化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
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。
化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器
求：
已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反 应时间分别为多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积 大小。
总结
由间歇釜式反应器的设计方程可知： ○反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率， 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 定转化率所需时间t；
P vR A N A 0 NT 1 xA 1 A xA NT 0 A NT 0
P R A N A0 N A0 A A NT 0 NT 0 V NT V V0 1 A xA 1 A xA V0 NT 0
1 dN P rP V dt
对设计方程进行积分
1 dNA 0 dt N A0 V rA
t NA
A组分的转化率
N A0 N A xA N A0
间歇反应的反应时间 xA N A 0 dxA t 0 V rA
dNA dxA N A0
rA kc
n A
rA kc
n A
第三章 理想反应器
概述
化学反应器是化工生产中的关键设备，反应器 的类型很多，在不同类型的反映器中，能量与 物质的传递特性有很大差异，因此反应器的类 型对产品的质量及整个工艺过程的经济性都起 着决定性的作用。 反应器的选型就是要根据给定反应体系的动力 学特性，选择具有适宜传递特性的反应器设备 本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反应 器设计的基本理论。
间歇釜式反应器
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： α =
24V0 24V0 = VR V
β= 每个设备每天能操作的批数为：
n' =
24 24 = t τ +τ '
则需用设备个数为：
α V0 (τ + τ ') = β V
VR = V = V0 (τ + τ ' ) / n '
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] [A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 的积累量]=[A的进入量 的离开量 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。
热量衡算式 （1）依 据： 能量守衡定律。 （2）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。 （3）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]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] ]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量 [传给环境或热载体的热量] 传给环境或热载体的热量] （4）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。
BR体积和数量求算 体积和数量求算
已知条件 每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）
Vρ
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。 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，参见表3-1。
《间歇釜式反应器》课件
间歇釜式反应器的结构
罐体
由高强度材料制成的容器，抗压能力强。
搅拌系统
通过搅拌使反应物充分混合，加快反应速度。
加热夹套
提供反应所需的温度条件，确保反应进行。
冷却系统
用于控制反应器的温度，防止过热。
间歇釜式反应器的工作原理
1
装填反应物
将反应物加入反应器中，并密封好。
加热反应
2
通过加热夹套提供反应所需的温度。
《间歇釜式反应器》PPT 课件
什么是间歇釜式反应器
间歇反应器与连续反应器的区别
1 时间
间歇反应器在一段时间内完成反应，而连续反应器是持续进行。
2 反应条件
间歇反应器可以容易地进行反应条件的调整，而连续反应器则需要更稳定的操作。
3 产品输出
间歇反应器一次性产出一定量的产品，而连续反应器可以持续输出。
3
搅拌反应物
使用搅拌系统使反应物充分混合。
冷却反应物
4
通过冷却系统控制反应器的温度，使反 应停止。
常见的间歇釜式反应器的应用领域
化工
用于合成化学物质，例如合 成聚合物。
制药
在药品加工
用于食品加工过程中的小批 量反应。
间歇釜式反应器的优缺点
1 优点
灵活性高，能适应不同的反应条件和物料。
2 缺点
生产效率相对较低，需要一定的操作时间。
总结
间歇釜式反应器在化工、制药和食品加工等领域有广泛的应用，其结构简单，工作原理清晰，灵活性高，是一 种重要的反应器类型。
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
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。
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
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N A t t N A t t
rAV
当t趋于0时
dN A dt
rAV
rA
1 V
dN A dt
定义产物P组分的生成速率：rP 反应速率为单位 时间单位体积生成P的摩尔量
rP
1 V
dNP dt
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
√
√ √
√
√
0
态）
非稳态
√
√
√
√
3.2间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
本节所要掌握的内容
1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应 用；
2.等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 3.变容间歇釜式反应器的计算（单一反应） 4.确定最佳操作条件，计算完成规定的生产任务
◇间歇釜式反应器的物料衡算
对整个反应器中A组分物料进行衡算：
单位时间进入 单位时间流出 单位时间 单位时间内在
反应器的物料 反应器的物料 反应掉的 反应器内物料
A的量
A的量
物料A的量
A的累积量
0
0
rAVt
N A t t N A t
N A t t N A t 0 0 rAVt
应器的形式和最佳操作条件 ●复完成生产任务所必需的反应器体积及生产能力
理想反应器特性 ●理想混合反应器特性
返混无穷大，完全混合，混合瞬间完成，器内物料具有完全相 同的温度和浓度，且等于反应器出口的温度和浓度。 如：搅拌良好的釜式反应器。
●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。
t N A 1 dNA A P V N A0 rA
t NA dN A 1 ln N A
k N N A0
A
k N A0
xA
N A0 N A N A0
1
NA N A0
t
1 k
ln 1
xA
35.7s
rA kcA
恒压间歇反应器
AA PP RR
N A N A0 N A0xA
NP
所需的反应器体积
3.2间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
排除了物质的传递（搅拌良好） 无需考虑的反应器内热量传递 非定常态过程，cA、产物随时间
而变，化学反应的结果将唯一地 由化学反应动力学确定，反应进 行的程度决定于反应时间的长短 具有周期性，一个周期包括操作 （反应）时间t，也包括辅助（非 生产性）时间t’ 生产灵活性大
NP0
P A
N A0xA
NR
NR0
R A
N A0xA
惰性气体
NI NI0
NT
NT 0
P
vR
A
A
N
A0 xA
NT NT 0
1 P
vR
A
A
N A0 NT 0
xA
1 AxA
A
P
R A
A
N A0 NT 0
N A0 NT 0
V V0
NT NT 0
1 AxA
V V0 1 AxA
间歇反应的反应时间
t xA N A0 dxA 0 V rA
dxA
dN A N A0
rA
kc
n A
rA kcAn
rA
k cAn
k
N
n A
Vn
k
N
n A0
1 xA Vn
n
t
1
k
N n1 A0
V xA n1
0
dxA 1 xA n
恒容间歇反应器
t
V n1
k
N n1 A0
xA 0
dxA 1 xA n
V vT t t
求得反应器的体积V后，根据实际反应过程的 装料系数，可以求得反应器实际体积
VT V
例题
例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸 与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸 树脂，实验测得该反应的速率方程式为：
rA=kCACB 式中：
rA----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
t
1
k
cn 1 A0
xA 0
dxA 1 xA
n
当n1
t
1
k
cn 1 A0
1
n
1
xA
1 n
1
当n＝1
t
1 k
ln1x A
1 k
ln
1
1 xA
xA 1 ekt
例题
对于一级不可逆反应方程：
A B, rA kcA
在一间歇反应器完成上述反应，如k＝0.01s-1， 试计算转化率达到30%时所用的反应时间。
t
V n1 0
k
N n 1 A0
xA 0
1 AxA
n 1
dxA 1 xA
n
1
k
cn 1 A0
xA 0
1 AxA
1 xA
n 1 n
dxA
间歇反应器的体积计算
生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料量 ，根 据每批操作所需要的时间可以算出反应器的体积。其 中每批操作所需要的时间包括两部分，一是物料的反 应时间t，另外还有反应以外的加料、生温、冷却、卸 料、清洗等时间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V 计算公式为：
理想反应器的三种基本形式
●间歇反应器 (Batch reactor) ●活塞流反应器 (Plug flow reactor – PFRs) ●全混流反应器 (Continuous stirred tank reactors – CSTRs)
本章内容
●掌握工业反应器设计和开发计算中所为基本原理 ●以反应动力学为基础，根据反应的特点和反应器的性能，确定化学反
○有效容积：VR VR=v(t+t0) v----单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算） t0----每批生产的辅助时间
○实际体积：V V=VR /φ φ----装填系数
SV vT 1 FA,0
V cA,0V
空速表明反应器的生产能力，一般说来，空 速越大，反应器的生产能力越大。
反应设计的基本计算方程式
物料衡算方程：A组分累积量=A组分流入量-A组分 流出量-A组分反应消耗量
反应器 间歇式
反应单元 带入量 带出量 反应量 累积量
整个反应器 0
0
√
√
全混釜（稳 整个反应器 √
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，
反应器容积 进料的体积流量
V vT
反应器容积 t 反应器中物料的体积流 量
空时与平 均停留时 间
连续流动反应器的空时、空速
空速（SV）：是空间速度的简称，它是空时 的倒数。指在规定的条件下，单位时间内通过 单位反应器容积的物料体积
总结
由间歇釜式反应器的设计方程可知： ○反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率， 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
定转化率所需时间t； t xA N A0 dxA 0 V rA
cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 cA0、cB0均为0.004 kmol.L-1
求：
已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反 应时间分别为多少？
若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积 大小。
第三章 理想反应器
概述
化学反应器是化工生产中的关键设备，反应器 的类型很多，在不同类型的反映器中，能量与 物质的传递特性有很大差异，因此反应器的类 型对产品的质量及整个工艺过程的经济性都起 着决定性的作用。
反应器的选型就是要根据给定反应体系的动力 学特性，选择具有适宜传递特性的反应器设备
本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反应 器设计的基本理论。