第三章_间歇釜式反应器
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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
第三章 釜式反应器
半间歇釜式反应器的物料衡算式：
设有反应：
A B R , r k ' c AcB
Q0c A0
QcA
( R A )V
d (V c A ) dt
Q 0 c A 0 Q c A R AV
d (V c A ) dt
式中V为反应器中混合物的体积，其值随时间而变。假定操作开始时先向反应器中注入 体积为V0的B,然后连续输入A,流量为Q,浓度为CA0，且不连续导出物料，即Q=0，即有
V V0 Q 0t
若将VCA看做变量，则该式为一阶线性微分方程，初始条件是t=0， VCA=0， Q0为常数时，一阶微分方程的解为：
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
将
V V0 Q 0t
cA cA0
代入
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
Q 0 c A 0 R AV
d (V c A ) dt
又设B大量过剩，则该反应可按一级反应处理，即 rA kc A
,代入上式有：
Q 0 c A 0 k c A 0V
任意时间下反应混合物的体积：
d (V c A ) dt
V V0
t 0
Q0dt
若为恒速加料，则Q0为常数，所以
FA 0 v0 c A 0
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
(v c p + K A )
-(v c p T 0 + K A T m )
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
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？
第三章 釜式反应器
13
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分：
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应）
恒容条件下（多数情况）
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为： rA kCAn
i
反应生成
物质量 物质量 i物质量
通式为
7
间歇釜式反应器的物料衡算式
由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出，因此
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内
i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应)， 又可用于多相反应，如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上，既可以 是进行连续操作，也可 以进行间歇或半间歇操 作。
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分：
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应）
恒容条件下（多数情况）
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为： rA kCAn
i
反应生成
物质量 物质量 i物质量
通式为
7
间歇釜式反应器的物料衡算式
由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出，因此
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内
i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应)， 又可用于多相反应，如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上，既可以 是进行连续操作，也可 以进行间歇或半间歇操 作。
化学反应工程第三章答案
3 釜式反应器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l，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO水溶液及30%（重3量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到95%。
（1）（1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用的NaOH溶液滴定，以确定500kg/h，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：于是可求出A的平衡转化率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当CA=×l时，所对应的反应时间为48min。
反应工程-答案-第三章
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH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0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
工学第三章间歇反应器与理想反应器
代表反应器处理物料的能力
变小，处理能力变大
对于均相反应：
空
速
1 空时
（体积空速）
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。
空速越大，反应器的原料处理能力越大。
设计方程的应用
Vr cA0 cA cA0 X A
Q0
rA
rA
已知rA，可求得不同空时下的组成 已知rA，可求得不同转化率下的空时
dH2 HrrAVrdt （单一反应）
dH H1 dH2 H3
mt为反应物系的质量
mt c pt dT Hr rAVr dt cpt为反应物系的比热容
c pt为温度 T Tr间的平均比热容
变温间歇操作的热量衡算
又：dq UAh (TC T)dt
dT mt c pt dt UAh (Tc T ) HrVrrA
3.3 理想流动下的釜式反应器
• 连续搅拌槽式反应器，简 称 CSTR。流入反应器的 物料，在瞬间与反应器内 的物料混合均匀，即在反 应器中各处物料的温度、 浓度都是相同的。
• 全混流反应器，简称MFR。
3.3.1 全混流模型
基本假定： 反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即 完全均匀地混合，即混合程度达到最大。
图解分析
正常动力学
A
1 rA
F
0
B
E
H X A1 XA
D
单釜
Vr
Q0cA0 X A2 rA ( X A2 )
K
X A2
两釜串联
Vr
Q0cA0 X A1 rA ( X A1)
对关键组分A有：
Vr
Q0cA0 X Af (k1 k2 )cA
对目的产物P有：
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
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
化学反应工程第三章釜式反应器
cp k1c A
A P Q
dc A 0 dt dc (k1c A k 2 c P ) P 0 dt k1c A
c A0 X Af k1c A
cp k1c A k 2 c p
BR和CSTR反应体积的比较
t BR c A0
0
X
dX rA
CSTR c A0
与环境交换的热内能的变化变温间歇釜式反应器dhdq间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化dhtr为计算的基准温度变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算dt为反应物的比热容pt间的平均比热容为温度dhdtuadq为传热面积tc为环境温度变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算uadtdt讨论等温反应绝热反应dtdxuadtdtdtdx1
3.5 连续釜式反应器的串联与并联
1.图解分析
正常动力学
A
1 R A
B
D
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
c
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温间歇 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 ： 反应物A的浓度为：
c A c A0e
ci k i c A0
( t ki )
1
M
反应产物的浓度为：
3.4 等温CSTR 的计算
空时与空速的概念：
空时：
Vr 反应体积 Q0 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Qo , 处理能力
空速：
Q0 FA0 Vr c A0Vr 1
因次 :时间
-1
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。
化学反应工程第三章
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 CA0 xA
CA CA0 kt
xA
kt CA0
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1 ekt
kt 1 1
kt 1 xA
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
N A,CAf X Af
, 若 xA0 0 则物料衡算方程为:
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝累积量
NA '
NA
(rA ) f VR
0
N A ' N A0 (1 xA0 ) N A N A0 (1 xAf )
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
CA 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应
A→B
反应速率
r
0.01C
应器中达到x=0.99，需要反应时间为10min，问：
（1）在全混流反应器中进行时， 应为多少？
（2）在两个串联全混流反应器中进行时， 又为多少？
第四节 多级全混流反应器的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为 CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器 的浓度推动力。
间歇式反应器ppt课件
.
⑶ 按反应物相态分 均相：无相间界面，反应速率仅与温度、浓度有关。
气相—管式 均液相—锅式、管式、喷射器型
非均相：过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。
气-液相—锅式、塔式、管式 液-液相—锅式、列管式 气-固相—沸腾床、固定床、锅式 液-固相—锅式 气-液-固相—锅式、塔式、流化床 固-半固相—球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式
解：化学反应方程式为
+ HNO3
NO2
+H2O
主反应
+2HNO3
NO2
NO2 +2H2O
副反应
苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分别为78、123和168
.
投入苯 300 98 % 294 kg
反应消耗苯
(468 98 % 0 .5 ) 78 468 0 .1 % 78
123
168
291 .4 kg
.
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。
.
3.物料衡算时应注意的问题
⑴计算基准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计 算的基础，通常是以单位时间内处理多少物料，或者是在单位 时间内生成多少成品或半成品作为依据。
基准的选择是按具体情况而定的：
①在大型的连续的设计计算中，先对设计提出生产任务，以此 折算成每昼夜生产多少成品作为基准。在折算过程中可以采用 年工作日为300天或330天(个别场合亦有以270天计的)。也可 以每小时生产成品量或每小时消耗原料量作为计算基准。
⑶ 按反应物相态分 均相：无相间界面，反应速率仅与温度、浓度有关。
气相—管式 均液相—锅式、管式、喷射器型
非均相：过程的速率与温度、浓度、相间传质速率均有关。
气-液相—锅式、塔式、管式 液-液相—锅式、列管式 气-固相—沸腾床、固定床、锅式 液-固相—锅式 气-液-固相—锅式、塔式、流化床 固-半固相—球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式
解：化学反应方程式为
+ HNO3
NO2
+H2O
主反应
+2HNO3
NO2
NO2 +2H2O
副反应
苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分别为78、123和168
.
投入苯 300 98 % 294 kg
反应消耗苯
(468 98 % 0 .5 ) 78 468 0 .1 % 78
123
168
291 .4 kg
.
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。
.
3.物料衡算时应注意的问题
⑴计算基准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计 算的基础，通常是以单位时间内处理多少物料，或者是在单位 时间内生成多少成品或半成品作为依据。
基准的选择是按具体情况而定的：
①在大型的连续的设计计算中，先对设计提出生产任务，以此 折算成每昼夜生产多少成品作为基准。在折算过程中可以采用 年工作日为300天或330天(个别场合亦有以270天计的)。也可 以每小时生产成品量或每小时消耗原料量作为计算基准。
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
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
反应工程 答案 第三章
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+C H C O O C H N aO H C H C O O N a C H O H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0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）002220001()(1)110.95169.6m in(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰A f A f X X A AA A A A A A A A AdX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++C H C lC H O H N aH C O C H O H C H O H N aC l C O以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.326610001.231/0.95275.8⨯==⨯A C m ol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V lf3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H C O O N a H C l C H C O O H N aC l为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
第三章釜式反应器
热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
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V FV t ' / 0.83 16 / 0.75 17.7m
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
(10 8.85) / 8.85 100% 13.0%
思考 如果取受料时间为1h，结果如何？
17
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。 解：选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5 m3，
20
• 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 963kg/m3 。磺化剂为98%硫酸，密度为1.84。 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。
21
H2SO4 + 98 128
SO3H 144
OH
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 10 3 0.99 128 1 1000 626L 330 24 144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000103 0.99 981.07 1 1000 270L 330 24 144 0.75 0.98 1.84
Va V Vma Vm 100% 100% V Vm
14
• 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 ？
15
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
第三章
间歇釜式反应器
BR（Batch Reactor）
• 3.1 釜式反应器的特点及其应用
• 3.2 间歇釜式反应器的容积与数量及设备间的平衡
• 3.3 等温间歇反应釜的计算 • 3.4 变温间歇釜的计算 • 3.5 半间歇釜式反应器
1
3.1.1釜式反应器的结构 *
1. 釜的主体，提供足够的容积，确保达 到规定转化率所需的时间
或
VD3 = = Va11 Va 2 2 Va 3 3 VD1 VD 2
23
例3-5萘酚车间的磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及
中和。现有铸铁磺化锅的规格2 m3，2.5 m3及3m3三种。试设
计各工序的设备容积与数量。已知各工序的VD，t’及 如下表： 工序 磺化 水解 吹萘 中和 VD（m3） t ’ （h） 20.0 21.25 30.0 113.5 4.0 1.5 3.0 5.0 φ 0.80 0.85 0.60 0.60
' ' F t V t V D m= = = 24Va Va
12
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 m 100% m
'
13
（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 数 FV t ' = V = mVm 需要设备的
装料系数范围 0.80～0.85 0.70～0.80 0.40～0.60 0.85～0.90
11
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
条 件 无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜 装料系数，以符号 带搅拌的反应釜 表示，即： 易起泡或沸腾状 =VR/V。其值视具 况下的反应 液面平静的贮罐 体情况而定 和计量槽
m'
2 1 2 3
δ% 19.8 60 60 44
Va 2.5 2.5 2 19
0.8 0.85 0.6 0.6
27
3.3 等温间歇釜式反应釜的计算*
反应器容积V 反应器有效体积VR FV, t’ t’ = t + t0
确定反应时间的两种方法：①经验法; ②动力学法 ①间歇反应属非定态操作，反应时间 取决于所要达到的反应进程 ②反应器内各处浓度、温度均一，所 以，可对其中某一反应物做物料衡算， 以确定反应时间。
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%
28
3.3.1 单一反应
1.反应时间的计算 设在间歇反应器内进行如下化学反应 A＋B→R
若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积)；rA为t时刻的反应 速率； nA0 为反应开始时 A 的摩尔量； nA 为 t 时刻的 A的摩尔量。 并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。
9
（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
保证各道工序每天操作总批次α相等
α1 = α2 = …= αn 总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn 或
m1 t1' = m2
' t2
即
= ....=
mn
' tn
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
FV 1 FV 2 FV 3 = = Va11 Va 2 2 Va 3 3
VD Va
=21.25/（10×0.85）=2.5m3
26
同样方法计算吹萘及中和二个工序。
将各工序计算结果列表如下：
工序 磺化 水解 吹萘 中和 VD（m3） 20.0 21.25 30.0 113.5 α 10 10 10 10 β 6 16 8 4.8 m 1.67 0.625 1.25 2.08
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：
δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20%
2.搅拌装置，由搅拌轴和搅拌器组成，
使反应物混合均匀，强化传质传热
3.传热装置，主要是夹套和蛇管，用来
输入或移出热量，以保持适宜的反应 温度
4. 传动装置 , 是使搅拌器获得动能以强
化液体流动。 5. 轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏 6.工艺接管,为适应工艺需要
2
3
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
24
解：（1）先作磺化工序的计算 如取Va=2 m3，计算
VD 20 = = = 12.5 Va 0.8 ×2
24 24 = ' = =6 4 t
12.5 m= = 6
m' m 3 2.08 100% 100% 44% m 2.08
再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算，结果列于下表中： Va 2.0 2.5 3.0
0.8 0.8 0.8
α 12.5 10.0 8.34
β 6 6 6
m 2.08 1.67 1.58
m'
δ% 44 20 44
25
3 2 2
比较三种方案，选用2个2.5 m3的磺化锅较为合适。
（2）水解及其他工序的计算
使水解工序：α=10 β=24/1.5=16，m=10/16=0.625 取 m ' =1， δ=[（1-0.625）/0.625] ×100%=60% 水解锅容积的计算： = Va=VD/α
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，
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，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 t’ ， 操作时间 t’ 包括反应 时间t和辅助操作时 间t0 两部分组成。 • 即t’ = t + t0
• 例如萘磺化制取2-萘磺酸 的操作周期: • 检查设备 15分 • 加萘 15分 • 加硫酸及升温 25分 • 反应 160分 • 压出料 15分 • 操作周期 240分或4小时
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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
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（ 1 ）每天处理物料总体积 VD 和单位时间的物
料处理量为FV
VD =
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
FV=VD/24
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（2） 操作周期t’*