第三章_间歇釜式反应器

V FV t ' / 0.83 16 / 0.75 17.7m
3
取两台釜，每釜容积为 8.85m3 ，采用标准容积为 10m3的反应釜，后备能力为
(10 8.85) / 8.85 100% 13.0%
思考 如果取受料时间为1h，结果如何？
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例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造的 最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。 解：选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5 m3，
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• 例 3-4 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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H2SO4 + 98 128
SO3H 144
OH
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 10 3 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：
4000103 0.99 981.07 1 1000 270L 330 24 144 0.75 0.98 1.84
Va V Vma Vm 100% 100% V Vm
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• 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 ？
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3、计算示例
物料处理量 FV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
第三章
间歇釜式反应器
BR（Batch Reactor）
• 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及设备间的平衡
• 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
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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
或
VD3 = = Va11 Va 2 2 Va 3 3 VD1 VD 2
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例3-5萘酚车间的磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及
中和。现有铸铁磺化锅的规格2 m3，2.5 m3及3m3三种。试设
计各工序的设备容积与数量。已知各工序的VD，t’及 如下表： 工序 磺化 水解 吹萘 中和 VD（m3） t ’ （h） 20.0 21.25 30.0 113.5 4.0 1.5 3.0 5.0 φ 0.80 0.85 0.60 0.60
' ' F t V t V D m= = = 24Va Va
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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% m
'
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（2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t’,求设备体积与个 数 FV t ' = V = mVm 需要设备的
装料系数范围 0.80～0.85 0.70～0.80 0.40～0.60 0.85～0.90
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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
条 件 无搅拌或缓慢搅 拌的反应釜 装料系数，以符号 带搅拌的反应釜 表示，即： 易起泡或沸腾状 =VR/V。其值视具 况下的反应 液面平静的贮罐 体情况而定 和计量槽
m'
2 1 2 3
δ% 19.8 60 60 44
Va 2.5 2.5 2 19

0.8 0.85 0.6 0.6
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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 FV, t’ t’ = t + t0
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。
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%
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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。
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（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 FV， 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=FVt＇ 其中 t’ = t + t0
保证各道工序每天操作总批次α相等
α1 = α2 = …= αn 总操作批数相等的条件是：
①m1β1 = m2β2 = … =mnβn 或
m1 t1' = m2
' t2
即
= ....=
mn
' tn
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
FV 1 FV 2 FV 3 = = Va11 Va 2 2 Va 3 3
VD Va

=21.25/（10×0.85）=2.5m3
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同样方法计算吹萘及中和二个工序。
将各工序计算结果列表如下：
工序 磺化 水解 吹萘 中和 VD（m3） 20.0 21.25 30.0 113.5 α 10 10 10 10 β 6 16 8 4.8 m 1.67 0.625 1.25 2.08
则 受料时间： 4.5/0.83=5.44h 操作周期： 5.44+8=13.44h 每天操作总批数： α=24X0.83/4.5=4.45 每锅每天操作批数： β=24/13.44=1.78 需要锅的个数： m=4.55/1.78=2.5 取用三个锅，生产能力后备系数为：
δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20%
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
2
3
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
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解：（1）先作磺化工序的计算 如取Va=2 m3，计算
VD 20 = = = 12.5 Va 0.8 ×2
24 24 = ' = =6 4 t
12.5 m= = 6
m' m 3 2.08 100% 100% 44% m 2.08
再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算，结果列于下表中： Va 2.0 2.5 3.0

0.8 0.8 0.8
α 12.5 10.0 8.34
β 6 6 6
m 2.08 1.67 1.58
m'
δ% 44 20 44
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3 2 2
比较三种方案，选用2个2.5 m3的磺化锅较为合适。
（2）水解及其他工序的计算
使水解工序：α=10 β=24/1.5=16，m=10/16=0.625 取 m ' =1， δ=[（1-0.625）/0.625] ×100%=60% 水解锅容积的计算： = Va=VD/α

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，
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 生产每一批料的全部 操作时间，即从准备 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 时间t和辅助操作时 间t0 两部分组成。 • 即t’ = t + t0
• 例如萘磺化制取2-萘磺酸 的操作周期: • 检查设备 15分 • 加萘 15分 • 加硫酸及升温 25分 • 反应 160分 • 压出料 15分 • 操作周期 240分或4小时
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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
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（ 1 ）每天处理物料总体积 VD 和单位时间的物
料处理量为FV
VD =
GD

GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
FV=VD/24
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（2） 操作周期t’*