模块四 釜式反应器的计算2015.10.28
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微元时间微元 微元时间内微元 微元时间内进入 微元时间内离开 微元时间 微元体积的物料 微元体积的物料 体积内由于反 体积传递至环境 微元体积 应产生的热量 或载热体的热量 所带进的热量 所带走的热量 内累积热量
6.返混：具有不同停留时间的流体微元之间的混
合称为返混。
• 二、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。
微元时间微 微元时间内 微元时间内 微元时间微元 进入微元体 离开微元体 体积内转化掉 元体积内反 的反应物量 应物的累积量 积的反应物量 积的反应物量
V0 ( ' ) n' 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： n
n'
• • • •
后备系数一般在1.1～1.15较为合适。 VR V V0 ( ' ) 反应器有效体积 VR 按下式计算： ⒉给定n，求V 有时由于受生产厂房面积的限制或工艺过程的要 求，先确定了反应釜的数量，此时每台反应釜的 体积可按下式求得： V0 ( ' )
• 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，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，因原料组成的改变， 工艺参数调整是常有的事。现代化大型化 工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散 控制完成的。 • 反应器体积的确定是反应器计算的核心内 容。根据所确定的操作条件，针对所选定 的反应器型式，计算完成规定生产能力所 需的反应器有效体积，同时由此确定反应 器的结构和尺寸。
在实际设计工作中操作周期的确定有时需考虑到生产组织管理上
的方便。比如操作周期实际需7小时，可取作8小时，按每一个班 （8小时制）投一批料来组织生产。
• •
⒈给定V，求n 每天需操作的批次为：
24V0 24V0 VR V
•
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。其具体数值根据实际情况 而变化，可参考下表。
VR=FVt＇ 其中 t’ = t + t0
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：
15分 15分 25分
检查设备 加萘 加硫酸及升温
反应 压出料 操作周期
160分 15分 240分或4h
0.40～0.60 0.85～0.90
操作周期
达到规定转化率所需反应时间理论上可以用化学动力学方程式计 算，但实际情况较为复杂，例如： • 不少强烈放热的快速反应，反应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。 • 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 能单纯地从动力学方程式计算反应时间。 • 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。
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 条 件 装料系数范围 备实际容积之比称为 无搅拌或缓慢搅 0.80～0.85 拌的反应釜 设备装料系数，以符 号 表示，即： 带搅拌的反应釜 0.70～0.80
=VR/V。其 易起泡或沸腾状 况下的反应 值视具体情况而定 液面平静的贮罐 和计量槽
• （一）间歇操作釜式反应器的特点及其结构 • 间歇操作釜式反应器是化学工业中广泛采用的反 应器之一，尤其在精细化学品、高分子聚合物和 生物化工产品的生产中，间歇操作釜式反应器约 占反应器总数的90％。 • 它可用来进行均相反应，也可用于非均相反应。 在精细化工的生产中，几乎所有的单元操作都可 以在釜式反应器内进行。 • 但是，设备生产效率低，间歇操作的辅助时间有 时占的比例较大是间歇操作釜式反应器的缺点。
• 物料衡算和动力学方程式是描述反应器性 能的两个最基本的方程式。
三 间歇操作釜式反应器计算
• 工业上充分搅拌的间歇操作釜式反应器的性能和 行为接近于理想混合反应器。 • 对于均相反应，由于反应器内设有搅拌装置，因 此可以认为反应区域内物料的浓度、温度均一。 这与大多数的实际情况是比较一致的，这也是处 理均相间歇操作釜式反应器的一个重要假设。 • 对于非均相反应，由于反应区域内存在两个或两 个以上的相，则各相的反应物料组成不一定相同， 温度也未必相等，这时各相间可能存在质量传递 和热量传递，这与均相反应是不同的。
• 1.物料衡算式 • 物料衡算式以质量守恒定律为基础，是计算反应 器体积的基本方程。它给出反应物浓度或转化率 随反应器位置或反应时间变化的函数关系。如果 反应器内的参数是均一的，则可取整个反应器建 立衡算式。如果反应器内参数是变化的，可认为 在反应器的微元体积内参数是均一的，则微元时 间内取微元体积建立衡算式：
（一）间歇操作釜式反应器的特点及其结构
1.特点
反应物料一次加入，产物一次取出。
非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化。 同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
2．优、缺点：
优点：结构简单、加工方便； 效率高，温度分布均匀； 操作灵活，便于控制工艺条件。 缺点：生产效力低；辅助时长。 适用：经常需更换产品，小批量生产的工 艺过程式；均相、非均相反应。
V
n
例题4-1 邻硝基氯苯连续氨化，然后采用分 批操作法用Na2S还原邻硝基苯胺，制取邻 苯二氨，每小时氨化出料为0.83m3，还原 工序的操作周期为7h，（不算受料时间）， 装料系数取0.75，求V及n？ 解： 取辅助时间为9小时，则操作周期为16 小时。 取2只反应釜交替操作；n=2， V= V0t/ n =0.83*16*1.1/(0.75*2)=9.74m3
（二）间歇操作釜式反应器体积和数量计算
• 当设计一个车间或一套装置时，需要求算需用反应釜的 容积与数量。为此首先要取得下列数据。
1、每天处理物料总体积或每小时需处理的物料 体积 2、操作周期 3、设备装料系数
VD
GD
每天处理物料总体积
• 根据规定的生产任务通过物料衡算可以计算出每一道工序 每天所需处理的物料总重量 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，
3.结构 1-搅拌器； 2-釜体； 3-夹套； 4-搅拌轴； 5-压料管； 6-支座； 7-人孔； 8-轴封； 9-传动装置
• （二）间歇操作釜式反应器体积和数量计算
• 由物料衡算求出每小时需处理的物料体积后，即 可进行反应釜的体积和数量的计算。 • 计算时，在反应釜体积V和数量n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。 • 从提高劳动生产率和降低设备投资来考虑，选用 体积大而只数少的设备，比选用体积小而只数多 的设备有利，但是还要考虑其它因素做全面比较。
反应器操作中的几Βιβλιοθήκη Baidu术语
1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实
际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所
需的时间。(主要用于间歇反应器)
2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻
(主要用于连续流动反应器)。
算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时间。
３.平均停留时间
流体微元平均经历的时间称为平均停留 时间 。
４.空时
是反应器的有效体积VR与进料的体积流 量v0之比。物理意义是处理一个反应器体积 的物料所需要的时间。
VR v0
5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可 以处理多少个反应器体积的物料。
SV
1
※空时、空速用于连续流动反应器。做作业及考 试时，进料体积流量按反应器入口处温度、压力 求取。
• 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：
• 上式也是普遍式，不同情况下也可作相应简化。
• 3.动量衡算式 • 动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算 反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口 压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考 虑流体的动量衡算。一般情况下，反应器计算可 以不考虑此项。 • 4.动力学方程式 • 对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非 均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观 动力学方程。
• 上式是个普遍式，无论对流动系统或间歇系统都 适用，不同情况下可作相应简化。
• 2.热量衡算式 • 热量衡算式以能量守恒与转换定律为基础，它给 出了温度随反应器位置或反应时间变化的函数关 系，反映换热条件对过程的影响。当过程恒温时， 反应器有效体积的计算不需要热量衡算式，但是 要维持恒温条件而应交换的热量和所需的换热面 积却必须有热量衡算式。微元时间对微元体积所 作的热量衡算如下式所示：
已 知每小时处理的物料体积FV与操作周期t,求设备体积与个数
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
• 数学模型法是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①描述浓度变化的物 料衡算式；②描述温度变化的能量衡算式；③描 述压力变化的动量衡算式；④描述反应速率变化 的动力学方程式。
GD VD
FV t
'
= V = mVm
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：
模块四 釜式反应器计算
一 反应器计算的基本内容和基本方程 • 化学反应器是化工生产一系列设备中的核 心。 • 反应器的型式、尺寸大小、流体流动状态 等，在很大程度上影响产品的产量和质量。 • 化学反应器的选型、计算、选择最优化的 操作条件，是化工生产中极为重要的课题。
• • • • • •
一、反应器计算的基本内容 反应器计算主要包括以下三项内容： ①选择合适的反应器型式； ②确定最优的操作条件； ③计算所需的反应器体积。 上述三个方面内容不是各自孤立，而是相互联系 的，需要进行多方案的反复比较，才能做出合适 的决定。 • 选择合适的反应器型式，就是根据反应系统动力 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。
6.返混：具有不同停留时间的流体微元之间的混
合称为返混。
• 二、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。
微元时间微 微元时间内 微元时间内 微元时间微元 进入微元体 离开微元体 体积内转化掉 元体积内反 的反应物量 应物的累积量 积的反应物量 积的反应物量
V0 ( ' ) n' 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： n
n'
• • • •
后备系数一般在1.1～1.15较为合适。 VR V V0 ( ' ) 反应器有效体积 VR 按下式计算： ⒉给定n，求V 有时由于受生产厂房面积的限制或工艺过程的要 求，先确定了反应釜的数量，此时每台反应釜的 体积可按下式求得： V0 ( ' )
• 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，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，因原料组成的改变， 工艺参数调整是常有的事。现代化大型化 工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散 控制完成的。 • 反应器体积的确定是反应器计算的核心内 容。根据所确定的操作条件，针对所选定 的反应器型式，计算完成规定生产能力所 需的反应器有效体积，同时由此确定反应 器的结构和尺寸。
在实际设计工作中操作周期的确定有时需考虑到生产组织管理上
的方便。比如操作周期实际需7小时，可取作8小时，按每一个班 （8小时制）投一批料来组织生产。
• •
⒈给定V，求n 每天需操作的批次为：
24V0 24V0 VR V
•
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。其具体数值根据实际情况 而变化，可参考下表。
VR=FVt＇ 其中 t’ = t + t0
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：
15分 15分 25分
检查设备 加萘 加硫酸及升温
反应 压出料 操作周期
160分 15分 240分或4h
0.40～0.60 0.85～0.90
操作周期
达到规定转化率所需反应时间理论上可以用化学动力学方程式计 算，但实际情况较为复杂，例如： • 不少强烈放热的快速反应，反应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。 • 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 能单纯地从动力学方程式计算反应时间。 • 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。
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 条 件 装料系数范围 备实际容积之比称为 无搅拌或缓慢搅 0.80～0.85 拌的反应釜 设备装料系数，以符 号 表示，即： 带搅拌的反应釜 0.70～0.80
=VR/V。其 易起泡或沸腾状 况下的反应 值视具体情况而定 液面平静的贮罐 和计量槽
• （一）间歇操作釜式反应器的特点及其结构 • 间歇操作釜式反应器是化学工业中广泛采用的反 应器之一，尤其在精细化学品、高分子聚合物和 生物化工产品的生产中，间歇操作釜式反应器约 占反应器总数的90％。 • 它可用来进行均相反应，也可用于非均相反应。 在精细化工的生产中，几乎所有的单元操作都可 以在釜式反应器内进行。 • 但是，设备生产效率低，间歇操作的辅助时间有 时占的比例较大是间歇操作釜式反应器的缺点。
• 物料衡算和动力学方程式是描述反应器性 能的两个最基本的方程式。
三 间歇操作釜式反应器计算
• 工业上充分搅拌的间歇操作釜式反应器的性能和 行为接近于理想混合反应器。 • 对于均相反应，由于反应器内设有搅拌装置，因 此可以认为反应区域内物料的浓度、温度均一。 这与大多数的实际情况是比较一致的，这也是处 理均相间歇操作釜式反应器的一个重要假设。 • 对于非均相反应，由于反应区域内存在两个或两 个以上的相，则各相的反应物料组成不一定相同， 温度也未必相等，这时各相间可能存在质量传递 和热量传递，这与均相反应是不同的。
• 1.物料衡算式 • 物料衡算式以质量守恒定律为基础，是计算反应 器体积的基本方程。它给出反应物浓度或转化率 随反应器位置或反应时间变化的函数关系。如果 反应器内的参数是均一的，则可取整个反应器建 立衡算式。如果反应器内参数是变化的，可认为 在反应器的微元体积内参数是均一的，则微元时 间内取微元体积建立衡算式：
（一）间歇操作釜式反应器的特点及其结构
1.特点
反应物料一次加入，产物一次取出。
非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化。 同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
2．优、缺点：
优点：结构简单、加工方便； 效率高，温度分布均匀； 操作灵活，便于控制工艺条件。 缺点：生产效力低；辅助时长。 适用：经常需更换产品，小批量生产的工 艺过程式；均相、非均相反应。
V
n
例题4-1 邻硝基氯苯连续氨化，然后采用分 批操作法用Na2S还原邻硝基苯胺，制取邻 苯二氨，每小时氨化出料为0.83m3，还原 工序的操作周期为7h，（不算受料时间）， 装料系数取0.75，求V及n？ 解： 取辅助时间为9小时，则操作周期为16 小时。 取2只反应釜交替操作；n=2， V= V0t/ n =0.83*16*1.1/(0.75*2)=9.74m3
（二）间歇操作釜式反应器体积和数量计算
• 当设计一个车间或一套装置时，需要求算需用反应釜的 容积与数量。为此首先要取得下列数据。
1、每天处理物料总体积或每小时需处理的物料 体积 2、操作周期 3、设备装料系数
VD
GD
每天处理物料总体积
• 根据规定的生产任务通过物料衡算可以计算出每一道工序 每天所需处理的物料总重量 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，
3.结构 1-搅拌器； 2-釜体； 3-夹套； 4-搅拌轴； 5-压料管； 6-支座； 7-人孔； 8-轴封； 9-传动装置
• （二）间歇操作釜式反应器体积和数量计算
• 由物料衡算求出每小时需处理的物料体积后，即 可进行反应釜的体积和数量的计算。 • 计算时，在反应釜体积V和数量n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。 • 从提高劳动生产率和降低设备投资来考虑，选用 体积大而只数少的设备，比选用体积小而只数多 的设备有利，但是还要考虑其它因素做全面比较。
反应器操作中的几Βιβλιοθήκη Baidu术语
1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实
际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所
需的时间。(主要用于间歇反应器)
2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻
(主要用于连续流动反应器)。
算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时间。
３.平均停留时间
流体微元平均经历的时间称为平均停留 时间 。
４.空时
是反应器的有效体积VR与进料的体积流 量v0之比。物理意义是处理一个反应器体积 的物料所需要的时间。
VR v0
5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可 以处理多少个反应器体积的物料。
SV
1
※空时、空速用于连续流动反应器。做作业及考 试时，进料体积流量按反应器入口处温度、压力 求取。
• 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：
• 上式也是普遍式，不同情况下也可作相应简化。
• 3.动量衡算式 • 动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算 反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口 压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考 虑流体的动量衡算。一般情况下，反应器计算可 以不考虑此项。 • 4.动力学方程式 • 对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非 均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观 动力学方程。
• 上式是个普遍式，无论对流动系统或间歇系统都 适用，不同情况下可作相应简化。
• 2.热量衡算式 • 热量衡算式以能量守恒与转换定律为基础，它给 出了温度随反应器位置或反应时间变化的函数关 系，反映换热条件对过程的影响。当过程恒温时， 反应器有效体积的计算不需要热量衡算式，但是 要维持恒温条件而应交换的热量和所需的换热面 积却必须有热量衡算式。微元时间对微元体积所 作的热量衡算如下式所示：
已 知每小时处理的物料体积FV与操作周期t,求设备体积与个数
如果反应器容积V的计算值很大，可选用几个小的反应器
• 数学模型法是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①描述浓度变化的物 料衡算式；②描述温度变化的能量衡算式；③描 述压力变化的动量衡算式；④描述反应速率变化 的动力学方程式。
GD VD
FV t
'
= V = mVm
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：
模块四 釜式反应器计算
一 反应器计算的基本内容和基本方程 • 化学反应器是化工生产一系列设备中的核 心。 • 反应器的型式、尺寸大小、流体流动状态 等，在很大程度上影响产品的产量和质量。 • 化学反应器的选型、计算、选择最优化的 操作条件，是化工生产中极为重要的课题。
• • • • • •
一、反应器计算的基本内容 反应器计算主要包括以下三项内容： ①选择合适的反应器型式； ②确定最优的操作条件； ③计算所需的反应器体积。 上述三个方面内容不是各自孤立，而是相互联系 的，需要进行多方案的反复比较，才能做出合适 的决定。 • 选择合适的反应器型式，就是根据反应系统动力 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。