第三章间歇釜式反应器PPT课件
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反应工程ppt课件
h)
试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3
解： CH 3COOH C4H9OH CH 3COOC 4H9 H2O
对1kmol A而言，投料情况是：
乙酸(A) 1kmol
60kg
60/960=0.0625m3
化学反应工程
1
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容：
反应
反应器：反应器的设计和开发
反应器开发的任务：
(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式
(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计
反应器的结构和尺寸有关
反应器内的传热性能
(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
10
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率
(rA )V
1.045
c
2 A
k
mol
/(m3
1 kc
1 ln
1 xAf
k 9.52109 exp( 7448.4 ) 0.92(h1) 273 50
t 1 ln 1 1.31h 0.92 1 0.7
则每批操作实际所需要的操作时间为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 xA 3.22kmol / m3
t cA0
xAf 0
dxA (rA )V
第三章-釜式反应器
3.1釜式反应器的物料衡算式
根据总的物料衡算式，则有：
写成 其中
M
i ijrj j 1
3.1釜式反应器的物料衡算式
连续釜式反应器
累积速率
代 数 方 程
间歇釜式反应器
微 分 方 程
3.2等温间歇釜式反应器的计算
特点
反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响 反应器内温度处处相等，可排除传热的影响 物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间
例3.1 酯化反应, 原料配比A:B:S=1:2:1.35, XAf=0.35, 密度1020kg/m3,辅助时间t0=1hr,装填 系数f=0.75,产量12000kg/Day, 求反应体积?
解: 原料处理量
FA0
12000 24M R xAf
12000 16.23 kmolA
2488 0.35
A
CA0
n=1
rA kC A
C A C A0e kt 或
kt
ln
CA0 CA
x A 1 e kt
n=2
rA
kC
2 A
CA
C A0 1 C A0kt
或
kt 1 1
xA
C A0kt 1 C A0kt
C A C A0
速率常数k值的提高将导致相应反应时间减少 即提高反应温度将使反应速率增加
Q 0.5cA2kmol /(m3 h)
反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物 为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。 解：由题知
A p 2Q 2cA 20.5cA2 2cA cA2
将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式 可有
第三章间歇釜式反应器知识讲解
数
需要设备的总容积为：
Q0t '
V
mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=Q0t’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88) 而定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或 略大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力 称为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大
解： 每台锅每天操作批数： β=24/17=1.41 每天生产西维因农药数量：
1000×1000÷300=3330Kg（GD）
需要设备总容积: mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3
取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
10
（3）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。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。
如果由生产任务确定的单位时间的物料处理量为Q0，
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：
VR=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
11
（4）*设备装料系数
实际生产中，反应器的容积要比有效容积大，以保 证液面上留有空间。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备
装料系数，以符号
表示，即：
=VR/V。其值视具体
情况而定
条
件
无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜
带搅拌的反应釜
易起泡或沸腾状 况下的反应
釜式反应器化工
0
0
rA VR d（VRCA） dt
即：
rA
VR
d（VRCA）dnA
dt
dt
17
2021/2/8
nAnA0(1xA)
dnAnA0dxA
上式写成转化率的形式：
nA0
dxA dt
(rA)VR
18 2021/2/8
积分得
t nA0
xA dxA 0 VR(rA)
t
CA0
xA 0
dxA rA
2 2021/2/8
研究内容 3.1 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 3.2 等温间歇釜式反应器的计算（复合反应） 3.3 全混流反应器的设计 3.4 全混流反应器的串联与并联 3.5 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 3.6 变温间歇釜式反应器的计算 3.7 全混流反应器的定态操作与分析
CA0CACPC Q
C QC A 0[1k2ex p ( k1 k t1 ) k k1 2ex p ( k2 t)]
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，
如果P是目的产物，其值有最优解。通过CP对
时间求导数，可以得到：
令
dC P dt
0
topt
lnk2 k1 k2 k1
2021/2/8
即：
同理：
rP
dnP dt
0
rP
dCP dt
0
2021/2/8
28
d dP C tk1 C Ak1 C A 0ex k p 1k2t
CPkk11C A k021exp k1k2t
同理可得：
CQkk12C A k0 21exp k1k2t
同理可得：
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示。
第三章_间歇釜式反应器 ppt课件
•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，生产效率低.
6
2、应用
•适合于多品种、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
7
3.2.1间歇釜式反应器的容积与数量
确定反应器的容积与数量是车间设计的基础， 是实现化学反应工业放大的关键 1、求算反应器的容积与数量需要的基础数据
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
即各工序的设备个数与操作周期之比要相等
②各工序的设备容积之间保证互相平衡 即
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=V
= mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88) 而定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或 略大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力 称为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 思考 • 选用个数少而容积大的设备有利还是选用
个数多而容积小的设备有利 ？
17
3、计算示例
6
2、应用
•适合于多品种、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
7
3.2.1间歇釜式反应器的容积与数量
确定反应器的容积与数量是车间设计的基础， 是实现化学反应工业放大的关键 1、求算反应器的容积与数量需要的基础数据
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
即各工序的设备个数与操作周期之比要相等
②各工序的设备容积之间保证互相平衡 即
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=V
= mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88) 而定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或 略大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力 称为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 思考 • 选用个数少而容积大的设备有利还是选用
个数多而容积小的设备有利 ？
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3、计算示例
第三章 釜式反应器
dcP 0 dt
t0 pt
ln( k1 / k 2 ) 代入式（ 6 ） k1 k 2 k
cP max
k1 c A0 k2
k k 2 1
2
cP max YP max = cA0
3.4 连续釜式反应器反应体积的计算
物料衡算式：Q0Ci0=QCi-RiV r 因为釜式反应器大多数进行液相反应 所以视作为恒容过程 Q=Q0
dcA 对A : ( RA ) k1cA (1) dt dcP 对P : RP k1cA k2cP (2) dt
cA cA0 exp(k1t )(4)
dcP 带入式（2）得： k1cA0 exp(k1t ) k2cP dt
dcP k2cP k1c A0 exp(k1t )(5) dt
Vr=
Q 0( c i,0 - c 0 )
-R
i
i = 1,2,...,k
Q0( c A,0 - c A ) Q0( c A,0 - c A ) Q0c A,0( x A, f - c A,0 ) = = 2 - R Ac A, f -R A x A, f
Vr=
-R
A
空时 V r
Q0
单位时间处理单位体积无聊所需的空间体积 空时越大，反应器的生产能力越小
∵ cA0 cA cP cQ
k2 c A0 ∴ cQ cA0 cA cP 1 exp (k1 k2 )t k1 k2
cP k1 常数 cQ k2
可推广到M个一级平行反应： 对反应物A:
cA cA0 exp （ - k1 +k2 +... +km）t
t0 pt
ln( k1 / k 2 ) 代入式（ 6 ） k1 k 2 k
cP max
k1 c A0 k2
k k 2 1
2
cP max YP max = cA0
3.4 连续釜式反应器反应体积的计算
物料衡算式：Q0Ci0=QCi-RiV r 因为釜式反应器大多数进行液相反应 所以视作为恒容过程 Q=Q0
dcA 对A : ( RA ) k1cA (1) dt dcP 对P : RP k1cA k2cP (2) dt
cA cA0 exp(k1t )(4)
dcP 带入式（2）得： k1cA0 exp(k1t ) k2cP dt
dcP k2cP k1c A0 exp(k1t )(5) dt
Vr=
Q 0( c i,0 - c 0 )
-R
i
i = 1,2,...,k
Q0( c A,0 - c A ) Q0( c A,0 - c A ) Q0c A,0( x A, f - c A,0 ) = = 2 - R Ac A, f -R A x A, f
Vr=
-R
A
空时 V r
Q0
单位时间处理单位体积无聊所需的空间体积 空时越大，反应器的生产能力越小
∵ cA0 cA cP cQ
k2 c A0 ∴ cQ cA0 cA cP 1 exp (k1 k2 )t k1 k2
cP k1 常数 cQ k2
可推广到M个一级平行反应： 对反应物A:
cA cA0 exp （ - k1 +k2 +... +km）t
第三章 釜式反应器
26
连串反应组分浓度与反应时间关系示意图
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器，稳态操作，有： 则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr
dni dt
0
j 1
M
ij
rj
i 1,2, K
无时间变量，液相反应体积变化不显著,
假定进出口流量相等连续釜式反应器反应体积计算公式
21
cQ
等温 BR 的计算
c A0
AP AQ
A
P
cP k1 cQ k2
成立的条件： 各反应的速率方程形 式相同； 反应物中各反应组分 的化学计量系数均相 等
22
c
Q
0
t
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：
累积速率=0， dni
dt
0
可简化为代数方程：
Q0ci 0 Qci iVr i 1,2, K
7
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
连续釜式反应器操作：定态 等温、等浓度下反应等反应速率下反应，rA定值
28
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器体积计算公式
单一反应
Q0 (c A0 c A ) Vr rA
对连续釜式反应器体 积由物料衡算式可直 接计算得到
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )
连串反应组分浓度与反应时间关系示意图
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器，稳态操作，有： 则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr
dni dt
0
j 1
M
ij
rj
i 1,2, K
无时间变量，液相反应体积变化不显著,
假定进出口流量相等连续釜式反应器反应体积计算公式
21
cQ
等温 BR 的计算
c A0
AP AQ
A
P
cP k1 cQ k2
成立的条件： 各反应的速率方程形 式相同； 反应物中各反应组分 的化学计量系数均相 等
22
c
Q
0
t
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：
累积速率=0， dni
dt
0
可简化为代数方程：
Q0ci 0 Qci iVr i 1,2, K
7
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
连续釜式反应器操作：定态 等温、等浓度下反应等反应速率下反应，rA定值
28
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器体积计算公式
单一反应
Q0 (c A0 c A ) Vr rA
对连续釜式反应器体 积由物料衡算式可直 接计算得到
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )
3-釜式反应器
一、连续釜式反应器的特点：
反应器的参数不随时间变化 不存在时间自变量，也没有空间自变量 多用于液相反应，恒容操作
出口处的C, T=反应器内的C, T 。由物料恒算式
得 （3.40）
假定物料进出口的流量相等， 则
（3.41）
3.4连续釜式反应器的反应体积
若反应器内只有一个反应，且关键组分为A，则
最后得到连续釜式反应器的计算方程为
最后解出：
（3-
38）
（3-39）
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，如果P 是目的产物，其值有最优解。通过CP 对时间求导数，可 以得到：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
如果 例题3.3
3.4连续釜式反应器的反应体积
•间歇釜：，有进有出。
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
XAf
∫ 1
t=
0
kcA0a-1
dXA (1-XA)a
=
(1-XAf)1-a-1
(a-1) kcA0a-1
(a≠1)
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
对于均相，恒容过程方程进一步变为：
设初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CQ=0，则方程的解为 进一步：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示，由图可见，t ↑，CA↓， 而CP↑、CQ↑。 图3-3 平行反应组成随时间的变化关系
当温度T↑时，反应速率常数k↑，导致达到规定转化率所 用的反应时间t↓。对于可逆放热反应，是上面的结论仍然 正确吗？
反应器的参数不随时间变化 不存在时间自变量，也没有空间自变量 多用于液相反应，恒容操作
出口处的C, T=反应器内的C, T 。由物料恒算式
得 （3.40）
假定物料进出口的流量相等， 则
（3.41）
3.4连续釜式反应器的反应体积
若反应器内只有一个反应，且关键组分为A，则
最后得到连续釜式反应器的计算方程为
最后解出：
（3-
38）
（3-39）
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，如果P 是目的产物，其值有最优解。通过CP 对时间求导数，可 以得到：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
如果 例题3.3
3.4连续釜式反应器的反应体积
•间歇釜：，有进有出。
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
XAf
∫ 1
t=
0
kcA0a-1
dXA (1-XA)a
=
(1-XAf)1-a-1
(a-1) kcA0a-1
(a≠1)
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
对于均相，恒容过程方程进一步变为：
设初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CQ=0，则方程的解为 进一步：
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合 反应）
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示，由图可见，t ↑，CA↓， 而CP↑、CQ↑。 图3-3 平行反应组成随时间的变化关系
当温度T↑时，反应速率常数k↑，导致达到规定转化率所 用的反应时间t↓。对于可逆放热反应，是上面的结论仍然 正确吗？
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_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
化工仿真—间歇反应釜完整ppt课件
精选ppt
6
工业背景
❖ 釜式反应器的特点：
釜式反应器在化工生产中具有较大的灵活性， 能进行多品种的生产，即适用于间歇操作过 程，又可单釜或多釜串联适用于连续操作过 程。它具有适用的温度和压力范围宽，操作 弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产 品质量均一等特点。但若应用在转化率要求 较高的场合时，则需要较大的容积。
精选ppt
15
❖ 流程的缩合反应包括备料工序和缩合工序。
考虑到突出重点，将备料工序略去。则缩合
工序共有三种原料，多硫化钠（Na2Sn）、 邻硝基氯苯（C6H4ClNO2）及二硫化碳 （CS2）。
精选ppt
16
二硫化碳
邻硝基氯苯
多硫化钠
将中❖打 （ 反计。将当来计开应7待制量沉中5自量搅完℃反在罐降备罐拌毕以应1V罐0料及X后后上温5中0工沉，，—）度1的序淀、利将1，升原1的罐V用产关高0料X二V加品闭至℃0静X硫2热压加90，置中0化1蒸出热让℃4、的碳汽反分。反，V原、将应钟X应逐料邻0精，釜后持渐选利2硝反！p，、续p打用t基应通V进开重氯X物过行冷力0苯温离3。却输中、度心水送多升泵，至硫高输将间化至送最歇钠反至终翻分应反反应别温应应釜注度釜温入度17控
❖ 现在开始操作演示，请大家认真观看！
精选ppt
18
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间歇反应釜单元仿真
精选ppt
1
❖ 复习：
❖ 我们前面学习的离心泵、列管换热器、精馏 操作、吸收解吸仿真操作，他们共同的特点 是什么？
精选ppt
2
间歇反应釜的工业背景
❖ 思考： ❖ 化工生产过程与其他生产过程的本质区别是？
第三章-间歇反应器与理想反应器ppt课件
.
全混流反应器的特性
①物料在反应器内充分返混； ②反应器内各处物料参数均一； ③反应器的出口组成与器内物料组成相同； ④连续、稳定流动，是一定态过程。
.
3.3.2 等温连续流动釜式反应器的设计计算
• 全混釜中各处物料均一，故选整个反应器 有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物 料衡算。
输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量
tt=t+t’ t’为辅助生产时间
③计算每批投放物料总量F’A；
F’A=FAtt ④计算反应器有效容积V’R；
V rC F A A 0 或 V rQ 0tt
.
⑤计算反应器总体积V。反应器总体积应包括有
效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常 有效容积占总体积分率为40％-85％，该分率 称为反应器装填系数f，由生产实际决定。
.
组分 A
P
Q 反应 时间
浓度
cAcA0e[(k1k2)t]
cpkk11 cA k02 1e[(k1k2)t]
cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
t 1 ncA0 k1 k2 cA
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0
.
cA0
A
c
AP AQ
P
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
c P 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
.
复合反应－连串反应 A k 1 P k 2 Q (k 1 k 2 )
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0 cA0cAcPcQ
全混流反应器的特性
①物料在反应器内充分返混； ②反应器内各处物料参数均一； ③反应器的出口组成与器内物料组成相同； ④连续、稳定流动，是一定态过程。
.
3.3.2 等温连续流动釜式反应器的设计计算
• 全混釜中各处物料均一，故选整个反应器 有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物 料衡算。
输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量
tt=t+t’ t’为辅助生产时间
③计算每批投放物料总量F’A；
F’A=FAtt ④计算反应器有效容积V’R；
V rC F A A 0 或 V rQ 0tt
.
⑤计算反应器总体积V。反应器总体积应包括有
效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常 有效容积占总体积分率为40％-85％，该分率 称为反应器装填系数f，由生产实际决定。
.
组分 A
P
Q 反应 时间
浓度
cAcA0e[(k1k2)t]
cpkk11 cA k02 1e[(k1k2)t]
cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
t 1 ncA0 k1 k2 cA
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0
.
cA0
A
c
AP AQ
P
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
c P 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
.
复合反应－连串反应 A k 1 P k 2 Q (k 1 k 2 )
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0 cA0cAcPcQ
间歇式反应器ppt课件
以上三者之中只有两个是独立的，当它们式中各量的单位
相同时：
转化 选 率择 收 性率
.
例1：邻硝基氯苯经氨化与硫化钠还原生产邻苯二胺。已 知 工 业 邻 硝 基 氯 苯 纯 度 为 98% ， 生 产 每 吨 邻 苯 二 胺 消 耗 1800kg工业邻硝基氯苯。氨化工段收率为95%。求该车间总 收率及还原工段收率。 解：反应式如下
.
4.间歇式反应器的类型
从几何形式上看：常用锅式（釜式）反应器，也有用管式 和塔式反应器的。
从所处理物料的相态上来看，有：
均相反应器：物料为气相或均液相
对反应器要求较低，一般用管式或塔式反应器
液相物料有时还装搅拌器，以提高物料扩散和
热交换
气 — 液相
非均相反应器：固液 液相— —
液相 固相
总之是单位时间内所处理的物料量或单位时间内所生产的 产品量作为计算基准。
即：kg/d
kg/h 等
.
年 产 /年量 工 作 产/天 日 量 总 原 料/天 投 料
②间歇操作：除上述外，最常用“每批投料量”或“每批生产 产品量”作为计算基准。 即 千克/批 吨/批 ③取每吨产物或原料作为计算基准，可直接求出原料消耗定额。 ④取每摩尔或每千摩尔的投料量作为计算基准。
.
⑷按操作方式分
①间歇操作（也称分批操作）反应器 ②连续操作反应器 ③半连续操作（或称半间歇操作）反应器：
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。 a.常用反应器：锅式、塔式 b.操作特征：半连续反应器中的反应物系组成必然随时间而改 变，也随反应器内的位置而改变。 c.适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速率。
⑸传动装置
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 3.1 间歇釜式反应器
（第三章）
13
rA kcAn
rA
kcAn
k
N
n A
Vn
k
N
n A0
1 Vn
xA
n
t
1
kN
n1 A0
V xA n1
0
dxA 1 xA
n
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
14
恒容间歇反应器
V n1
t
kN
n1 A0
xA 0
dxA 1 xA n
t
1 kcAn01
xA 0
dN P dt
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
12
对设计方程进行积分
t dt
NA
1 dNA
0
V r N A0
A
A组分的转化率
xA
N A0 N A N A0
间歇反应的反应时间
dxA
dNA N A0
t xA N A0 dxA 0 V rA
rA
kc
n A
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
●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、流速较高的管式反应器。
化学反应工程多媒体教程--理想反应器
（第三章）
4
连续流动反应器的空时、空速
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，
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） 设计间歇反应器的计算：
○反应时间 t：由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一
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1
（3）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。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。 如果由生产任务确定的单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：
VR=FVt＇
其中 t’ = t + t0
12
• 例3-4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 为萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操 作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为 0.7。年产2-萘酚4000t，年工作日330天。
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=V
= mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88) 而定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或 略大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力 称为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大
13
H 2 S O 4+
S O 3 H
O H
9 8
1 2 8
1 4 4
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
40 1 0 3 0 0 .9 912 81 10 6 0L 2 06 3 3 20 4 1 4 0 .7 45 0 .989463
解：选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5 m3，
则
受料时间： 4.5/0.83=5.44h 操作周期： 5.44+8=13.44h 每天操作总批数：α=24X0.83/4.5=4.45 每锅每天操作批数： β=24/13.44=1.78 需要锅的个数： m=4.55/1.78=2.5 取用三个锅，生产能力后备系数为：
解： 每台锅每天操作批数： β=24/17=1.41 每天生产西维因农药数量： 1000×1000÷300=3330Kg（GD）
需要设备总容积: mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3
取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻 苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时 间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。 设备装料系数取0.75
8
解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交 替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料 时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的 操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的 总容积为
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
3
2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或FV与t ’，根据已有的设备容积Va， 求算需用设备的个数m。
• 设备装料系数为 ，则每釜物料的体积为 Va，按
设计任务，每天需要操作的总批次为：
VD 24FV
•
Va Va
每个设备每天能操作的批数为：
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
6
• 思考 • 选用个数少而容积大的设备有利还是选用
个数多而容积小的设备有利 ？
7
3、计算示例
物料处理量FV一般由生产任务确定，辅助时间t0视实 际操作情况而定，反应时间t可由动力学方程确定， 也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以 及δ等
反应时间t的求算方法
• 由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意： • (1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往
受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来 求算反应过程的时间。 • (2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质 速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计 算反应时间。 • (3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温 过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相 当高的转化率。有时需分段作动力学计算。
=
24 t'
按设计任务需用的设备个数为：
m==2V4DVt'a =FVVta'
4
由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m’, m＇＞m。
因此实际设备总能力比设计需求提高了。 其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，
则
m' m100%
m
5
（2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t’,求设备体积与个
δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20% 10
三个还原锅交替操作的时间安排图
时间（小时）
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10
锅号
101
102
1 受料
还原
受料 还原
201
202
2
受料
还原
受料
301
还原
302
3
受料 还原
受料
还原
11
例3-3西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实 验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今 需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容 积。年工作日取300天。
V F V t'/ 0 .8 1 3 /0 6 .7 1 5 .7 m 7 3
取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为 10m3的反应釜，后备能力为
( 1 8 0 .8 )/8 5 .8 1 5 % 0 1 .0 % 3
思考 如果取受料时间为1h，结果如何？
9
例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造的 最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。
2
（4）*设备装料系数
实际生产中，反应器的容积要比有效容积大，以保 证液面上留有空间。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备
装料系数，以符号
表示，即：
=VR/V。其值视具体
情况而定
条
件
无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜
带搅拌的反应釜
易起泡或沸腾状 况下的反应
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85
（3）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。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。 如果由生产任务确定的单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：
VR=FVt＇
其中 t’ = t + t0
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• 例3-4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 为萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操 作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为 0.7。年产2-萘酚4000t，年工作日330天。
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=V
= mVm
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
若以m表示反应釜的个数，
则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88) 而定。在选择标准釜时，应注意使选择的容积与计算值相当或 略大。如果大，则实际生产能力较要求为大，富裕的生产能力 称为反应器的后备能力，可用后备系数δ来衡量后备能力的大
13
H 2 S O 4+
S O 3 H
O H
9 8
1 2 8
1 4 4
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
40 1 0 3 0 0 .9 912 81 10 6 0L 2 06 3 3 20 4 1 4 0 .7 45 0 .989463
解：选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5 m3，
则
受料时间： 4.5/0.83=5.44h 操作周期： 5.44+8=13.44h 每天操作总批数：α=24X0.83/4.5=4.45 每锅每天操作批数： β=24/13.44=1.78 需要锅的个数： m=4.55/1.78=2.5 取用三个锅，生产能力后备系数为：
解： 每台锅每天操作批数： β=24/17=1.41 每天生产西维因农药数量： 1000×1000÷300=3330Kg（GD）
需要设备总容积: mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3
取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。
δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%
例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻 苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时 间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。 设备装料系数取0.75
8
解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交 替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料 时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的 操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的 总容积为
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
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2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或FV与t ’，根据已有的设备容积Va， 求算需用设备的个数m。
• 设备装料系数为 ，则每釜物料的体积为 Va，按
设计任务，每天需要操作的总批次为：
VD 24FV
•
Va Va
每个设备每天能操作的批数为：
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
6
• 思考 • 选用个数少而容积大的设备有利还是选用
个数多而容积小的设备有利 ？
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3、计算示例
物料处理量FV一般由生产任务确定，辅助时间t0视实 际操作情况而定，反应时间t可由动力学方程确定， 也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以 及δ等
反应时间t的求算方法
• 由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意： • (1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往
受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来 求算反应过程的时间。 • (2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质 速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计 算反应时间。 • (3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温 过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相 当高的转化率。有时需分段作动力学计算。
=
24 t'
按设计任务需用的设备个数为：
m==2V4DVt'a =FVVta'
4
由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m’, m＇＞m。
因此实际设备总能力比设计需求提高了。 其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，
则
m' m100%
m
5
（2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t’,求设备体积与个
δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20% 10
三个还原锅交替操作的时间安排图
时间（小时）
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10
锅号
101
102
1 受料
还原
受料 还原
201
202
2
受料
还原
受料
301
还原
302
3
受料 还原
受料
还原
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例3-3西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实 验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今 需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容 积。年工作日取300天。
V F V t'/ 0 .8 1 3 /0 6 .7 1 5 .7 m 7 3
取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为 10m3的反应釜，后备能力为
( 1 8 0 .8 )/8 5 .8 1 5 % 0 1 .0 % 3
思考 如果取受料时间为1h，结果如何？
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例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造的 最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。
2
（4）*设备装料系数
实际生产中，反应器的容积要比有效容积大，以保 证液面上留有空间。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备
装料系数，以符号
表示，即：
=VR/V。其值视具体
情况而定
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无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜
带搅拌的反应釜
易起泡或沸腾状 况下的反应
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85