第3章釜式反应器
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化学反应工程_连续流动釜式反应器讲解
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜 维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；
在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度 下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串 联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应 物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时 间或反应器体积就越小。
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
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。
多级全混釜的串联及优化
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。 由图示，显然有，ΔCA平>ΔCA全 平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器 中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于 全混流反应器体积。
浓度分布 ------ 推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低
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 釜式及均相管式反应器综述
t C A0
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应 器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应 器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；
第三章_间歇釜式反应器 ppt课件
•操作灵活性大，便于控制和改变反应条件 •辅助时间占的比例大 ,劳动强度高，生产效率低.
6
2、应用
•适合于多品种、小批量生产 •适应于各种不同相态组合的反应物料 几乎所有有机合成的单元操作
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
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
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
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=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=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，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 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 ？
17
3、计算示例
6
2、应用
•适合于多品种、小批量生产 •适应于各种不同相态组合的反应物料 几乎所有有机合成的单元操作
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
24
4390
3.2.2 间歇操作设备间的平衡
保证各道工序每天操作总批次α相等
即
α1 = α2 = …= αn
总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn
或
m1 t1'
=mt2'2
=....=mtn'n
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
数
需要设备的总容积为：
FV t '
=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=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，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
16
• 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 ？
17
3、计算示例
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
分离工程第三章 釜式反应器10
，特别适用于多品种、小批量的化学品生产。因此，在医药、试 剂、助剂、添加剂等精细化工部门得到了广泛的应用。
• 间歇反应器操作时间由两部分组成：一是反应时间，即装料完
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时间 ，即装料，卸料及清洗所需时间之和。
• 设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时
等式零的部不件同。，根搅据拌反釜应式物反料应的 性器质可，分罐为体开的式内(法壁可兰内连衬接橡)和
胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等
耐闭腐式蚀(焊材接料)。两为大控类制。反目应前温， 度釜，式罐反体应外器壁的常技设术有参夹数套已，
内部也可安装蛇管。标准釜
底实一现般标为准椭化圆。形，根据工艺
要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
均相或拟均相
釜式反应器的全混流假设：
• 反应区内反应物料的浓度均一 • 反应区内反应物料的温度均匀
本章内容
釜式反应器的物料衡算通式 ❖ 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可 算出每小时乙酸用量为 由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
原料液各组分起示浓度分别为
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
(A) 其中
将(A)式代入得反应时间为
(B)
由a,b及c的定义式知，
勇于开始，才能找到成 功的路
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
• 间歇反应器操作时间由两部分组成：一是反应时间，即装料完
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时间 ，即装料，卸料及清洗所需时间之和。
• 设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时
等式零的部不件同。，根搅据拌反釜应式物反料应的 性器质可，分罐为体开的式内(法壁可兰内连衬接橡)和
胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等
耐闭腐式蚀(焊材接料)。两为大控类制。反目应前温， 度釜，式罐反体应外器壁的常技设术有参夹数套已，
内部也可安装蛇管。标准釜
底实一现般标为准椭化圆。形，根据工艺
要求，也可采用平底、半球 底或锥形底等。
均相或拟均相
釜式反应器的全混流假设：
• 反应区内反应物料的浓度均一 • 反应区内反应物料的温度均匀
本章内容
釜式反应器的物料衡算通式 ❖ 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作
解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可 算出每小时乙酸用量为 由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
原料液各组分起示浓度分别为
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
(A) 其中
将(A)式代入得反应时间为
(B)
由a,b及c的定义式知，
勇于开始，才能找到成 功的路
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
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2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻 算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时 间。(主要用于连续流动反应器)。
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Q0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
Q0 5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以
[例3.1]在等温间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应
CH3COOH C2H5OH
k1 k2
CH3COOC2H5 H2O
A
B
R
S
每天生产乙二醇12000kg。原料中反应组分的质
量比A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3,反应
温度为100℃，反应速率方程为 rA=k1(CACB-CRCS/K) 在100℃ k1=4.76×10-4K/(mol·min)，K=2.92。要求乙
处理多少个反应器体积的物料
SV
1
3.2等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
一、.间歇釜式反应器的特点
1.反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连
续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。
CA
CA0
时间
C ┆ ┆ Aout┄┄┄┄┄┄┄┄ ┄┄┄┄┄┄ ┄┄
FR
CRVr t t0
对时间t求导并令
dFR 0 dt
dFR
d[CRVr ] t t0
(t t0 )Vr
dCR dt
Vr CR
Hale Waihona Puke 0dtdt
(t t0 )2
dCR CR dt (t t0 )
通过上式，只要CR和t的关系，即可用解析法或图解 法求得满足单位时间产品产量最大所必须的条件——最
(2).目标函数为单位生产量的总费用AT
A
kC
A0
1 xA
1
t
kC
1 A0
xA 0
dxA 1 xA
1 xA 1 1
1
kC
1 A0
1
2.每批操作所需的时间
由(3.7)式所得的时间是指在一定的操作条件 下，为达所要求转化率xA所需的反应时间，每批操 作所需的时间是(t＋t0)。 t0是辅助生产时间，包 括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。
第三章 釜式反应器
主要讲釜式反应器的设计原理 要求掌握的内容：
1.间歇反应器的设计计算方法 2.全混流反应器的设计计算方法
釜式反应器
用夹套和内设管束换热的釜式反应器
3.1、反应器操作中的几个术语
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)
xA 0
dxA 2.61 5.15xA 0.6575xA2
118.8 min
7.反应器有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)=4.155×(118.8/60+1)=12.38m3
8.反应器实际体积
V Vr = 12.38 =16.51m3 f 0.75
3.2.2 最优反应时间
（1）目标函数为反应器的平均生产速率FR kmol/h
h
原料处理量
Q0
16.23 60 (1 1020
2 1.35)
4.155m 3
/
h
3.计算原料液中各组分的起始浓度
16.23 CA0 4.155 3.908mol / L
3.908 60 2
CB0
46
10.2mol / L
3.908 60 2
CS0
18
17.59mol / L
4.各组分瞬间浓度与转化率之间的关系：
酸转化率达到35％。
(1)若辅助时间为1h，试计算反应器的有效体积。
(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解： 1.计算各组分的分子量 MA=60 MB=46 MR=88 MS=18
2.计算乙酸处理量及原料处理量
乙酸处理量
FA0
12000 88 24 0.35
16.23kmol
/
CA CA0 1 xA
CR CA0 xA
CB CB0 CA0 xA CS CS0 CA0 xA
5.反应速率方程
rA k1 CACB CRCS / K
72.70103 2.61 5.15xA 0.6575 xA2
6.计算反应时间
t CA0
xA dxA 3.908 0 rA 72.70103
┆
┆
tout/2
tout
t
CA
CA0┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄t=0
图3.1-1带有搅拌器的釜式反应器
﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout/2
CAout﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout 0 空间位置
二、反应时间及反应体积的计算
1.反应时间
对于反应 A B R
根据间歇反应器的特点对整个反应器作组分 A的物料衡算
恒容时：
t CA0
xA dxA 0 rA
等温间歇釜式反应器的反应过程可视为等容 过程，对于一级不可逆反应：
rA kCA kCA0 1 xA
t CA0
xA dxA 0 rA
xA dxA 0 k 1 xA
11 ln
k 1 xA
在等温间歇釜式反应器中进行α级不可逆反应
rA
kC
组分A的 流入量
=
组分A的 流出量
+
组分A的 反应量
+
反应器内组 分A的积累量
0
0
dnA
(R A )Vr
dt
(R A )Vr
dnA dt
0
nA nA0 1 xA
(R A ) rA
rAVr
nA0
dxA dt
0
t nA0
xA dxA 0 rAVr
间歇反应器的设计基础式
无论是等温或变温、等容或变容上式均成立。 对于非等温过程，上式应与热平衡方程联立求解。
优反应时间。
图解法
①.用速率式计算出t～xA的关系 ②.由产品与xA的关系计算CR～t关系 ③.作CR～t图
④.作 OA t0 A(t0 ,0)
⑤.自A(-t0，0)做CR～t曲线 的切线，切点为M，斜
CR
M
N
率 MD/AD=dCR/dt ⑥.M点的横座标为最优
A 0D
t
反应时间
图3.2 平均生产速率最大图解法示意图
3.反应器有效体积Vr的计算
反应器的有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)
式中：Q0 是单位时间内处理的反应物料的体积。
反应器实际体积V的计算
反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实 际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
V Vr f
式中：f是装料系数，一般为0.4～0.85， 不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85， 起泡、沸腾物料取0.4～0.6
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Q0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
Q0 5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以
[例3.1]在等温间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应
CH3COOH C2H5OH
k1 k2
CH3COOC2H5 H2O
A
B
R
S
每天生产乙二醇12000kg。原料中反应组分的质
量比A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3,反应
温度为100℃，反应速率方程为 rA=k1(CACB-CRCS/K) 在100℃ k1=4.76×10-4K/(mol·min)，K=2.92。要求乙
处理多少个反应器体积的物料
SV
1
3.2等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）
一、.间歇釜式反应器的特点
1.反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连
续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。
CA
CA0
时间
C ┆ ┆ Aout┄┄┄┄┄┄┄┄ ┄┄┄┄┄┄ ┄┄
FR
CRVr t t0
对时间t求导并令
dFR 0 dt
dFR
d[CRVr ] t t0
(t t0 )Vr
dCR dt
Vr CR
Hale Waihona Puke 0dtdt
(t t0 )2
dCR CR dt (t t0 )
通过上式，只要CR和t的关系，即可用解析法或图解 法求得满足单位时间产品产量最大所必须的条件——最
(2).目标函数为单位生产量的总费用AT
A
kC
A0
1 xA
1
t
kC
1 A0
xA 0
dxA 1 xA
1 xA 1 1
1
kC
1 A0
1
2.每批操作所需的时间
由(3.7)式所得的时间是指在一定的操作条件 下，为达所要求转化率xA所需的反应时间，每批操 作所需的时间是(t＋t0)。 t0是辅助生产时间，包 括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。
第三章 釜式反应器
主要讲釜式反应器的设计原理 要求掌握的内容：
1.间歇反应器的设计计算方法 2.全混流反应器的设计计算方法
釜式反应器
用夹套和内设管束换热的釜式反应器
3.1、反应器操作中的几个术语
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)
xA 0
dxA 2.61 5.15xA 0.6575xA2
118.8 min
7.反应器有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)=4.155×(118.8/60+1)=12.38m3
8.反应器实际体积
V Vr = 12.38 =16.51m3 f 0.75
3.2.2 最优反应时间
（1）目标函数为反应器的平均生产速率FR kmol/h
h
原料处理量
Q0
16.23 60 (1 1020
2 1.35)
4.155m 3
/
h
3.计算原料液中各组分的起始浓度
16.23 CA0 4.155 3.908mol / L
3.908 60 2
CB0
46
10.2mol / L
3.908 60 2
CS0
18
17.59mol / L
4.各组分瞬间浓度与转化率之间的关系：
酸转化率达到35％。
(1)若辅助时间为1h，试计算反应器的有效体积。
(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解： 1.计算各组分的分子量 MA=60 MB=46 MR=88 MS=18
2.计算乙酸处理量及原料处理量
乙酸处理量
FA0
12000 88 24 0.35
16.23kmol
/
CA CA0 1 xA
CR CA0 xA
CB CB0 CA0 xA CS CS0 CA0 xA
5.反应速率方程
rA k1 CACB CRCS / K
72.70103 2.61 5.15xA 0.6575 xA2
6.计算反应时间
t CA0
xA dxA 3.908 0 rA 72.70103
┆
┆
tout/2
tout
t
CA
CA0┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄t=0
图3.1-1带有搅拌器的釜式反应器
﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout/2
CAout﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍t=tout 0 空间位置
二、反应时间及反应体积的计算
1.反应时间
对于反应 A B R
根据间歇反应器的特点对整个反应器作组分 A的物料衡算
恒容时：
t CA0
xA dxA 0 rA
等温间歇釜式反应器的反应过程可视为等容 过程，对于一级不可逆反应：
rA kCA kCA0 1 xA
t CA0
xA dxA 0 rA
xA dxA 0 k 1 xA
11 ln
k 1 xA
在等温间歇釜式反应器中进行α级不可逆反应
rA
kC
组分A的 流入量
=
组分A的 流出量
+
组分A的 反应量
+
反应器内组 分A的积累量
0
0
dnA
(R A )Vr
dt
(R A )Vr
dnA dt
0
nA nA0 1 xA
(R A ) rA
rAVr
nA0
dxA dt
0
t nA0
xA dxA 0 rAVr
间歇反应器的设计基础式
无论是等温或变温、等容或变容上式均成立。 对于非等温过程，上式应与热平衡方程联立求解。
优反应时间。
图解法
①.用速率式计算出t～xA的关系 ②.由产品与xA的关系计算CR～t关系 ③.作CR～t图
④.作 OA t0 A(t0 ,0)
⑤.自A(-t0，0)做CR～t曲线 的切线，切点为M，斜
CR
M
N
率 MD/AD=dCR/dt ⑥.M点的横座标为最优
A 0D
t
反应时间
图3.2 平均生产速率最大图解法示意图
3.反应器有效体积Vr的计算
反应器的有效体积
Vr=Q0 (t＋t0)
式中：Q0 是单位时间内处理的反应物料的体积。
反应器实际体积V的计算
反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实 际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
V Vr f
式中：f是装料系数，一般为0.4～0.85， 不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85， 起泡、沸腾物料取0.4～0.6