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）002220
00001()(1)110.95169.6min(2.83)
5.60.0210.95
===?---=
?=?-??Af
Af X X A A A
A 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：0.326680.5
91.11/0.9530%?=?kg h
每小时需碳酸氢钠：0.326684
190.2/0.9515%?=?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：
02000110.95
2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af
Af 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 f
3.3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。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH 溶液用量如下表所示：
达到平衡转化率的90%。试计算反应器的反应体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min ，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min ；（3）反应过程中反应物密度恒定。
解：用A,B,R,S 分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：
0.515
/10==
?A B NaOH C C V mol l
于是可求出A 的平衡转化率：
00052.510.5
0.8
52.5
90%0.890%0.720.515
(1)52.5(10.72)0.051514.7/10--=
===?=?==-=
??-=?A Ae Ae A A Ae A A A C C X C X X C C X mol l
现以丙酸浓度对时间作图：
由上图，当C A =0.0515×14.7mol/l 时，所对应的反应时间为48min 。由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min 。 丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min 。
所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min 。
原料处理量为：000/156.4/(0.051552.5)57.84/min ==+=A A Q F C l 反应器体积：00()57.84(182010)4512=+=?++=r V Q t t l 实际反应体积：4512/0.85640=l
3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：
+→A B R 其反应速率方程为：14
3110001.110exp()/.=?-A A B r C C kmol m h
T
式中组分A 及B 的浓度C A 及C B 以kmol/m 3为单位，温度T 的单位为K 。该反应的热效应等于
-4000kJ/kmol 。反应开始时溶液不含R ，组分A 和B 的浓度均等于0.04kmol/m 3，反应混合物的平均热容按4.102kJ/m 3.K 计算。反应开始时反应混合物的温度为50℃。
（1） （1） 试计算A 的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度。 （2） （2） 如果要求全部反应物都转化为产物R ，是否可能？为什么？ 解：(1)
[]0000
0.04(4000)()
()32332339.014.102?---?=+-=+=+A r A A A A
F C H T T X X X X C
000001422
0()91.32110001.110exp()(1)32339.01==-==?--+???
Af Af X X A
A A A A A B
A
A A A
A
dX dX t C C R kC C dX C h
C X X
（由数值积分得出）
32339.010.85356.2=+?=T K
(2)若A 全部转化为R,即X A =1.0,则由上面的积分式知，t →∝,这显然是不可能的。
3.5在间歇反应器中进行液相反应：
12+→=+→=A A B D C B A B C r k C C C B D
r k C C
A 的初始浓度为0.1kmol/m 3,C ，D 的初始浓度为零，
B 过量，反应时间为t 1时，
C A =0.055kmol/m 3，C C =0.038 kmol/m 3，而反应时间为t 2时，C A =0.01 kmol/m 3，C C =0.042kmol/m 3，试求： （1） （1） k 2/k 1;
（2） （2） 产物C 的最大浓度；
（3） （3） 对应C 的最大浓度时A 的转化率。
解：(1)因为B 过量，所以： ''''
1212,,===-=-A A D C C A D A C r k C r k C r r r k C k C
恒容时：
'1-=A A
dC k C dt （A ） ''12-=-C A C
dC k C k C dt (B)
（B ）式除以（A ）式得：
'2'11-=-C C A A dC k C dC k C
解此微分方程得：
'
2
10'200'1
1??????
=- ???
????-??k k A A A C A A C C C C k C C k （C ）
将t 1,C A ,C C 及t 2,C A ,C C 数据代入（C ）式化简得： 0.420.550.380.10.420.550.380.1?-?=?-?x x
解之得：
'22
'110.525===k k x k k
(2)先求出最大转化率:
2
11
1
1,max
2
1()0.7425
-=-=k k A k X k
(3)产物C 的最大收率：
()()2
1,max
21
1110.4905
1?
?=---=????-k k C A A Y X X k k
产物C 的最大浓度：
3
,max 0,max 0.10.49050.0491/==?=C A C C C Y kmol m
3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应
31
123?←?→??→k k A A A
初始的反应物料中不含A 2和A 3，A 1的浓度为2mol/l ，在反应温度下k 1=4.0min -1,k 2=3.6min -1,k 3=1.5min -1。试求:
（1） （1） 反应时间为1.0min 时，反应物系的组成。 （2） （2） 反应时间无限延长时，反应物系的组成。
（3） （3） 将上述反应改为31
1
23??→?←?→k k A A A 反应时间无限延长时，反应物系的组成。
解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后进行求解。但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：
12
123←?→←?→k k A A A (A)
当'20=k 时，（A ）式变为123?→A A A (B) 当'10=k 时，（A ）式变为123→?A A A (C) 当''120,0==k k 时，（A ）式变为123→→A A A (D)
其中式（D ）即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到（A ）式的解，则可容易化简得到（B ）,(C)及(D)式的解。
对于(A)式，可列出如下微分方程组：
'11111
-=-dC k C k C dt (1) ''211231222=+--dC k C k C k C k C dt (2) '
32223
=-dC k C k C dt (3)
由题意知初始条件为：
11023(0),(0)(0)0===C C C C (4)
联立求解此微分方程组可得：
'''''21112211011()()()()????++??
=+-??
??-++??????t t k k k k k e k e C C k k αβαβαβαβααββ (5) '
''
12
1
22210()()????++??
=+-????-??????t t k k k k e k e C C αβαβαβαβ
αβ (6)
1212310??????
=+-??
??-??????t t k k k k e e C C αβαβαβαβ (7)
式中，,αβ由如下式确定：
'''
121221=++k k k k k k αβ (8) ''1122()+=-+++k k k k αβ (9)
现在可用上述结果对本题进行计算：
（1）1'11'1
1224.0min , 3.6min , 1.5min ,0,1min ---=====k k k k t 由（5）～（9）式得
1230.5592/0.5098/0.931/===A A A C mol l C mol l
C mol l
（2）当t →∝时，由（5）～（9）式得
1230
2.0/==→A A A C C C mol l
（3）此时为'10=k 的情况，当t →∝时，由11 4.0min ,-=k 1'
1221.5min , 3.6min --==k k 得：
1230
1.412/0.588/===A A A C C mol l
C mol l
3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：
2
12
222+→=+→=R A B S A B A B R r k C C A B S
r k C C
目的产物为R ，B 的价格远较A 贵且不易回收，试问：
（1） （1） 如何选择原料配比？
（2） （2） 若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？ （3） （3） 若用半间歇反应器，加料方式又如何？
解：（1）
2
122
21211221===++A R A B A
B A A B A B B r k
C C S k C R k C C k C C k C νν 由上式知，欲使S 增加，需使C A 低，C B 高，但由于B 的价格高且不易回收，故应按主反应的计量比投料为好。
（2）保证C A 低，C B 高，故可用下图所示的多釜串联方式：
（3）用半间歇反应器，若欲使C A 低，C B 高，可以将B 一次先加入反应器，然后滴加A.
3.8在一个体积为300l 的反应器中86℃等温下将浓度为3.2kmol/m 3的过氧化氢异丙苯溶液分解：
65323365()→+C H C CH COH CH COCH C H OH
生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s -1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量。
（1） （1） 如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min; （2） （2） 如果是全混流反应器；
（3） （3） 试比较上二问的计算结果；
（4） （4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？
解：（1）
000
00000011
ln
()(1)111
ln 56.370.94min 0.810.989
()(0.9415)300===---=
==-=+=+=??Af
Af X X A A A A A A A A A
r dX dX t C C R k C X k X s V Q t t Q l
0300/15.9418.82/min ==Q l
苯酚浓度0 3.20.989 3.165/==?=苯酚A A C C X mol l
苯酚产量018.82 3.16559.56/min 335.9/=?==苯酚Q C mol kg h （2）全混流反应器
00000(1)(1)
(1)
3000.08(10.989)
0.2669/16.02/min
0.989==
---?-=
=
==A Af Af r A Af Af r Af Af Q C X Q X V kC X k X V k X Q l s l X
苯酚产量016.02 3.20.98950.69/min 285.9/=??==苯酚Q C mol kg h
（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因。
（4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于C AB 增加一倍，故C 苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。
3.9在间歇反应器中等温进行下列液相反应：
32
31.6/.28.2/.+→=→=R A D A A B R r C kmol m h
A D
r C kmol m h
r D 及r R 分别为产物D 及R 的生成速率。反应用的原料为A 及B 的混合液，其中A 的浓度等于2kmol/m 3。
（1） （1） 计算A 的转化率达95%时所需的反应时间； （2） （2） A 的转化率为95%时，R 的收率是多少？
（3） （3） 若反应温度不变，要求D 的收率达70%，能否办到？
（4） （4） 改用全混反应器操作，反应温度与原料组成均不改变，保持空时与（1）的反应时
间相同，A 的转化率是否可达到95%？
（5） （5） 在全混反应器中操作时，A 的转化率如仍要求达到95%，其它条件不变，R 的收率
是多少？
（6） （6） 若采用半间歇操作，B 先放入反应器内，开始反应时A 按（1）计算的时间均速加
入反应器内。假如B 的量为1m 3，A 为0.4m 3，试计算A 加完时，组分A 所能达到的转化率及R 的收率。 解：（1）第二章2.9题已求出t=0.396h=24.23min (2)
2300.1
2
0.12
3
0 1.61
(
)/() 1.616.4110.25(1)2(10.95)0.1/11ln(110.25)110.2510.25
0.2305/0.23050.1153
2-=-===++=-=-==-=-=++====?
?
A
A R A R A R A A A A
A A A C R R A A C A R R A dC dC dC C S dt dt dC C C C C C X kmol m C S dC C C kmol m C Y C
(3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D 的瞬时选择性为：
28.232.8(1)
1.616.434.43
2.8?-=
=
+-A A D A A C X S C X
D 的收率：
0.95
32.8(1)
0.83480.7
34.432.8-===-?
?
Af
X A D D A A A
X Y S d X dX X
这说明能使D 的收率达到70%
（4）对全混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有
02
0.3958 1.616.4-=
+A A
A A
C C C C
解之得：C A =0.4433
所以：
00
0.77840.95-=
= A A
A A C C X C
这说明在这种情况下转化率达不到95%。
（5） （5） 对全混流反应器，若X=0.95,则R 的收率为：
00.95
0.4691
110.25(1)
110.252(10.95)
==
=
=+-+?-Af
R Af A Af X Y SX C X
（6）依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况。为了求分组A 的转化率及R 的收率，需要求出A 及R 的浓度随时间的变化关系，现列出如下的微分方程组：
对A: 2
00
()(1.616.4)++=A A A A d VC C C V Q C dt （1）
对R:
()
1.60-=R A d VC C V dt （2） 00=+V V Q t （3）
301=V m 在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t ≈0.4h ）内将0.4 m 3
的A 均速加入反应器内，故
300.4
1/0.4=
=Q m h
采用间歇釜操作时，原料为A 与B 的混合物，A 的浓度为2kmol/ m 3.现采用半间歇釜操作，且
33
1,0.4==B A V m V m ，故可算出原料A 的浓度为：30(10.4)2
/0.4+?=A C kmol m
由于：
0()()=+=+=A A
A R R
R d VC dV dC C V dt dt dt d VC dV dC C V dt dt dt dV
Q dt
代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：
2
7 1.616.41-=--+A A A A dC C C C dt t （4） 1.61=-+R R
A dC C C dt t （5）
初始条件：t=0,C A =0,C R =0
可用龙格---库塔法进行数值求解。取步长△t=0.02h ，直至求至t=0.4h 即可。用t=0.4h 时的
C A 和C R 可以进行A 的转化率和R 的收率计算：0000--==
A A A A A A A A A
N N C V C V X N C V
式中V A 为所加入的A 的体积，且V A =0.4m 3;C A0为所加入的A 的浓度，且C A0=7kmol/m 3；V 为反应结束时物系的体积，V=1.4m 3。
同理可以计算出R 的收率：
0=
R R A A C V Y C V
3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应：
2
33268/.14/.→=→=A A R B A B r C kmol m h
B R
r C kmol m h
加料中组分A 的浓度为0.2kmol/m 3,流量为4m 3
/h,要求A 的最终转化率为90%，试问：
（1） （1） 总反应体积的最小值是多少？ （2） （2） 此时目的产物B 的收率是多少？
（3） （3） 如优化目标函数改为B 的收率最大，最终转化率为多少？此时总反应体积最小值
是多少？
解：（1）
0010021122222
101202()
(1)(1)-=+=
+--A A A A A r r r A A A A Q C X Q C X X V V V k C X k C X
对上式求dV r /dX A1=0可得：12
1211
01(1)+-=--A A A X X X
将X A2=0.9代入上式，则
3
11100(1)1-=+A A X X 解之得X A1=0.741
所以总反应体积的最小值为
3
122240.7410.90.741 3.249 4.6767.925680.2(10.741)(10.9)??-=+=
+=+=???--??r r r V V V m
(2)
2
1021111
10
1101
3414(1)0.0518
34140.0912314=-=-==-=--=
=B A B
A A Af
B A B B B B r B R
C C C C X R C C C C C V Q R τ
即1
13.2494
0.0912314=
-B B C C 解得C B1=0.005992 kmol/m 3
同理
212222
220224.6760.0059924341434(1)14--===---B B B A B A A B C C C C C C X C τ 解得C B2=0.00126 kmol/m 3
B 的收率：
2020.00126
2
1.26%0.2?===B B A C Y C
(3)目标函数改为B 的收率，这时的计算步骤如下：对于第i 个釜，组分A,B 的衡算方程分别为：
对A: 12
68--=Ai Ai
i
Ai C C C τ 对B: 1
2
3414--=-Bi Bi i
Ai Bi C C C C τ
当i=1时，
01
121
68-=A A A C C C τ （1） 1
1
2
11
3414=-B A B C C C τ （2）
当i=2时，
12
2
2
2
68-=A A A C C C τ （3） 2
2
2
22
3414=-B A B C C C τ （4）
由（1）式解出C A1代入（2）式可解出C B1; 由（1）式解出C A1代入（3）式可解出C A2;将C B1及C A2
代入（4）式可解出C B2,其为τ1,τ2的函数，即2012(,,)=B A C f C ττ （5）
式中C A0为常数。由题意，欲使C B2最大，则需对上述二元函数求极值:
22
12
0,0??==??B B C C ττ
联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。题中已给出Q 0,故由012()=+r V Q ττ可求出C B2最大时反应器系统的总体积。将τ1,τ2代入（5）式即可求出B 的最高浓度，从而可进一步求出Y BmaX .将τ1,τ2代入C A2，则由X A2=(C A0-C A2)/C A0可求出最终转化率。
3.11在反应体积为490cm 3的CSTR 中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应：
3264246()6+→+NH HCHO CH N H O
式中（A ）--NH 3,(B)—HCHO,反应速率方程为：
2
/.=A A B r kC C mol l s
式中3
1.4210exp(3090/)=?-k T 。氨水和甲醛水溶液的浓度分别为1.06mol/l 和6.23mol/l,
各自以1.50cm 3/s 的流量进入反应器，反应温度可取为36℃，假设该系统密度恒定，试求氨的转化率X A 及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度C A 及C B 。 解：
00300003000022
0004.06 2.03
/26.32 3.16
/2
2 1.5 3.0/(1)
6
3.16 1.5 2.034
1.4210exp(3090/309)0.064476
(1)()4=====?==-=-=-?=?-==
=
--A B A A A B B A A A
A Af A Af
r A B
A A
B A A
C mol l C mol l Q cm s
C C X C C C X X k Q C X Q C X V kC C
kC X C C X
即得：
2
34900.06447(1)(3.16 1.5 2.03)=
--?Af
Af Af X X X
整理得：
323.075 3.162 1.0770
-+-=Af Af Af X X X
解得：X Af =0.821
反应器出口A,B 得浓度分别为：
000(1) 2.03(10.821)0.3634
/6
3.16 1.5 2.030.8210.6602
/4
=-=?-==-=-??=A A A B B A A C C X mol l
C C C X mol l
3.12在一多釜串联系统，2.2kg/h 的乙醇 和1.8kg.h 的醋酸进行可逆反应。各个反应器的体积均为0.01m 3，反应温度为100℃，酯化反应的速率常数为
4.76×10-4l/mol.min,逆反应（酯的水解）的速率常数为1.63×10-4 l/mol.min 。反应混合物的密度为864kg/m 3,欲使醋酸的转化率达60%，求此串联系统釜的数目。 解：等体积的多釜串联系统
112()
--=
-Ai Ai
A B C D
C C A k C C k C C τ
A,B,C,D 分别代表乙酸，乙酸乙酯和水。由计量关系得：
000()=--==-B B A A C D A A
C C C C C C C C
从已知条件计算出：
00 1.8864
6.48/4.0602.286410.33/4.0460.0186460129.6min
4.0?=
=??==???==A B C mol l
C mol l
τ 将上述数据代入（A ）式，化简后得到：
2
10.04056 1.51130.887
()-=+-Ai Ai Ai C C C B
若i=1,则（B ）式变为：
2
1100.04056 1.51130.887 6.48+-==A A A C C C 解之得：114.364/,0.326==A A C mol l X
若i=2,则（B ）式变为：
22210.04056 1.51130.887 4.364+-==A A A C C C 解之得：213.20
/,0.506==A A C mol l X
若i=3,则（B ）式变为：
23320.04056 1.51130.887 3.2+-==A A A C C C 解之得：312.53
/,0.609==A A C mol l X 即：三釜串联能满足要求。
3.13以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置着两台反应釜，一台的反应体积为3m 3,另一台则为1m 3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯，初步决定采用等温连续操作，原料中醋酸的0.浓度为0.15kmol/m 3，丁酯则大量过剩，该反应对醋酸为2级，在反应温度下反应速率常数等于1.2m 3/h.kmol ，要求醋酸的最终转化率不小于50%，这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？为什么？试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量。如果进行的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应如何？
解：因为反应级数大于1，所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯产量最大。现进行计算：
01122001002122200201(1)()3
(1)==--==-A A r A A A A A r A A C X V Q kC X Q C X X V Q kC X Q
二式联立化简后得到：（将X A2=0.5代入）
231110.5 2.75 2.50-+-=A A A X X X
解之得：X A1=0.223
22301011(1) 1.20.15(10.223)10.4873/0.223-?-?===A A r A kC X Q V m h
X
醋酸丁酯产量=0020.48730.150.536.55
/=??=A A Q C X mol h 如果进行的是一级反应，可进行如下计算：
（1） （1） 小反应器在前，大反应器在后:
0110010021200201(1)()3
(1)==--==-A A r A A A A A r A A C X V Q kC X Q C X X V Q kC X Q
联立二式，且将X A2=0.5代入，化简后得到: 21130.50-+=A A X X
解得：X A1=0.1771
所以有：
3101(1) 1.2(10.1771)
5.576
/0.1771
--=
==A A k X Q m h
X
醋酸丁酯产量=002 5.5760.150.50.4182
/=??=A A Q C X kmol h
(2)大反应器在前，小反应器在后:
0110010021200203(1)()1
(1)==--==-A A r A A A A A r A A C x V Q kC x Q C x x V Q kC x Q
解得X A1=0.3924
所以有：
31013(1)3 1.2(10.3924)
5.575
/0.3924
-?-=
==A A k X Q m h
X
产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。
3.14等温下进行1.5级液相不可逆反应：→+A B C 。反应速率常数等于5m 1.5/kmol 1.5.h ，A
的浓度为2kmol/m 3的溶液进入反应装置的流量为1.5m 3/h ，试分别计算下列情况下A 的转化率达95%时所需的反应体积：（1）全混流反应器;(2)两个等体积的全混流反应器串联；（3）保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。 解：（1）全混流反应器
3
001.5 1.5 1.5 1.5
0 1.520.9518.02(1)52(10.95)
??===-??-A A r A A Q C X V m kC X
（2） （2） 两个等体积全混流反应器串联
001
1 1.5 1.5
01
00212 1.5 1.5
02(1)()
(1)=--=
-A A r A A A A A r A A Q C X V kC X Q C X X V kC X
由于12=r r V V ，所以由上二式得： 1211.5 1.512()
(1)(1)-=
--A A A A A X X X X X
将X A2=0.95代入上式，化简后得到X A1=0.8245，所以：
3
001
1 1.5 1.5
01 2.379(1)
=
=-A A r A A Q C X V m kC X
串联系统总体积为：312 4.758==r r V V m
（3） （3） 此时的情况同（1），即318.03
=r V m
3.15原料以0.5m 3/min 的流量连续通入反应体积为20m 3的全混流反应器，进行液相反应：
12
22→=→=A A
D R
A R r k C R D
r k C
C A ,C R 为组分A 及R 的浓度。r A 为组分A 的转化速率，r
D 为D 的生成速率。原料中A 的浓度等于0.1kmol/m 3，反应温度下，k 1=0.1min -1，k 2=1.25m 3/kmol.min,试计算反应器出口处A 的转化率及R 的收率。
解：
00102.040min
0.5
(1)0.1(1)====
=
--r A A A
A A A V Q C X X k C X X ττ
所以：
3
02
120.80,(1)0.02/402==-==
=-A A A A R
A R
X C C X kmol m C k C k C τ
即为：
2
301000.080
0.02372/0.02372
0.23720.1+-===
==A R R R R A C C C kmol m C Y C
3.16在全混流反应器中等温进行下列液相反应：
3
2
1232?=-+??→=B A B
k D A C A B
r k C k C A C D
r k C C
进料速率为360l/h,其中含25%A,5%C （均按质量百分率计算），料液密度等于0.69g/c m 3。若出
料中A 的转化率为92%，试计算： （1） （1） 所需的反应体积；
（2） （2） B 及D 的收率。已知操作温度下，k 1=6.85×10-5l/mol.s;
k 2=1.296×10-9s -1;; k 3=1.173×10-5l/mol.s ;B 的分子量为140；D 的分子量为140。
解：因M B =M D =140,所以M A =M C =70
00
0000003600.690.250.8871/700.88711000 2.46/360
3600.690.05
0.1774/70
0.17741000
0.4929/360??===?===??===?=
=A A A A A C C C A Q W F kmol h
M F C mol l Q Q W F kmol h M C mol l
ρρ 02
1232()=-+A A
A B A C C X k C k C k C C τ （1）
212=
-B
A B C k C k C τ （2） 0
3-=C C A C C C k C C τ （3）
由（2），（3）式分别得：
2
121=
+A
B k
C C k ττ （4） 0
31=
+C C A C C k C τ （5）
将（4），（5）式及上述数据代入（1）式，可整理为τ的代数方程式，解之得τ=3.831×105s=106.4h
（1） （1） 反应体积3
0106.43603830038.30==?==r V Q l m τ
（2） （2） 将τ代入（4）式得 1.016/=B C mol l ，所以B 的收率为：
022 1.016
82.60%2.46?=
==B B A C Y C
对A 作物料衡算：02-=+A A B D C C C C
所以有：
0022 2.460.922 1.0160.2312/=--=-=?-?=D A A B A A B C C C C C X C mol l
所以D 的收率为：00.23129.40%
2.46===D D A C Y C
3．17 在CSTR 中进行下述反应：
166265()()()
()
+??→+k C H Cl C H Cl HCl
B C M H （1）
2652642()
()
()
()
+??→+k C H Cl Cl C H Cl HCl
M C D H （2）
3
6422633()()()()+??→+k C H Cl Cl C H Cl HCl
D C T H （3）
如果k 1/k 2=8, k 2/k 3=30,C B6=10.0mol/l,氯对苯的加料比=1.4，k 1τ=1 l/mol,( τ为空时)，试计算反应器出口B,M,D,T,C 的浓度。各个反应对各反应物均为一级。
解：3
122300110/,/8,/30,/ 1.4,1=====B C B C kmol m k k k k C C k τ 分别列出组分B,M,D,T,C 的物料衡算式：
00
1:,1-=
=
+B B B B B C C C C C B C k C C C τ (1)
128:,8==
-+B C M
M B C M C C C C C M C k C C k C C C τ (2)
2330:,240=
=
-+C M D
D C M D C C C C C D C k C C k C C C τ (3) 31
:,30==T T C D
C D C T C C C k C C τ (4) 0:23=---C C M D T C C C C C C (5)
由（5）式得：
08601
1.423824010=+++=+
++++B C C M B C M D T C C D
C C C C C C C C C C C C C C C C (6)
联立（1）,(2),(3),(4),（6）式（五个方程，五个未知数）：
由（2）式得： 0888(1)(8)=
=
+++B C B C
M C C C C C C C C C C C (7)
由（3）式得：
2
030240240(240)(1)(8)==
++++C M B C
D C C C C C C C C C C C C C (8)
将（1）,(7),（8）式代入（6）得：
23
0000
8480241.4(1)(8)(240)(1)(8)(240)(1)(8)=+++
++++++++B C B C B C
B C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C
整理得：43247535629232268800++--=C
C C C C C C C 解得：C C =0.908 kmol/m 3
代入（1）式得：3
10
2.301/1
3.345=
=+B C kmol m 代入（7）式得：3
8 2.301 3.345 5.427/8 3.345??==+M C kmol m 代入（8）式得：3
30 3.345 5.427 2.238/240 3.345??==+D C kmol m 代入（4）式得：3
1
3.345 2.2380.0312/30=??=T C kmol m
验证：01.423=+++B C M D T C C C C C
即：1.410 3.345 5.4272 2.23830.0312
14.014.0?=++?+?=
3．18 根据例题3.12中规定的条件和给定数据，使用图解法分析此反应条件下是否存在多定态点？如果为了提高顺丁烯二酸酐的转化率，使原料以0.001 m 3/s 的流速连续进入反应器，其它条件不变，试讨论定态问题，在什么情况下出现三个定态点？是否可能实现？
解：由例3.11,3.12知：
12333003300331.3710exp(12628/)/.326,0.01/, 2.654.55/, 5.34/33.5/33.510/1980/.-==?-=====?=-=-?=A A B A B r A B r pt R kC C T C C kmol m s T K Q m h V m C kmol m C kmol m H kJ mol kJ kmol
C kJ m K
ρ
移热速率方程：00()19.8(326)=-=-pt r q Q C T T T ρ （1） 放热速率方程： 312000()()33.510 1.3710exp(12628/)(1)() 2.65=-?-=???---?g r A r
A A
B A A q H R V T
C X C C X （2）
绝热操作方程：00()
-?-=
A r A
pt
C H T T X C ρ （3）
由（3）式得：
00()
()=--?pt
A A r C X T T C H ρ （4） （4） （4） 代入（2）式得：
3120001542
0033.510 1.3710exp(12628/)1()()() 2.65553.310exp(12628/)(128.80.62917.67710)
()-??=???---??
-?????
??--?=?--+???-?????
pt
g A A r pt
B r
C q T C T T C H C C T T T T T H ρρ
（5）
由（1
Q 0=0.001m 3/s,而保持其它条件不变，则这时的移热速率线如q ’r 所示。由图可知，q ’r 与q g 线无交点，即没有定态点。这说明采用上述条件是行不通的。从例3.11可知，该反应温度不得超过373K ，因此从图上知，不可能出现三个定态点的情况。
3．19 根据习题3.3所规定的反应及给定数据，现拟把间歇操作改为连续操作。试问： （1） （1） 在操作条件均不变时，丙酸的产量是增加还是减少？为什么？
（2）若丙酸钠的转换率和丙酸产量不变，所需空时为多少？能否直接应用3.3中的动力学数据估算所需空时?
（3）若把单釜操作改变三釜串联，每釜平均停留时间为（2）中单釜操作时平均停留时间的三分之一，试预测所能达到的转化率。
解：（1）在操作条件均不变时，用习题3.3中已算出的V r =4512l,Q 0=57.84l/min,则可求出空时为τ=4512/57.84=78min 。此即间歇操作时的(t+t 0)。当改为连续操作时，转化率下降了，所以反应器出口丙酸的浓度也低于间歇反应器的结果。因Q 0维持不变，故最后必然导致丙酸的产量下降。这是由于在连续釜中反应速率变低的缘故。
（2）若维持X A =0.72，则可由3.3题中的数据得出X
A =0.72时所对应的反应速率，进而求出这时对应的空时τ=246.2min 。因题意要求丙酸产量不变，故Q 0不能变，必须将反应器体积增大至14240 l 才行。
（3）这时τ1=τ
A3。
3．20 根据习题3.8所规定的反应和数据，在单个全混流反应器中转化率为98.9%，如果再有一个相同大小的反应釜进行串联或并联，要求达到同样的转化率时，生产能力各增加多少？
解：（1）二个300 l 全混串联釜，X A2=0.989，
01
11300
(1)==-A r A Q X V k X （1） 02122()
300
(1)-=
=-A A r A Q X X V k X （2）
解得：X A1=0.8951
代入（1）式求出此系统的体积流量：
0,23000.08(10.8951) 2.812/168.7/min
0.8951?-===Q l s l 3.8题中已算出0,116.02/min =Q l 。
因为最终转化率相同，故生产能力增加168.7/16.02=10.53
倍。
（2）二个300l 釜并联，在最终转化率相同时，Q 0增加一倍，生产能力也增加一倍。
3．21 在反应体积为0.75 m 3的全混流反应器中进行醋酐水解反应，进料体积流量为0.05 m 3/min,醋酐浓度为0.22kmol/ m 3,温度为25℃,出料温度为36℃，该反应为一级不可逆放热反应，反应热效应等于-209kJ/mol,反应速率常数与温度的关系如下：
k=1.8×10-7 exp(-5526/T),min -1
反应物料的密度为常数，等于1050kg/ m 3,热容可按2.94kJ/kg.℃计算。该反应器没有安装换热器，仅通过反应器壁向大气散热。试计算：
(1) (1) 反应器出口物料中醋酐的浓度；
(2)
(2) 单位时间内反应器向大气散出的热量。 解：
30037298,309,0.05/min 20910/1.810exp(5526/309)0.308
===?=-?=?-=r T K T K Q m H kJ kmol
k
（1） （1） 求转化率：
00.050.75
(1)
0.308(1)
=
=
=--Af Af r Af Af Q X X V k X X
解得:X Af =0.8221
反应器出口物料中醋酐浓度：
30(1)0.22(10.8221)0.03914/=-=-=A A A C C X kmol m
（2）单位时间内反应器向大气散出的热量：
003'()()()0.051050 2.94(309298)(20910)0.3080.22(10.8221)0.75
191/min
=-+?-=??-+-??-=-pt r A r
Q Q C T T H R V kJ ρ
3．22 在反应体积为1 m 3
的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产丙二醇-1，2：
23223+→H COCHCH H O H COHCHOHCH
该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于0.98h -1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m 3,环氧丙烷的最终转化率为90%。
（1）若采用间歇操作，辅助时间为0.65h,则丙二醇-1，2的日产量是多少？
（2）有人建议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2的日产量又是多少？ （3）为什么这两种操作方式的产量会有不同？
解：31
01,,0.98, 2.1/,0.9-=====r
A A A A V m r kC k h C kmol l X （1） （1） 一级不可逆反应：
0001111ln ln 2.3510.9810.9
()(2.350.65)1
=
==--=-=+=Af r t h k X V Q t t Q
所以Q 0=0.109m 3
/h
丙二醇的浓度=3
0 2.10.9 1.89/=?=A A C X kmol m
丙二醇的产量=1.891/30.63/15.15/?==日kmol h kmol
(2) 采用定态下连续操作
000.9
1
(1)
0.98(10.9)
?=
=
=--Af r Af Q X Q V k X
所以Q 0=0.109m 3
/h
丙二醇的产量=0.109 1.890.2058/ 4.939/?==日kmol h kmol （3）因连续釜在低的反应物浓度下操作，反映速率慢，故产量低。
3．23 根据习题 3.11所规定的反应和数据，并假定反应过程中溶液密度恒定且等于1.02g/cm 3,平均热容为4.186kJ/kg.K,忽略反应热随温度的变化，且为-2231kJ/kg 乌洛托品，反应物料入口温度为25℃。问：
（1） （1） 绝热温升是多少？若采用绝热操作能否使转化率达到80%？操作温度为多少？ （2） （2） 在100℃下等温操作，换热速率为多少？
解：0 2.03/, 1.02/==A C mol l kg l ρ
()2231/(312.3/(78.09/(4.186/.-?== ==乌洛托品）乌洛托品）氨）
r pt H kJ kg kJ mol kJ mol C kJ kg K
（1）绝热升温：0() 2.0378.0937.131.02 4.186-??===?A r pt
C H K
C λρ
由物料衡算式（见3.11解答）：
32
1.4210exp(3090/)(1)(3.16 3.045)=
???---??
A
A A X T X X τ
由热量衡算式得：T=298+37.13X A 。
联立求解可得：X A =0.8578>0.8，T=329.9K 可见，绝热操作时转化率可以达到80%。
（2）T 0=298K,在T=373K 下等温操作，由物料衡算式可求出转化率：
32
4303 1.4210exp(3090/373)(1)(3.16 3.045)==???---??
A A A X X X τ
所以有：X A =0.9052
由（3.87）式可得物系与环境交换的热量：
0000033()()()
310 1.02 4.186(373298)310 2.030.905278.090.5302/--=-=-+?=???-+????=pt h A Af r q UA T T Q C T T Q C X H kJ s
ρ由上式知T C >T,
说明应向反应器供热。
3．24 某车间采用连续釜式反应器进行已二酸和已二醇的缩聚反应，以生产醇酸树酯。在正常操作条件下（反应速度，进出口流量等），已二酸的转化率可达80%。某班从分析知，转化率下降到70%，检查发现釜底料液出口法兰处漏料，经抢修后，温度流量均保持正常操作条件。但转化率仍不能提高，试分析其原因。如何使转化率提高到80%？
解：根据上述情况，可能是反应器的搅拌系统有些问题，导致反应器内部存在死区或部分物料走了短路，这些均可导致反应器的效率降低，从而使转化率下降。
釜式反应器 Tank Reactor 釜式反应器的学习任务 1、了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用。 2、掌握各类釜式反应器的计算。 3、了解釜式反应器的热稳定性。 4、掌握釜式反应器的操作技能。 项目一釜式反应器的结构 釜式反应器又称: 槽型反应器或锅式反应器一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。 反应器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一。在化工生产中，既可适用于间歇操作过程，又可用于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联使用；但若应用在需要较高转化率的工艺要求时，有需要较大容积的缺点。通常在操作条件比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于物料沸点时，釜式反应器的应用最为普遍。 一、釜式反应器基本结构 釜式反应器的基本结构主要包括: 反应器壳体、搅拌装置、密封装置、换热装置、传动装置。 壳体结构：一般为碳钢材料，筒体皆为圆筒型。釜式反应器壳体部分的结构包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜、安全装置及各种工艺接管口等。封头；反应釜的顶盖，为了满足拆卸方便以及维护检修。 平面形：适用于常压或压力不高时； 碟形：应用较广。 球形：适用于高压场合； 椭圆形：应用较广。 锥形：适用于反应后物料需要分层处理的场合。 手孔、人孔：为了检查内部空间以及安装和拆卸设备内部构件。 视镜: 观察设备内部物料的反应情况，也作液面指示用。 工艺接管: 用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置。
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）002220 00001()(1)110.95169.6min(2.83) 5.60.0210.95 ===?---= ?=?-??Af Af X X A A A A 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：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?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： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af 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 f 3.3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。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH 溶液用量如下表所示：
釜式反应器的应用、技术进展 什么是釜式反应器？一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 工业应用，釜式反应器按操作方式可分为：①间歇釜式反应器,或称间歇釜。操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。②连续釜式反应器,或称连续釜。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。③半连续釜式反应器。指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。间歇式反应器操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。 有搅拌器的釜式设备是化学工业中广泛采用的反应器之一，它可用来进行液液均相反应，也可用于非均相反应，如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。普遍应用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等工业，用来完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程，以及有机染料和医药中间体的许多其他工艺过程的反应设备。聚合反应过程约90%采用搅拌釜式反应器，如聚氯乙烯，在美国70%以上用悬浮法生产，采用10~1503m 的搅拌反应器：德国氯乙烯悬浮聚合采用的是2003m 的大型搅拌釜式反应器：中国生产聚氯乙烯，大多采用13.53m 、333m 不锈钢或复合钢板的聚合釜式反应器，以及73m 、143m 的搪瓷釜式反应器。又如涤纶树脂的生产采用本体熔融缩聚，聚合反应也使用釜式反应器。在精细化工的生产中，几乎所有的单元操作都可以在釜式反应器中进行。 釜式反应器的技术进展 1、大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L 以下，其它行业有的达30m3；国外在染料行业有20000～40000L ，而其它行业可达120m3。 2、反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。 3、以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。 4、合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。>
搅拌釜式反应器课程设计任务书 一、设计内容安排 1. 釜式反应器的结构设计 包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份 5. 绘制装配图一张（电子版） 二、设计条件 三、设计要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。 四、设计说明书的内容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图 （1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图； （2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及 环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 5.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN, 法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。 【设计要求】： 1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚； 3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计计算书目录要有序号、内容、页码； 5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更； 6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。
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任务一间歇操作釜式反应器设计 工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器的工艺设计预备知识：
一、反应器流动模型 （一）理想流动模型 1、理想置换流动模型 也称为平推流模型或活塞流模型。指在任一截面的物料如同活塞一样在反应器中移动，垂直于流动方向的任一横截面上所有的物料质点的年龄相同，是一种返混量为零的极限流动模型。其特点是在定态情况下，沿着物料流动方向物料的参数会发生变化，而垂直于流动方向上的任一截面的所有参数都相同，如浓度、压力、流速等。 2、理想混合流动模型 称为全混流模型。由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混无穷大，所有空间位置物料的各种参数完全一致 3、返混及其对反应的影响 指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。间歇操作反应器不存在返混。其带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度去的消失或减低。 a 返混改变了反应器内的浓度分布，是反应器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升 b 返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度分布。 c 不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的是对反应器的工程放大所产生的问题 d 降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种 （二）非理想流动 实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因课归纳为下列几个方面 a 滞留去的存在也称死区、死角，是指反应器中流体流动极慢导致几乎不流动的区域。 b 存在沟流与短路 c 循环流 d 流体流速分布不均匀 e 扩散 二、均相反应动力学基础 工业反应器中，化学反应过程与质量、热量和动量传递过程同时进行，这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏观反应过程。研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。排除了一切物理传递过程的影响得到的反应动力学称为化学动力学或本征动力学。 （一）化学反应速率及反应动力学方程
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+→+C H C O O C H N aO H C H C O O N a C H O H 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)11 0.95 169.6m in(2.83) 5.60.0210.95===?---= ? =?-??A f A f X X A A A A 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+→++C H C lC H O H N aH C O C H O H C H O H N aC l C O 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：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?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 m ol l 反应时间： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af 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
立式搅拌反应釜工艺设计 1. 推荐的设计程序 1.1 工艺设计 1、做出流程简图； 2、计算反应器体积； 3、确定反应器直径和高度； 4、选择搅拌器型式和规格； 5、按生产任务计算换热量； 6、选定载热体并计算K 值； 7、计算传热面积； 8、计算传热装置的工艺尺寸； 9、计算搅拌轴功率； 1.2 绘制反应釜工艺尺寸图 1.3 编写设计说明书 2. 釜式反应器的工艺设计 2.1 反应釜体积的计算 2.1.1 间歇釜式反应器 V a =V R /φ （2-1） V D =F v (t+t 0) （2-2） 式中 V a —反应器的体积，m 3； V R —反应器的有效体积，m 3。 V D —每天需要处理物料的体积，m 3。 F v —平均每小时需处理的物料体积，m 3/h ； t 0 —非反应时间，h ； t —反应时间，h ； ? =A x R A A A V r dx n t 0 （2-3） 等温等容情况下 ? =A x A A A r dx C t 0 0 （2-4）
对于零级反应 A A x k C t 0 = （2-5） 对一级反应 A x k t -= 11ln 1 （2-6） 对二级反应 2A →P ；A+B →P （C A0=C B0） () A A A x kC x t -= 100 （2-7） 对二级反应 A+B →P ()A B A B x x C C k t ---= 11ln 100 （2-8） φ—装料系数，一般为0.4～0.85，具体数值可按下列情况确定： 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜 0.8～0.85； 带搅拌的反应釜 0.7～0.8； 易起泡沫和在沸腾下操作的设备 0.4～0.6。 2.2反应器直径和高度的计算 在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/D)，以确定罐体直径和高度。长径比的确定通常采用经验值，即2-1 表2-1 罐体长径比经验表 在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时 ??? ? ??≈ ≈ i i i D H D H D V 32 44 π π （2-9） 选择合适的高径比，将上式计算结果圆整成标准直径。椭圆封头选择标准件，其内径与筒体内径相同。可参照《化工设备机械基础课程设计指导书》的附录查找。通过式（2-10）得出罐体高度。 π 4 2?-= i D V V H 封 （2-10） 其中 V 封——封头容积，m 3
一概述 1.1醋酸乙酯生产工艺的现状和特点 醋酸乙酯分子式C4H8O2，又名：乙酸乙酯，英文名称：acetic ester；ethyl acetate，简称EA。醋酸乙酯是醋酸工业重要的下游产品，也是一种重要的绿色有机溶剂，溶解能力及快干性能均属上乘，主要用做涂料(油漆和瓷漆)、油墨和粘合剂配方中的活性溶剂，也可用做制药和有机化学合成的工艺溶剂。 EA可用于制造乙酰胺、乙酰醋酸酯、甲基庚烯酮等，并在香料、油漆、医药、火胶棉、硝化纤维、人造革、染料等行业中广泛应用，还可用作萃取剂和脱水剂，亦可用于食品工业。还可用于硝酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶和乙烯树脂、乙酸纤维素脂、纤维素乙酸丁酯和合成橡胶等的生产过程；也可用于复印机的液体硝基纤维墨水。在纺织工业中用作清洗剂；在食品工业中作为特殊改性酒精的香味萃取剂；在香料工业中是重要的香料添加剂，可作为调香剂的组份。同时醋酸乙酯本身也是制造染料、香料和药物的原料。在高级油墨、油漆及制鞋用胶生产过程中，对醋酸乙酯的质量要求较高。 当前全球醋酸乙酯的市场状况是：欧美等发达国家醋酸乙酯的市场发展比较成熟，产量和消费量的增长都比较缓慢，亚洲尤其是中国成为醋酸乙酯生产和消费增长最为快速的国家和地区。由于中国国内快速发展的市场，尤其是建筑、汽车等行业的强劲发展，推动国内醋酸乙酯的需求，但是同时，醋酸乙酯生产能力的增长也非常快速，市场未来发展充满了机遇与挑战。 醋酸乙酯消费持续增长的主要原因是它取代了污染空气环境的用于表面涂层和油墨
配方的甲乙酮和甲基异丁基酮。醋酸乙酯作为优良溶剂，正逐步替代一些低档溶剂，发展潜力较大。 受消费拉动，20世纪90年代以来，我国醋酸乙酯生产发展迅速。“八五”期间，产量年均增长率为13.0%；1995-2000年，年均增长率达到20.5%；2000-2002年，年均增长率高达30.5%。目前我国有醋酸乙酯生产企业30多家，年产能力为57.2万吨。其中，万吨级以上规模的企业有14家，年产能力为47万吨。2001年5月，山东金沂蒙集团将醋酸乙酯产能增至8万吨/年，2003年6月又扩能至16万吨/年；2001年，上海石化采用黑龙江省石化研究院技术，建成2万吨/年乙醛缩合法生产醋酸乙酯装置；2002年5月，中英合资BP--扬子江乙酰化工有限公司8万吨/年醋酸乙酯装置投产，采用BP 切换式醋酸乙酯技术生产醋酸乙酯和醋酸丁酯，工艺技术国内领先；2001年，江西南昌赣江溶剂厂将醋酸乙酯年产能力从2万吨扩至8万吨；2003年，江门谦信化工发展有限公司将产能从1.5万吨/年扩至3.5万吨/年。近2-3年内，国内新增醋酸乙酯年产能力达31万吨。 虽然我国醋酸乙酯市场仍有潜力，但由于扩能速度太快，近两年已出现开工率不足的现象。据了解，2002年国内装置平均开工率约77%，预计2003年平均开工率将为66%。目前市场已经饱和，产品价格呈走软趋势，利润已渐微薄。而在建和拟建醋酸乙酯项目尚有20万吨/年产能。如果这些项目到2005年如期投产，我国醋酸乙酯供应将平衡有余。随着国内新增能力陆续投产，近两年我国醋酸乙酯进口量有所下降。2001年进口5.35万吨，2002年进口4.8万吨，2003年上半年进口2.45万吨。 醋酸乙酯制备方法主要有醋酸酯化法、乙醛缩合法、乙醇脱氢法和乙烯加成法。 用醋酸和乙醇酯化制醋酸乙酯是开发较早，工艺成熟，且为目前主要采用的方法。反应在酸催化剂（如硫酸）存在下进行液相酯化，分为间歇法和连续法。间歇法使用釜式反
搅拌釜式反应器课程设计书 一、设计容安排 1. 釜式反应器的结构设计 包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份 5. 绘制装配图一（电子版） 二、设计条件 三、设计要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。 四、设计说明书的容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质； （3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图 （1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图； （2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、部主要零部件的轴向及环 向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 5.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。容包括：代号，PN,DN, 法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。
目录 搅拌釜式反应器设计条件 (1) 1 确定筒体的直径和高度 (2) 2. 确定夹套的直径和高度 (2) 3. 确定夹套的材料和壁厚 (3) 4. 确定筒的材料和壁厚 (3) 5. 水压试验及其强度校核 (5) 6. 选择釜体法兰 (6) 7. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 (6) 8. 选择搅拌传动装置和密封装置 (7) 9. 校核L1/ B和L1/d (8) 10. 容器支座的选用计算 (8) 11. 选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 (9) 12 参考资料 (10) 13 设计感想 (11)
反应器结构及工作原理图解 小7：这里给大家介绍一下常用的反应器设备，主要有以下类型：①管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。 一、管式反应器 一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
分类： 1、水平管式反应器 由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。
2、立管式反应器 立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。
3、盘管式反应器 将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。
第三章釜式反应器 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。 釜式反应器 反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要尺寸。 对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括： 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 等温间歇釜式反应器的计算（复合反应） 全混流反应器的设计 全混流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的计算 全混流反应器的定态操作与分析
第一节釜式反应器的物料衡算方程 反应器设计的基本内容： 选择合适的反应器类型 确定最佳操作条件 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸） 最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程) 基本方程: 物料衡算--描述浓度的变化规律 能量衡算--描述温度的变化规律 动量衡算--描述压力的变化情况 注意： 首先要选择控制体 如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。 对于复杂反应，方程数大大增多 第二节等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 特点： 分批装、卸； 适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产。 整个操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清洗）
大连民族学院 生命科学学院 化工设备课程设计 题目：搅拌反应釜课程设计 姓名：王睿 学号：2014034113 系部：化学工程系 专业班级：化工142 指导教师：赵明举 时间：2016.11.21至2016.11.28
搅拌釜式反应器课程设计任务书 一、设计内容安排 1. 釜式反应器的结构设计 包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份 5. 绘制装配图一张（电子版） 二、设计条件 三、设计要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。 四、设计说明书的内容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质； （3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图 （1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图； （2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及 环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 5.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN, 法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。
目录 搅拌釜式反应器设计条件 (1) 1 确定筒体的直径和高度 (2) 2. 确定夹套的直径和高度 (2) 3. 确定夹套的材料和壁厚 (3) 4. 确定内筒的材料和壁厚 (3) 5. 水压试验及其强度校核 (5) 6. 选择釜体法兰 (6) 7. 选择搅拌器、搅拌轴和联轴器 (6) 8. 选择搅拌传动装置和密封装置 (7) 9. 校核L1/ B和L1/d (8) 10. 容器支座的选用计算 (8) 11. 选用手孔、视镜、温度计和工艺接管 (9) 12 参考资料 (10) 13 设计感想 (11)
一概述醋酸乙酯生产工艺的现状和特点 醋酸乙酯分子式C 4H 8 O 2 ，又名：乙酸乙酯，英文名称：acetic ester；ethyl acetate， 简称EA。醋酸乙酯是醋酸工业重要的下游产品，也是一种重要的绿色有机溶剂，溶解能力及快干性能均属上乘，主要用做涂料(油漆和瓷漆)、油墨和粘合剂配方中的活性溶剂，也可用做制药和有机化学合成的工艺溶剂。 EA可用于制造乙酰胺、乙酰醋酸酯、甲基庚烯酮等，并在香料、油漆、医药、火胶棉、硝化纤维、人造革、染料等行业中广泛应用，还可用作萃取剂和脱水剂，亦可用于食品工业。还可用于硝酸纤维、乙基纤维、氯化橡胶和乙烯树脂、乙酸纤维素脂、纤维素乙酸丁酯和合成橡胶等的生产过程；也可用于复印机的液体硝基纤维墨水。在纺织工业中用作清洗剂；在食品工业中作为特殊改性酒精的香味萃取剂；在香料工业中是重要的香料添加剂，可作为调香剂的组份。同时醋酸乙酯本身也是制造染料、香料和药物的原料。在高级油墨、油漆及制鞋用胶生产过程中，对醋酸乙酯的质量要求较高。 当前全球醋酸乙酯的市场状况是：欧美等发达国家醋酸乙酯的市场发展比较成熟，产量和消费量的增长都比较缓慢，亚洲尤其是中国成为醋酸乙酯生产和消费增长最为快速的国家和地区。由于中国国内快速发展的市场，尤其是建筑、汽车等行业的强劲发展，推动国内醋酸乙酯的需求，但是同时，醋酸乙酯生产能力的增长也非常快速，市场未来发展充满了机遇与挑战。 醋酸乙酯消费持续增长的主要原因是它取代了污染空气环境的用于表面涂层和油墨配方的甲乙酮和甲基异丁基酮。醋酸乙酯作为优良溶剂，正逐步替代一些低档溶剂，发展潜力较大。 受消费拉动，20世纪90年代以来，我国醋酸乙酯生产发展迅速。“八五”期间，产量年均增长率为%；1995-2000年，年均增长率达到%；2000-2002年，年均增长率高达%。目前我国有醋酸乙酯生产企业30多家，年产能力为万吨。其中，万吨级以上规模的企业有14家，年产能力为47万吨。2001年5月，山东金沂蒙集团将醋酸乙酯产能增至8万吨/年，2003年6月又扩能至16万吨/年；2001年，上海石化采用黑龙江省石化研究院技术，建成2万吨/年乙醛缩合法生产醋酸乙酯装置；2002年5月，中英合资BP--扬子江乙酰化
1.8m3搅拌釜式反应器设计 搅拌釜式反应器由搅拌器和釜体组成。搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），搅拌桨;釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。工业上应用的搅拌釜式反应器有成百上千种，按反应物料的相态可分成均相反应器和非均相反应器两大类。非均相反应器包括固-液反应器，液-液反应器，气-液反应器和气-液-固三相反应器。本次设计的釜式反应器适用性广操作弹性大，是工业生产中最广泛使用的反应器。 1 前言 1.1 反应器的现状及发展前景 反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混合功能。随之，反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于废标的容器设备。 不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工业过程的容器。 反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。 搅拌釜式反应器，这种反应器是工业生产中最广泛采用的反应器形式，适用于各种相态物料的反应。反应釜中设有各种不同型式的搅拌、传热装置，可适应不同性质的物料和不同热效应的反应，以保持反应物料在釜内合理地流动、混合和料号的传热。搅拌釜式反应器既可间隙操作也可连续操作或半连续操作，既可单釜操作，又可多釜串联操作。搅拌釜式反应器的使用性广，操作弹性大，浓度容易控制。它通常由釜体、换热装置。搅拌器和传动装置等构件组成。[1] 1.2 搅拌式反应釜结构设计及其工作原理示意图