1000吨年乙酸丁酯反应器的体积计算(间歇操作)

项目：A01 1000吨/年乙酸丁酯反应器的选型、设计与操作

任务：A0105—1 1000吨/年乙酸丁酯反应器的体积计算（间歇操作）小组成员：钱东进杨志勇裴彩虹刘志清王震

任务描述：生产乙酸丁酯的反应在373K恒温条件下进行，进料比为乙酸:丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化剂，选用间歇操作釜式反应器。当使用过量丁醇时，该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方程式为(-rA)=kcA2，反应速率常数k=0.0174m³/(kmol.min) ，反应物密度ρ=750kg/m3（假设反应前后不变）。要求乙酸转化率达到0.5，不考虑分离等过程损失。若每年按300天计，每天按三批计，每批辅助时间为30min，反应釜只数为1，装料系数为0.6。试计算所需反应器的有效体积和反应器体积。

任务一：简单描述反应器的计算内容和基本方程式：

（一）：反应器计算的基本内容（The basic content of reactor calculation）：

①：选择合适的反应器型式

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。

②：确定最佳操作条件

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。计算

机收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序，计算出结

果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。

③：计算完成生产任务所需的反应器体积

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。

（二）：反应器计算的基本方程（The basic equation calculating reactor ）

①：描述浓度变化的物料衡算式：

依据： 质量守衡定律。

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。

衡算式：对任一组分A 在单元时间Δτ、单元体积ΔV 内： [A 的积累量]=[A 的进入量]-[A 的离开量]-[A 的反应量]

目的： 给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。 ②：描述温度变化的能量衡算式：

依据： 能量守衡定律。

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。

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]

目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。 ③：描述压力变化的动量衡算式：

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：描述反应速率变化的动力学方程式：

1：对于均相反应（homogeneous reaction ），需要有本征动力学方程:

在均相反应系统中只进行如下不可逆化学反应： 其动力学方程一般都可表示成：

aA bB rR sS +−−

→+12

i i A B

r k c c

αα±=()111A

A A A

B dn r k

C C V d αβτ

-=-

=

对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分压来表示：

其中：

κp 单位：kmol/m ³.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。

2：对于非均相反应（heterogeneous reaction ），应该有包括相际传递过程在内的

宏观动力学方程

物料衡算式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。

任务二：用解析法计算乙酸丁酯反应器（间歇釜）的体积：

（一）：BR 体积和数量求算（BR size and quantity asks to calculate ）： ①：已知条件：

1：每天处理物料总体积V D （或反应物料每小时体积流量V 0）

或 V 0=F A0/C A0=W 0/ρ

2：操作周期——指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时间（生产时间）τ和非生产时间τ’组成。

3：反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。设

备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其具体数值根据实际情况而变化。

1

21()A A p A B

dn r k p p V d αατ

-=-

=12()()A A

p n

k k k RT RT αα+=

=

1333n

n

kmol kmol m m h

h

kmol m -⎛⎫ ⎪

⎝⎭=

⎛⎫ ⎪⎝⎭

②：计算方法：

1、已知V0与，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n，按设计任

务每天需要操作的总次数为：

每个设备每天能操作的批数为：

则需用设备个数为：

n’需取整数n ， n ＞ n’。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，则：

2、已知每小时处理物料体积V0与操作周期，则需要设备的总容

积为：

求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V和个数n ③：任务计算：

1：计算反应时间：

乙酸和丁酯的相对分子质量分别为60和74，故得乙酸的初始浓度：

C

=1×750/1×60+5×74=1.7 kmol/m³

0乙酸

将反应速率常数k=0.0174m³/（kmol.min）和乙酸的转化率0.5代入，得反应时间为：1/0.0174×1.7×0.5/1-0.5=34min

2：计算反应器有效体积：