(3)向计量罐 VX02 进料〔邻硝基氯苯〕①开放空阀门V6。
②开溢流阀门V7。
③开进料阀V5，开度约为50%，向罐VX01 充液。
液位接近1.2 米时，可关小V5。
④溢流标志变绿后，快速关闭V5。
⑤待溢流标志再度变红后，可关闭溢流阀V7。
1.2、进料(1)微开放空阀 V12，预备进料。
(2)从 VX03 中向反响器 RX01 中进料〔Na Sn〕2①翻开泵前阀V10，向进料泵PUM1 中充液。
②翻开进料泵PUM1。
③翻开泵后阀V11，向RX01 中进料。
④至液位小于 0.1 米时停顿进料。
关泵后阀V11。
⑤关泵PUM1。
⑥关泵前阀V10。
(3)从VX01 中向反响器 RX01 中进料〔CS2〕①检查放空阀V2 开放。
②翻开进料阀V4 向RX01 中进料。
③待进料完毕后关闭V4。
(4)从 VX02 中向反响器 RX01 中进料〔邻硝基氯苯〕。
①检查放空阀V6 开放。
②翻开进料阀V8 向RX01 中进料。
③待进料完毕后关闭V8。
○4 关闭放空阀V12(5)进料完毕后关闭放空阀V12。
1.3、开车反响初始阶段（1）反响初始阶段① 翻开阀门V26，翻开阀门V27，翻开阀门V28，翻开阀门V29②回到DCS 图开连锁〔LOCK〕③开启反响釜搅拌电机M1。
④适当翻开夹套蒸汽加热阀 V19，观看反响釜内温度和压力上升状况，保持适当的升温速度。
间歇操作釜式反应器的设计—间歇操作釜式反应器体积和数量的计算
三、间歇操作釜式反应器的体积和数量计算
由物料衡算求出每小时需处理的物料体积V0后，即可进行反应釜的 体积V和数量n的计算。
计算时，在反应釜体积和数量这两个变量中必须先确定一个。由于 数量一般不会很多，通常可以用几个不同的n值来算出相应的V值， 然后再决定采用哪一组n和V值比较合适。
⒈ 给定V，求n
• 按设计任务每天需操作的批次为：
24V0 24V0
VR
V
VO 每小时需处理的物料体积
• 设备中物料所占体积即反应器有效体积 VR 与设备实际体积即反应 器体积V之比称为设备装料系数，以符号 表示，具体数值根据实 际情况而变化。
• 每天每只反应釜可操作的批次为：
24 24 t '
• 操作周期t又称工时定额，是指生产每一批物料的全部操作时间。由 于间歇反应器是分批操作，其操作时间由两部分构成：一是反应时间
，用 表示；二是辅助时间，即装料、卸料、检查及清洗设备等所需
时间，用 '表示。
• 生产过程需用的反应釜数量 n' 可按下式计算：
n' V0 ( ' )
V
• 由上式计算得到的 n'值通常不是整数n，需圆整成整数。这样反应釜 的生产能力较计算要求提高了，其提高程度称为生产能力的后备系 数，以 表示，即：
理的物料总重量 GD , 用它除以物料的密度ρ，即得每天所需处理物料 的总体积VD，
VD
GD
操作周期
操作周期又称工时定额，是指生产每一批料的全部操作时间，即从 准备投料到操作过程全部完成所需的总时间。
例如萘磺化制取2—萘磺酸的操作周期计算如下：
检查设备
加萘 加硫酸及升温 反应 压出料 操作周期
间歇操作釜式反应器设计
一、客车空调系统数值模拟仿真的意义
客车车室内部的空气品质是衡量乘坐舒适性的一个重要指标。 车内空气质量的优劣和热舒适性的好坏，不仅直接影响乘客的乘坐感受，还影响乘 员的身体健康。 车内空气环境研究的重点是对空气分布的研究，只有掌握了车内空气流速、温度、 湿度、洁净度等的时空分布，才能准确地对车内空气品质进行预测和评价。 传统的汽车空调系统试验（主要指轿车）利用样机或实车在风洞或环境模拟实验室 内完成，既费时又耗资巨大，且对不同方案试验很不方便，极大影响了新产品的开发周期。
任务2 间歇操作釜式反应器设计
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行间歇操作釜反应器的工艺设计。
一、反应器流动模型
流动模型：是对反应器中流体流动与返混状 态的描述，是针对连续过程而言的。研究反应器 中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的 基础。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动 模型和非理想流动模型。非理想流动模型是关于 实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离 的描述。
自20 世纪 60年代以来，CFD在紊流模型、网格技术、数值算法、可视化和 并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来革命性变化。
20世纪 80年代初，英国 CHAM公司首先推出了以 SIMPLE算法为基础的商 业化 CFD软件PHOENICS，随后更多的商业化 CFD软件被不断推出。在航空、航 天、汽车等工业领域，利用 CFD 进行的反复设计、分析、优化已成为标准步骤和 重要手段。
第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用
第一节 概述
CFD在汽车工程领域的应用始于20世纪60 年代，当时主要用于发动机进气及 缸内混合气流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力学数值 模拟仿真等。
随着计算机技术的发展和数值计算方法的成熟，CFD在汽车工业得到了广泛应 用，各大汽车制造厂商无不借助CFD软件所具有的成本低、速度快、资料完备、具 有模拟真实条件和理想条件的能力，且不受气候条件和地区因素等影响的优点，来 加快新产品的开发速度，降低开发成本。
客车车室内部的空气品质是衡量乘坐舒适性的一个重要指标。 车内空气质量的优劣和热舒适性的好坏，不仅直接影响乘客的乘坐感受，还影响乘 员的身体健康。 车内空气环境研究的重点是对空气分布的研究，只有掌握了车内空气流速、温度、 湿度、洁净度等的时空分布，才能准确地对车内空气品质进行预测和评价。 传统的汽车空调系统试验（主要指轿车）利用样机或实车在风洞或环境模拟实验室 内完成，既费时又耗资巨大，且对不同方案试验很不方便，极大影响了新产品的开发周期。
任务2 间歇操作釜式反应器设计
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行间歇操作釜反应器的工艺设计。
一、反应器流动模型
流动模型：是对反应器中流体流动与返混状 态的描述，是针对连续过程而言的。研究反应器 中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的 基础。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动 模型和非理想流动模型。非理想流动模型是关于 实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离 的描述。
自20 世纪 60年代以来，CFD在紊流模型、网格技术、数值算法、可视化和 并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来革命性变化。
20世纪 80年代初，英国 CHAM公司首先推出了以 SIMPLE算法为基础的商 业化 CFD软件PHOENICS，随后更多的商业化 CFD软件被不断推出。在航空、航 天、汽车等工业领域，利用 CFD 进行的反复设计、分析、优化已成为标准步骤和 重要手段。
第十章 计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用
第一节 概述
CFD在汽车工程领域的应用始于20世纪60 年代，当时主要用于发动机进气及 缸内混合气流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力学数值 模拟仿真等。
随着计算机技术的发展和数值计算方法的成熟，CFD在汽车工业得到了广泛应 用，各大汽车制造厂商无不借助CFD软件所具有的成本低、速度快、资料完备、具 有模拟真实条件和理想条件的能力，且不受气候条件和地区因素等影响的优点，来 加快新产品的开发速度，降低开发成本。
第五章+反应器及其放大
多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停
留时间分布相同、温度相同和反应转化率相同，
而且反应速率不受搅拌速率的影响。
对于非均相系统，放大判据为相界面积相同，
但要测定实际系统的相界面积很困难，一般用
单位容积输入功率相等取代。
第四节
其它反应器型式
一、循环（回路）式反应器
根据物料返回量的大小，介于平推流反应器和 连续操作搅拌釜之间。
C A 2C A C A Ez u (rA ) 2 t l l
三、放大应注意的问题
在保持放大前后两系统几何相似的同时，应 保持两系统内物料流动的停留时间分布函数 相等。
为保持放大前后反应器内物料的停留时间分 布相同，无论物料呈层流流动还是湍流流动， 应保持两系统流动的雷诺数相等。 对于气相反应，当反应器管长远大于管径， 而产生的压强变化又影响反应器内的总压时， 必须考虑压强的变化值相等。
装置。
床式：用于多相催化或非催化反应，可分为固定
床、 流化床、移动床等。
3、按反应相态分类
均相反应器、非均相反应器
第二节
一、反应时间
物料衡算方程 热量衡算方程
间歇操作搅拌釜
t nA0
xA
0
dx A (rA )V
dxA dT UA (T Tm ) dt dt CV V
如果过程仅由化学反应控制，反应主要在液相中进行，
虽然要求有较大的相界面积，但液相体积是主要条件， 一般选用半间歇式鼓泡反应器或连续式鼓泡反应器。
3） 气、液、固三相系统
由于存在两种相界面，而固、液界面的传质阻 力通常都大于气、液界面的传质阻力，对反应 过程起决定作用的是固、液间的传质。为了加 快反应速率，缩小反应器体积，多采用气体和
间歇操作釜式反应器直径和高度的计算
间歇操作釜式反应器直径和高度的计算
一般搅拌反应釜的高度与直径之比H/D=1.2左右，釜盖与釜 底采用椭圆形封头，如图所示。
V D2H " 0.13ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱD3
4
由工艺计算决定了反应器的体积后，即可按下式求得其直径与高度：
所求得的圆筒高度及直径需要圆整，并检验装料系数是否合适。确 定了的反应釜的主要尺寸后，其壁厚、法兰尺寸以及手孔、视镜、 工艺接管口等均可按工艺条件由标准中选择。
间歇操作釜式反应器设备之间的平衡
什么情况下要求设备平衡？ 当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时，当前后工序设备之间不
平衡时，就会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料； 或者，后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情况。这时将大 大延长辅助操作的时间。
反应釜之间平衡的条件: 为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的
因此：计算反应釜传热面积时应以开始阶段的放热速率为依据；
温度操作应根据反应特性和放热规律进行不断调整与控制，开始 时冷却水量要大，随反应进行，冷却水的消耗量逐渐减少。
物料不相混。
各道工序每天操作的批次相同，即 24v0 为一常数。 V
如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？ 计算时一般首先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数， 然后使其它工序的α值都与其相同，再确定各工序的设备体积与数量。
例题讲解
间歇操作釜式反应器的放热规律
由例3-4可知：开始反应快，单位时间内放热量大，随着反应时间的 增长，单位时间内放出的热量逐渐降低。
一般搅拌反应釜的高度与直径之比H/D=1.2左右，釜盖与釜 底采用椭圆形封头，如图所示。
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4
由工艺计算决定了反应器的体积后，即可按下式求得其直径与高度：
所求得的圆筒高度及直径需要圆整，并检验装料系数是否合适。确 定了的反应釜的主要尺寸后，其壁厚、法兰尺寸以及手孔、视镜、 工艺接管口等均可按工艺条件由标准中选择。
间歇操作釜式反应器设备之间的平衡
什么情况下要求设备平衡？ 当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时，当前后工序设备之间不
平衡时，就会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料； 或者，后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情况。这时将大 大延长辅助操作的时间。
反应釜之间平衡的条件: 为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的
因此：计算反应釜传热面积时应以开始阶段的放热速率为依据；
温度操作应根据反应特性和放热规律进行不断调整与控制，开始 时冷却水量要大，随反应进行，冷却水的消耗量逐渐减少。
物料不相混。
各道工序每天操作的批次相同，即 24v0 为一常数。 V
如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？ 计算时一般首先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数， 然后使其它工序的α值都与其相同，再确定各工序的设备体积与数量。
例题讲解
间歇操作釜式反应器的放热规律
由例3-4可知：开始反应快，单位时间内放热量大，随着反应时间的 增长，单位时间内放出的热量逐渐降低。
A105间歇釜式反应器的开车与运行
停车操作步骤
注： 【在加热蒸汽量很少的情况下,反应釜的温度上升的 比较快说明反应接近尾声。】
① 打开反应釜放空阀放掉反应釜内的蒸汽然 后关闭放空阀。 ② 打开蒸汽总阀打开蒸汽加压阀给反应釜加压。 ③ 打开蒸汽预热阀片刻。 ④ 打开反应釜出料阀出料出完料后进行吹起 然后关闭出料阀。对设备进行清洗、检查。
正常操作的参数控制
⑴ 工艺参数要求 ① 反应釜压力应不大于8atm(釜内压力过大会影响共沸物的 沸点) ② 夹套加热的蒸汽温度保持早100℃左右使反应产生的水 被蒸出。 ③ 分馏器温度控制在89.3℃左右共沸物温度 ⑵ 注意工艺生产指标的调整方法 ① 温度调节操作过程中以温度为主要一调节对象以压 力为辅助对象因为温度对反应速率的影响比压力大。温 度调节可以通过控制夹套内水蒸气的内温度来控制反应 釜内的温度。 ② 压力调节压力调节主要是通过对温度的控制来实现的 必要时可以适当的调节放空阀的开度。
A105间歇釜式反应器的开车与 运行
第二组
任务目标
1、间歇釜的冷态开车操作规程 2、停车操作步骤 3、正常操作的参数控制 4、间歇釜的常见故障与处理 5、间歇釜的维护要点 6、间歇釜操作
间歇釜的冷态开车操作规程
（一）备料 ① 先向沉淀罐中进正丁醇的料打开正丁醇的进料阀向 沉淀罐进料当正丁 醇达到一定的液位时关闭进料阀 静止备用。 ② 向硫酸计量罐进料先打开硫酸计量罐的放空阀和溢流 阀打开硫酸进料阀 向硫酸计量罐充夜出现溢流后 候关闭阀门。 ③ 向乙酸计量罐进料先打开乙酸计量罐的放空阀和溢流 阀打开乙酸计量罐 的进料阀向计量罐充夜出现溢 流后关闭阀门。 （二）进料 ①微开反应釜放空阀 ②从正丁醇沉淀罐向反应釜进料打开泵前阀、计后阀和反 应釜的进料阀，启动进料泵。再依次打开泵后阀和计前阀
间歇式操作反应器
特点
间歇式操作反应器通常具有固定的反 应体积，需要在反应完成后进行排渣 或出料，操作过程不连续。
工作原理
反应物混合
将原料和催化剂等物质在反应前 混合均匀，确保反应物浓度和催 化剂的分散度。
加热与冷却
通过外部加热或冷却装置，控制 反应温度，以实现所需的化学反 应条件。
压力控制
通过调节压力来控制反应速率和 化学平衡，通常采用加压或减压 的方式。
等。
酿造业
03
间歇式操作反应器可用于酿造业中，如啤酒、葡萄酒、黄酒等
的酿造。
其他领域
环境治理
间歇式操作反应器可用于环境治理领域，如废水处理、废气 处理等。
农业
间歇式操作反应器可用于农业领域，如农药合成、肥料生产 等。
03
间歇式操作反应器的操 作与控制
操作步骤
准备阶段
进料阶段
反应阶段
出料阶段
清理阶段
分类与比较
分类
根据不同的工作原理和应用需求，间 歇式操作反应器可分为搅拌釜式、填 充床式、喷射器式等类型。
比较
不同类型的间歇式操作反应器各有优 缺点，适用于不同的化学反应和物质 转化过程。选择合适的反应器类型需 要根据实际需求进行评估和比较。
02
间歇式操作反应器的应 用化学 Nhomakorabea业01
合成高分子材料
间歇式操作反应器可用于合成各 种高分子材料，如聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯等。
02
精细化学品生产
在精细化学品生产中，间歇式操 作反应器可用于合成染料、颜料、 香料、表面活性剂等。
03
化学品的提纯与分 离
间歇式操作反应器可用于化学品 的提纯与分离，如蒸馏、萃取、 重结晶等。
制药工业
间歇式操作反应器通常具有固定的反 应体积，需要在反应完成后进行排渣 或出料，操作过程不连续。
工作原理
反应物混合
将原料和催化剂等物质在反应前 混合均匀，确保反应物浓度和催 化剂的分散度。
加热与冷却
通过外部加热或冷却装置，控制 反应温度，以实现所需的化学反 应条件。
压力控制
通过调节压力来控制反应速率和 化学平衡，通常采用加压或减压 的方式。
等。
酿造业
03
间歇式操作反应器可用于酿造业中，如啤酒、葡萄酒、黄酒等
的酿造。
其他领域
环境治理
间歇式操作反应器可用于环境治理领域，如废水处理、废气 处理等。
农业
间歇式操作反应器可用于农业领域，如农药合成、肥料生产 等。
03
间歇式操作反应器的操 作与控制
操作步骤
准备阶段
进料阶段
反应阶段
出料阶段
清理阶段
分类与比较
分类
根据不同的工作原理和应用需求，间 歇式操作反应器可分为搅拌釜式、填 充床式、喷射器式等类型。
比较
不同类型的间歇式操作反应器各有优 缺点，适用于不同的化学反应和物质 转化过程。选择合适的反应器类型需 要根据实际需求进行评估和比较。
02
间歇式操作反应器的应 用化学 Nhomakorabea业01
合成高分子材料
间歇式操作反应器可用于合成各 种高分子材料，如聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯等。
02
精细化学品生产
在精细化学品生产中，间歇式操 作反应器可用于合成染料、颜料、 香料、表面活性剂等。
03
化学品的提纯与分 离
间歇式操作反应器可用于化学品 的提纯与分离，如蒸馏、萃取、 重结晶等。
制药工业
任务一间歇操作釜式反应器设计
任务一间歇操作釜式反应器设计引言：间歇操作釜式反应器是一种常见的化工反应装置，广泛应用于化学、医药、食品等行业中。
它适用于反应时间短、反应物浓度高、批量生产等情况。
本文将介绍间歇操作釜式反应器的设计原则、操作要点以及安全措施。
一、设计原则：1.反应器材料选择：间歇操作釜式反应器需要考虑反应物与反应器材料的相容性。
常见的反应器材料包括不锈钢、玻璃钢、陶瓷等。
在选择材料时，需根据反应条件（如温度、压力、反应物性质）来确定最合适的材料。
2.热交换设计：间歇操作釜式反应器通常涉及到加热或冷却过程，为确保反应物的温度控制在适宜范围内，需设计良好的热交换装置。
常见的热交换装置包括卧式或立式蒸发器、管壳式换热器等。
3.搅拌设计：搅拌是保证反应物均匀混合的关键步骤，也有助于加速反应速率。
搅拌速度、形式（如桨叶搅拌、齿轮搅拌等）、搅拌器的材料选择（如不锈钢、陶瓷等）都需要考虑。
二、操作要点：1.反应物的加入：在操作过程中，需要谨慎添加反应物。
为避免危险反应（如爆炸、喷溅等），应根据反应物的性质、浓度和反应条件来控制反应物的加入速度和温度。
2.反应温度的控制：间歇操作釜式反应器在反应过程中需要进行加热或冷却操作。
为确保反应物的温度控制在目标范围内，可通过控制加热或冷却介质的温度、流速等来实现。
3.离心分离：在反应结束后，部分反应物可能需要进行固液分离或液液分离。
离心机是常用的分离装置，通过调整离心机的转速和时间来实现分离目的。
三、安全措施：1.安全阀的设置：由于反应中可能产生高压，为防止反应器的破裂或爆炸，应设置安全阀或安全泄压装置。
安全阀的选择需根据反应物的性质、压力和反应器的容量来确定。
2.紧急停车装置：当发生突发情况时，需要迅速停止反应器的运行。
为确保操作人员的安全，应配备可靠的紧急停车装置，如急停按钮、紧急刹车等。
3.防护装置：为避免操作人员对反应物的接触，应设置防护装置，如护栏、防护罩等。
同时，应戴好相应的防护装备，如防护眼镜、手套等。
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tr
1 kd
ln 1
kd K2cE0
cS0 XS
cEKM
ln
1 1 XS
举例5-1
2 固定化酶反应过程
假定反应过程发生在固定化酶颗粒内，反应速率不受外扩 散限制，但受内扩散限制。 设反应器中的空隙串(液相体积／反应器有效体积)为L，则 固定化酶颗粒所占的体积分数为(1- L)。 在单位时间内、反应器中底物的消耗量为(1- L)VRrS，累 积项则为反应器内液相中底物随时间的变化率为 LVRdcS/dt
（即全混流和平推流）。 ➢实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它
们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种 分类有利于对反应器进行模拟与放大。
➢根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、 膜式等。 ➢若根据反应器所需能量的输入方式不同来分， 则有通过机械搅拌输入能量的机械搅拌反应器、 利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对 液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。
rmax t r
(1
L
L
)
K
M
ln
cS0 cS
1 KM ln 1 XS
当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时， 有效因子η ＝1，则反应时间可由下式计算，即
rmax
tr
(1 L ) L
cS0 XS
KM
ln
1 1 XS
3 细胞反应过程
rX
dcX dt
cX
1
cS
cS0
YX / S
(cX
②较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生 物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用 具有间歇操作特征的大容量生物反应器。
③分批进行的过程染菌率较低。
缺点
① 间歇操作反应器的缺点是．这种操作需要一 定的辅助操作时间，生产效率较低；
② 细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成 速率与反应时间有关；
③ 下游产物分离必须分批进行等。
rmax
dX S cS
cS KM
cS0 rmax
XS 0
1
KM cS
dX S
1 rmax t r cS0 XS KM ln 1 XS
rmax tr
(cS0
cS ) KM
ln
cS0 cS
当cS0<<Km时，即反应呈一级反应特征时:
rmax t r
KM
ln
1 1 XS
KM
ln
cS0 cS
生物反应速度
反
反 反反 应
应 应应 器
2 基本设计方程
器 器器 操 型 结体 作 式 构积 方
式
生物反应器设计的主要目标是寻求反应目的产物的高
生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。
生物反应器设计的基本内容包括：
①选择合适的反应器型式与操作方式。即根据生物催化剂和生 物反应动力学特征，以及物料的特性和生产工艺特点，选择 合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件；
V间歇反应釜 V0CA0
dx x Af
A
0 rA
VCSTR
V0CA0 (XAf CA0 ) rAf
4.2 间歇式操作反应器的设计
4.2.1 间歇式操作的特点
✓ 非稳态过程 ✓ 所有物料具有相同的停留时间和反应时间 ✓ 随着反应的进行，反应器的效率将降低
优点
①较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生 物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应 装置，可进行多品种的生产。
tr
cS0
X S dX S 0 rS
表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取
决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小
1 均相酶反应过程
如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-M方
程
rp
k2cE0
cS
cS KM
rP ,m a x
cS
cS KM
(5)
tr
cS0
XS 0
第四章 生物反应器的操作模型
4.1 操作模型概论
分类与特征
➢ 按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶 反应器；细胞生物反应器
➢ 根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇 反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器
➢ 根据生物催化剂在反应器的分布力式：生物团块 反应器；生物膜反应器
➢根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。 ➢理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型
当cS0>>Km时，即反应呈零级反应特征时:
rmax t r cS0 XS cS0 cS
KM (k2 k1) / k1 KS (k1) / k1 KM KS k2 / k1
对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模 型．则有：
rmax K2cE K2cE0 exp( kd t r )
cX0 )
max
cS0
1 YX /S
(cX
cX0 )
KS
cS0
1 YX /S
(cX
cX0
)
max
YX
YX /SKS
/ ScS0 YX
(cX cX0 ) /ScS0 (cX
cX0
)
maxtr
cX cX0
(1 L )VRrS
LVR
dcS dt
t r
L 1 L
cS dcS cS0 rS
cS0 L XS dXS
1 L 0 rS
cS0
VL VP
XS dXS 0 rS
如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为rSW，则有
t r
cS0
VL W
XS dXS 0 rSW
通常当酶反应为一级反应，即cS<<K m时．内扩散有效因子η 与转化率Xs的大小无关，等于常数。此时有：
②确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通 气量、物料流量等工艺参数；
③计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。
反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积
反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡
算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。
VREACTOR
生产任务 推动力 /阻力
F r
几种酶反应器
几种细胞反应器
生物反应器分析（优化和放大）与设计
生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式
生物反应器设计、
优化与放大
反 应
反 应
反 应
反 应 器
器 器器操
型 式
结 构
体 积
作 方 式
传递特性、流动与混合特性
生物反应动力学
（ 微本 观征 动动 力力 学学 ）
（ 总宏 包观 动动 力力 学学 ）
4.2.2 反应时间的计算
反应组分的转化速率＝一反应组分的累积速率
VR rS
dnS dt
rS
1 VR
dnS dt
1 VR
d (VRcS ) dt
对液相反应．如反应器有效体积不随时间发生变化，则有
rSdcS dttr NhomakorabeacS cS0
dcS rS
若设反应组分s的转化率为Xs，即
XS
cS cs0 cs0