连续流动釜式反应器的特点
实验三 连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定
实验三 连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定一、实验目的连续流动搅拌釜式反应器与管式反应器相比较，就生产强度或溶剂效率而论，搅拌釜式反应器不如管式反应器，但搅拌釜式反应器具有其独特性能，在某些场合下，比如对于反应速度较慢的液相反应，选用连续流动的搅拌釜式反应器就更为有利，因此，在工业上，这类反应器有着特殊的效用。
对于液相反应动力学研究来说，间歇操作的搅拌釜式反应器和连续流动的管式反应器都不能直接测得反应速度，而连续操作的搅拌釜式反应器却能直接测得反应速度。
但连续流动搅拌釜式反应器的性能显著地受液体的流动特性的影响。
当连续流动搅拌釜式反应器的流动状况达到全混流时，即为理想流动反应器——全混流反应器，否则为非理想流动反应器。
在全混流反应器中，物料的组成和反应温度不随时间和空间而变化，即浓度和温度达到无梯度，流出液的组成等于釜内液的组成。
对于偏离全混流的非理想流动搅拌釜式反应器，则上述状况不复存在。
因此，用理想的连续搅拌釜式反应器（全混流反应器）可以直接测得本征的反应速度，否则，测得的为表观反应速度。
用连续流动搅拌釜式反应器进行液相反应动力学，通常有三种实验方法：连续输入法、脉冲输入法和阶跃输入法。
本实验采用连续输入的方法，在定常流动下，实验测定乙酸乙酯皂化反应的反应速度和反应常数。
同时，根据实验测得不同温度下的反应速度常数，求取乙酸乙酯皂化反应的活化能，进而建立反应速度常数与温度关系式（Arrhenius formula ）的具体表达式。
通过实验练习初步掌握一种液相反应动力学的实验研究方法。
并进而加深对连续流动反应器的流动特性和模型的了解；加深对液相反应动力学和反应器原理的理解。
二、实验原理1．反应速度 连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程： dtdn dV r F F A vA A AO =---⎰)(0 （1） 对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为0)(=---V r F F A A AO （2） 或可表达为VF F r A AO A -=-)( （3） 式中；AO F ——流入反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅s mol ；A F ——流出反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅s mol ；)(A r -——以着眼反应物A 的消耗速度来表达的反应速度，13--⋅⋅s mmol ；由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值。
连续反应器的放大
V C A0 C A C A0 x A q0 rA rA
多釜串联的计算
Vi C Ai1 C Ai x Ai x Ai1 n n 1 q0 ki C Ai ki C Ai (1 x Ai ) n
釜式放大时应注意的问题
（1）设计方程的依据是釜内物料的流动与混合达到理 想混合状态，运用设计方程进行放大时，实际系统应 该满足这一条件。 （2）连续操作搅拌釜放大的相似条件是平均停留时间 相等、停留时间分布函数相同。 （3）对于连续操作搅拌釜放大，保持停留时间相等而 且要保持空速相等；为了维持反应温度，应使传热面 积能和容积的增大相适应，则放大后不一定能保持几 何相似
（4）多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停留 时间腹部相同、温度相同和反应转化率相同而且反应 速率不受搅拌速率的影响。 （5）对于非均相系统，放大判据为相界面相同，但要 测定实际系统的相界面很困难，一般用单位容积输入 功率相等取代。
连续反应器放大反应
连续反应器
连续反应器介绍两种：于产品品种单一而产量 较大的场合
釜式反应器
管式反应器特点的
（1）反应器内各点的浓度C、温度T和反应速度r随 在反应器内运动的时间的不同都是不同的。 （2）稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应 物积累量为零。 （3）各物料质点在反应器内的停留时间相同。
连续釜式反应器的特点
（1）反应器内各点的浓度C、温度T和反应速度r不 随在反应器内的停留时间改变。 （2）各物料质点在反应器内的停留时间不相同。 （3）反应是在低浓度下进行的。
其放大方法
（1）串联多个反应釜，增大产量。 （2）增大反应釜的体积。
反应釜放大的主要原理是保证平均停留时间不 变。 单釜的计算如下：
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 )
连续釜式反应器
打漩现象
搅拌器两方面性能： 产生强大的液体循环流量； 产生强烈的剪切作用。 基本原则： 在消耗同等功率的条件下，低转速、大直径 的叶轮，可增大液体循环流量，同时减少液体受到的剪切 作用，有利于宏观混合。 反之，高转速、小直径的叶轮，结果与此恰 恰相反。
常用搅拌器的型式、结构和特点 化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，包 括 搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮； 辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电 机、支架、挡板和导流筒等。 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组 成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体， 并促使液体运动。
通常可以采取τ1=τ2，这时整个反应系统最优。 即要
这时
釜式反应器的故障处理及维护要点
序 1 故障现象 壳体损坏 （ 腐蚀、 裂纹、透 孔） 超温超压 故障原因 1.受介质腐蚀（点蚀、晶间腐蚀） 2.热应力影响产生裂纹或碱脆 3.损变薄或均匀腐蚀 1.仪表失灵，控制不严格 2.误操作；原料配比不当；产生剧热反应 3.因传热或搅拌性能不佳，发生副反应 4.进气阀失灵，进气压力过大、压力高 处理方法 1.用耐蚀材料衬里的壳体需呕新修衬或局部补焊 2.焊接后要消除应力，产生裂纹要进行修补 3.超过设计最低的允许厚度需更换本体 1.检查、修复自控系统，严格执行操作规程 2.根据操作法，紧急放压，按规定定量。定时投料， 严防误操作 3.增加传热面积或清除结垢，改善传热效果；修复 搅拌器，提高搅拌效率 4.关总气阀，切断气源修理阀门 1.更换或修补搅拌轴，并在机床上加工，保证表面 粗糙度 2.调整油环位置，清洗油路 3.压紧填料，或更换填料 4.修补或更换 5.更换摩擦副或重新研磨 6.调整比压要合适，加强冷却系统，及时带走热量 7.密封圈选材、安装要合理，要有足够的压紧力 8.停车，重新找正，保证垂直度误差小于0.5mm 9.严格控制工艺指标，颗粒及结晶物不能进入摩擦 副 10.调整、检修使轴的窜量达到标准 11.改进安装工艺，或过盈量要适当，或粘接剂要好 用，粘接牢固
第五章釜式连续反应器
n为搅拌器转数；d为搅拌器叶轮直径；NQR为无因次准 数。在有挡板的条件下，对于推进式叶轮NQR=0.5；
对 于 涡 轮 式 叶 轮 ( 六 叶 ， 宽 径 比 为 1:5) ，
NQR=0.93D/d(用于Re104，D为反应器内径； d为搅
拌器桨径)。
连续釜式反应器在结构上通常与间歇釜式反应 器相同。其常见的进出料方式如下
①已知反应釜串联的个数n以及反应体积VR(也就 是停留时间τ)，求终点转化率xAf ②已知终点转化率xAf，求串联的个数n(已知反应 体积，即停留时间τ) ③已知终点转化率xAf，求反应体积VR(已知串联 的个数n)
第五章 连续釜式反应器
5.1 连续釜式反应器的特点及应用 5.2 连续釜式反应器的设计 5.3连续釜式反应器的并联与串联 5.4釜式反应器的热量衡算与定态操作 5.5返混对复杂反应产品分配的影响
连续釜式反应器的特点
• 定义：连续釜式反应器是一种以釜式反应器实现连续生产的 操作方式。
• 与间歇釜式相比，具有生产效率高，劳动强度低，操作费用 小，产品质量稳定，易实现自控等优点。
FV0CA0=FVfCAf+ rAVR
液相反应时，可视为恒容，FV0=FVf；而且稳态 操作时，xA=xAf，CA=CAf，于是
VR
FV 0 (CA0 rA
-CA)
由于
xA
CA0 - CA CA0
所以
VR
=
FV 0CA0 xA rA
这就是等温恒容液相连续釜式反应器的设计方程。
在给定操作条件以及反应的动力学方程后，可由 简单的代数计算求得反应体积。
CA2 1+ k3 3
CAn-1 1 kn n
化学反应工程连续流动釜式反应器
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
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。
第九页，编辑于星期六：十八点 一分。
第十八页，编辑于星期六：十八点 一分。
2. 一级不可逆等容单一反应 对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m和最终转
化率之间的关系，不必逐级计算。
第i级
VRi
V0 (CAi1 CAi ) rAi
式中 rAi kCAi
上式可化为
k i
(CAi1 CAi ) CAi
CAi 1
CAi1 1 k i
第十五页，编辑于星期六：十八点 一分。
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。 将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反应器。
第十六页，编辑于星期六：十八点 一分。
设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。
ΔCA多=(CA1－CA*)1+(CA2－CA*)2+(CA3－CA*)3+(CA4－CA*)4 显然ΔCA平>ΔCA多>ΔCA全 当级数为∞，则ΔCA平＝ΔCA多
CA0
CA0
CA1
CA2
CA1
CA3
CA4
CA2
CA3
CA4
CA*
第十三页，编辑于星期六：十八点 一分。
化学反应工程原理-副本第五章-连续流动釜式反应器
第五章 连续流动釜式反应器1 连续流动釜式反应器的特点： 。
2 表征循环反应器特性的一个重要参数是 ，它表示循 。
3 简述返混对反应过程的影响4 作出BR 反应器、PFR 反应器及CSTR 反应器的浓度分布图5 根据PFR 反应器及CSTR 反应器的设计方程，图解比较两种反应器在反应级数n 大于0、等于0及小于0时的反应器体积V PFR 与V CSTR 的大小。
6 CSTR 中，瞬时选择率β、出口状态下的选择率f β和平均选择率β的关系是 7对于反应级数为一级和二级的简单反应，分别在CSTR 和PFR 反应器中进行反应，关键组分的转化率一样，通过作图说明在两种反应器中进行反应，反应级数对完成反应任务所需要的反应器体积的影响。
8 混合是 进入反应器物料之间的混合；返混是 进入反应器物料之间的混合。
返混是 过程的伴生结果；返混与 无关，与 有关。
9 返混的起因是：（1） ，包括：循环反应器的循环流，CSTR 中的搅拌作用；（2） ，包括：流体以层流流经管式反应器，反应器内的死区、沟流、短路。
限制返混的措施有： 。
10 一液相复合反应Q A PA k k −→−−→−21，均为基元反应。
在单一连续釜中等温反应，已知该温度下，213k k ,问当最终转化率为80％时，目的产物P 的瞬时选择性为： ，总选择性为： 。
12 反应物A 的水溶液在等温PFR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
13 反应物A 的水溶液在等温CSTR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
14 在PFR 中进行等温二级反应，出口转化率为0.8，若采用与PFR 体积相同的CSTR 进行该反应，进料流量Q 0保持不变，为达到相同的转化率0.8，可采用的办法是使C A0增大 倍。
15 等温下，进行一级不可逆反应，动力学式为（-γ A ）=kCA ，k = 1min-1，CA0=1kmol/m3，PFR 、CSTR 的τ均为 1 min ，计算最终转化率。
釜式及均相管式反应器PPT
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，
则单位操作时间的产品产量PR为
PR
VRcR t t0
对反应时间求导，
dPR
VR [( t
t0
) dcR dt
cR
]
dt
( t t0 )2
并可由 dPR 0 ，得
dt
dCR CR dt t t0
3. 配料比
对反应 A B P S ，如动力学方程为 ( rA )V kcAcB 在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 m cBo / cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 cB cB0 (cA0 cA ) cA (m 1)cA0 代入动力学方程
面积为反应时间。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应， 反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反 应的本征速率方程代入
c Af
nAf VR
nA0 ( 1 xAf VR
❖ 桨式搅拌器 ❖ 锚式和框式搅拌器 ❖ 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(1) 桨式搅拌器
旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
二、间歇釜式反应器的数学模型
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连续流动釜式反应器的特点：1.反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
2.物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留物料的混合，即反混程度最大。
3.反应器内物料所有参数，如浓度，温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个变量。
求第N釜的出口浓度C AN=C AO/（1+k ti）N.(2)1.反混造成两种孪生的结果：1.改变了反应器的浓度分布，对设计型问题，它使反应器内各处反应物浓度普遍下降，产物浓普遍上升2.造成物料的停留时间分布。
停留时间分布表达（1）停留时间分布密度，以f(t)来表示，∫0∞f(t)d t=1.0。
2.停留时间分布函数特点：（1）变化范围（0,1）（2）单调，非减函数（3）左连续（4）无因次。
脉冲法：测停留时间分布密度函数。
方差总结：方差越小，则流动状况越接近于平推流，对平推流，物料在系统停留时间相等且等于V R/V,T=T,故方差等于0.。