2019最新第三章_间歇釜式反应器体育
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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
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 )
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
������������
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
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。
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。
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1
第三章 理想反应器
1.间歇釜式反应器（Batch Reactor, BR) 2.全混流反应器（Continuously Stirred Tank Reactor CSTR) 3.平推流反应器（Plug Flow Reactor， PFR)
19
H2SO4 +
SO3H
OH
98
128
144
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 626L
330 24
144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000 103 0.99 98 1.07 1 1000
18
• 例3-2 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。
270 L
330 24
144 0.75 0.98 1.84
每小时处理物料总体积为:Q0=626+270=896L
反应器的体积为： V Q0t' 896 3.67 4390L
0.7
若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产能力后备系数为：
2 2500 4390 100% 13.9%
12
（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 条
件
无搅拌或缓慢搅
装料系数，以符号
拌的反应釜
表示，即：
带搅拌的反应釜 易起泡或沸腾状
=VR/V。其值视具
体情况而定
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
解：由 t
xAf
得
kCA0 (1 xAf )
xAf
ktCA0 1 ktCA0
又由 VR Q0 (t t0) 得 t VR / Q0 t0
解上述方程得
xAf 80.0% 26
例3-4：在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩 聚反应,其动力学方程为rA=kCA2 kmol/(L·min)， k=1.97L/(kmol·min)。己二酸与己二醇的摩尔配 比 为 1:1 ， 反 应 混 合 物 中 己 二 酸 的 初 始 浓 度 为 0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己 二酸的转化率达到80%，每批操作的辅时为1h， 装料系数取为0.75，计算反应器体积。
20
4390
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 Q0, t’
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。
t’ = t + t0
21
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。
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
m
15
（2）已知每小时处理的物料体积Q0与操作周期t’,求设备体积与个
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小，
解： rA
dCA dt
k CA 2
kCA02 (1
xA)2
积之得
t
xAf
8.5h
kCA0 (1 xAf )
27
物料的处理量为
2400 Q0 24146 0.004 171.0L/h
操作周期为
t' t t0 9.5h
反应体积为
VR Q0t ' 1625L
间t0 两部分组成。
• 压出料
15分
• 即t’ = t + t0
• 操作周期 240分或4小时
10
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。
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
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
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
11
（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
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
4
5
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
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
8
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
料处理量为Q0
VD
=
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
Q0=VD/24
9
（2） 操作周期t’
(3) 二级反应 A→R
(4) 二级反应 A+B→R(CA0=CB0)
rA kCA0
rA kCA
rA
k
C2 A
rA kCACB
t
xAf CA0 /
k
CA0 CAf k
t
1 k
ln(1/(1
xA ))
1 k
ln
C A0 CA
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
0
0
(rA )VR
dn A = d（VRC A）
dt
dt
所以
(rA)VR dnA / dt
22
由反应物A转化率xA的定义 xA (nA0 nA ) / nA0
得到
dnA nA0dxA
于是，
(rA)VR nA0dxA / dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 (rA )VR
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
13
2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或Q0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 24Q0
•
Va Va
每个设备每天能操作的批数为：
24 = t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
14
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 %
积分得 其中-rA一般具有
t CAf dCA
CA0 (rA )
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
反应器的有效体积 VR=FV (t＋t0)
24
等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*
化学反应 速率微分式 反应时间积分式
(1) 零级反应 A→R
(2) 一级反应 A→R
1
第三章 理想反应器
1.间歇釜式反应器（Batch Reactor, BR) 2.全混流反应器（Continuously Stirred Tank Reactor CSTR) 3.平推流反应器（Plug Flow Reactor， PFR)
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H2SO4 +
SO3H
OH
98
128
144
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 626L
330 24
144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000 103 0.99 98 1.07 1 1000
18
• 例3-2 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。
270 L
330 24
144 0.75 0.98 1.84
每小时处理物料总体积为:Q0=626+270=896L
反应器的体积为： V Q0t' 896 3.67 4390L
0.7
若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产能力后备系数为：
2 2500 4390 100% 13.9%
12
（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 条
件
无搅拌或缓慢搅
装料系数，以符号
拌的反应釜
表示，即：
带搅拌的反应釜 易起泡或沸腾状
=VR/V。其值视具
体情况而定
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
解：由 t
xAf
得
kCA0 (1 xAf )
xAf
ktCA0 1 ktCA0
又由 VR Q0 (t t0) 得 t VR / Q0 t0
解上述方程得
xAf 80.0% 26
例3-4：在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩 聚反应,其动力学方程为rA=kCA2 kmol/(L·min)， k=1.97L/(kmol·min)。己二酸与己二醇的摩尔配 比 为 1:1 ， 反 应 混 合 物 中 己 二 酸 的 初 始 浓 度 为 0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己 二酸的转化率达到80%，每批操作的辅时为1h， 装料系数取为0.75，计算反应器体积。
20
4390
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 Q0, t’
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。
t’ = t + t0
21
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。
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
m
15
（2）已知每小时处理的物料体积Q0与操作周期t’,求设备体积与个
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小，
解： rA
dCA dt
k CA 2
kCA02 (1
xA)2
积之得
t
xAf
8.5h
kCA0 (1 xAf )
27
物料的处理量为
2400 Q0 24146 0.004 171.0L/h
操作周期为
t' t t0 9.5h
反应体积为
VR Q0t ' 1625L
间t0 两部分组成。
• 压出料
15分
• 即t’ = t + t0
• 操作周期 240分或4小时
10
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。
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
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
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
11
（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
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
4
5
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
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
8
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
料处理量为Q0
VD
=
GD
GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
Q0=VD/24
9
（2） 操作周期t’
(3) 二级反应 A→R
(4) 二级反应 A+B→R(CA0=CB0)
rA kCA0
rA kCA
rA
k
C2 A
rA kCACB
t
xAf CA0 /
k
CA0 CAf k
t
1 k
ln(1/(1
xA ))
1 k
ln
C A0 CA
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
0
0
(rA )VR
dn A = d（VRC A）
dt
dt
所以
(rA)VR dnA / dt
22
由反应物A转化率xA的定义 xA (nA0 nA ) / nA0
得到
dnA nA0dxA
于是，
(rA)VR nA0dxA / dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 (rA )VR
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
13
2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或Q0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 24Q0
•
Va Va
每个设备每天能操作的批数为：
24 = t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
14
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 %
积分得 其中-rA一般具有
t CAf dCA
CA0 (rA )
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
反应器的有效体积 VR=FV (t＋t0)
24
等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*
化学反应 速率微分式 反应时间积分式
(1) 零级反应 A→R
(2) 一级反应 A→R