第三章间歇釜式反应器知识讲解
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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
课件间歇釜式反应器反应器计算和基本方程式间歇釜体积和数量
VR V V0 ' / n'
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：
n 100%
n'
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：
nV VR总 V0 ( ')
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。
例3-1讲解
85RNl1%qY-gXtpqbFwDvphOzkWQQ#$FJ% 80*H*SS8VBChPuYgp(N94N&LqsvgMGA) AopIN Mz50Z a-sz5N sH9ytBE%uab#!oXTcYahccqK#qLLRDL6R AgmgMbOAdD%inwPvfxw!RFp&wf0LqxC h9IeII4FM wkKm+JYj pwbyLl (Hp3M )pN!d7dM y*sayGv&mr%3fs V%hQJ Wd3W5VrA$hXQkxZ7WN9iYvxq00GR6PdyXV(l 8wLgy7pbS% GsP9(L56Gee597ir% mA5+j DB!ak1q+1yi(n+bbFX+ y6p-Z!6(%Y9emEY$+qL4W3#)$EQ8VKdHd#IV( GD-8ko!3*cY0JYgkJ( BxTBa7PREkEoYlrI$PBzpD tR8wVrR$6*85kX1tL6O11py- WWA3O2cE2ETCs -qyx#QN wbXUcS+f( x xqqQ3-
如果改变反应过程的条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计， 或者进一步确定反应器的最优结构、操作条件，经验计算法是不适用的， 这时应该用数学模型法计算。根据小型实验建立的数学模型（一般需经 中试验证），结合一定的求解条件——边界条件和初始条件，预计大型 设备的行为，实现工程计算。
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 )
《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。
3-间歇与理想反应器
增加，平衡转化率xAe下降 ⑥ 对K＞＞1，说明反应物可以接近完全转化，故可视为不可逆反应
3.2 间歇反应器
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 Tr A B C
dH2
根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：
q U
q H
即：与环境交换的热=内能的变化
基本设计方程：
进入量 排出量 反应量 积累量 ＋ ＋ rAf Vr 0 FA0 1 x A0 FA0 1 x Af 整理得： x Af x A0 Vr FA0 rAf
FA0 xA0 Q0cA0
用焓变代替内能的变化
dq dH
间歇釜式反应器 Tr＝298K为计算的基准温度
3.2 间歇反应器
H1 mt c pt dt mt c pt (Tr T )
T Tr
H 3 mt
Tr dT
T
c pt dt mt c pt (T dt Tr )
dH2 H r rAVr dt （单一反应）
（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换， 例如采用列管式换热器
（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作
此原则也适用于其它类型反应器
3.2 间歇反应器
3.2 间歇反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器， 有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor， 简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流 反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器 内物料的混合程度上命名的。
3.2 间歇反应器
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 Tr A B C
dH2
根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：
q U
q H
即：与环境交换的热=内能的变化
基本设计方程：
进入量 排出量 反应量 积累量 ＋ ＋ rAf Vr 0 FA0 1 x A0 FA0 1 x Af 整理得： x Af x A0 Vr FA0 rAf
FA0 xA0 Q0cA0
用焓变代替内能的变化
dq dH
间歇釜式反应器 Tr＝298K为计算的基准温度
3.2 间歇反应器
H1 mt c pt dt mt c pt (Tr T )
T Tr
H 3 mt
Tr dT
T
c pt dt mt c pt (T dt Tr )
dH2 H r rAVr dt （单一反应）
（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换， 例如采用列管式换热器
（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作
此原则也适用于其它类型反应器
3.2 间歇反应器
3.2 间歇反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器， 有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor， 简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流 反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器 内物料的混合程度上命名的。
间歇式反应器(专业教育)
传质过程。
特备参考
16
制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一 般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装 置的锅式反应器（间歇式反应器）。 5.典型搅拌反应锅的结构
这类设备的化工零部件国内 已标准化，可参见《化工设备设计手 册》第一分册（材料与零部件）。
主要由以下部分组成： ⑴锅的主体 ⑷轴密封装置 ⑵换热装置 ⑸传动装置 ⑶搅拌装置 ⑹工艺接管
如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
应器内装有高效搅拌器，在急剧
搅拌下，使液滴分散的很细，大
大增加两相间的接触面积，同时
由于各相内所形成的湍流而强化
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
特备参考
12
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：
第三章 间歇式反应器
第一节 概述
一、反应器类型
反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原 料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料 药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、 包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程 的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。
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。
特备参考
16
制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一 般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装 置的锅式反应器（间歇式反应器）。 5.典型搅拌反应锅的结构
这类设备的化工零部件国内 已标准化，可参见《化工设备设计手 册》第一分册（材料与零部件）。
主要由以下部分组成： ⑴锅的主体 ⑷轴密封装置 ⑵换热装置 ⑸传动装置 ⑶搅拌装置 ⑹工艺接管
如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
应器内装有高效搅拌器，在急剧
搅拌下，使液滴分散的很细，大
大增加两相间的接触面积，同时
由于各相内所形成的湍流而强化
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
特备参考
12
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：
第三章 间歇式反应器
第一节 概述
一、反应器类型
反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原 料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料 药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、 包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程 的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。
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。
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。
第三章间歇釜式反应器知识讲解
20
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 单 A的 间 量 位 流时 出 单 A的 间 量 位 反时 应 的 反 间 量 积 应 A累 器速 中
所以
t CA0
x
Af
0
dxA (rA)
xA(nA0nA)/nA0(CA0CA)/CA0
dAxdA C /CA0
取 t=0 时 xA= 0、CA＝CA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，
积分得
t CAf dC A CA0 (rA )
其中-rA一般具有
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
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
17
• 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。
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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
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85
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。
• •
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
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
9
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
17
• 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。
2
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
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
3
4
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
6
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
7
（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
小，若标准釜的容积为Va，那么，
V aV10 % 0V m aV m10 % 0
V
V m
15
3、计算示例
物料处理量Q0一般由生产任务确定，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 及δ等
16
例3-1西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实 验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今 需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容 积。年工作日取300天。
=
24 t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
13
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' m100%
m
14
（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
18
H 2 S O 4+
S O 3 H
O H
9 8
1 2 8
1 4 4
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
12
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：
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
8
（2） 操作周期t’
• 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
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，ctor）
• 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 • 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