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第三章-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

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

第三章间歇釜式反应器知识讲解

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 釜式反应器

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

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

第三章 釜式反应器

第三章 釜式反应器
26
连串反应组分浓度与反应时间关系示意图
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器，稳态操作，有： 则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr
dni dt
0

j 1
M
ij
rj
i 1,2, K
无时间变量，液相反应体积变化不显著,
假定进出口流量相等连续釜式反应器反应体积计算公式


21
cQ


等温 BR 的计算
c A0
AP AQ
A
P
cP k1 cQ k2
成立的条件： 各反应的速率方程形 式相同； 反应物中各反应组分 的化学计量系数均相 等
22
c
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温 BR 的计算
复合反应
将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：
累积速率=0， dni
dt
0
可简化为代数方程：
Q0ci 0 Qci iVr i 1,2, K
7
间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，
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
连续釜式反应器操作：定态 等温、等浓度下反应等反应速率下反应，rA定值
28
3.4 等温CSTR 的计算
对连续釜式反应器体积计算公式
单一反应
Q0 (c A0 c A ) Vr rA
对连续釜式反应器体 积由物料衡算式可直 接计算得到
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )

第三章 釜式反应器

第三章 釜式反应器
13
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分：
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应）
恒容条件下（多数情况）
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为： rA kCAn
i


反应生成

物质量 物质量 i物质量
通式为
7
间歇釜式反应器的物料衡算式
由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出，因此
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内

i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应)， 又可用于多相反应，如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上，既可以 是进行连续操作，也可 以进行间歇或半间歇操 作。

化学反应工程第三章答案

3 釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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l，反应速率常数等于。

要求最终转化率达到95%。

试问：（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）(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。

拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO水溶液及30%（重3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。

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，要求转化率达到95%。

（1）（1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（2）若装填系数取，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,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：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反应液用的NaOH溶液滴定，以确定500kg/h，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的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：于是可求出A的平衡转化率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当CA=×l时，所对应的反应时间为48min。

第三章间歇釜式反应器

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。ຫໍສະໝຸດ 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
• 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
• •
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
小，若标准釜的容积为Va，那么，
Va V 100 % Vma Vm 100 %
V
Vm
14
• 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 ？
15
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 及δ等
5
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
6
（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

第三章 釜式反应器


������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积：
������ = ������ ������ + ������
式中： Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定） t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间：������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 ： t=0时，CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 ： ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式（6）也可写成：
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16

3_釜式反应器.

A
c
0
AP AQ
P
Q
t
cP k1
cQ
k2
即：任意时刻两 个反应产物浓度 之比，等于两个 反应速率常数之 比
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温 BR 的计算
复合反应
将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统 ：
M
反应物A的浓度为：
(t ki )
cA cA0e 1
反应产物的浓度为：
M
ci
Q0
ci0
Q
ci
Q0ci0dt Qcidt RiVr dt dni
Vr
Q0ci0
Qci
RiVr
dni dt
i 1,2, K
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
M
R
其中：
i
ij r j
j 1
KM
对反应物为负 对产物为正
等温 BR 的计算
1.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
釜式反应器的物料衡算通式
Q0
Q
ci0
ci
Vr
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
Q0 :反应器进料的体积流量
Q :反应器出料的体积流量
ci0 :反应器进料中关键组分浓度 ci :反应器出料中关键组分浓度
Vr :反应体积
取整个反应体积作控制体积
釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间间歇内对整个反应 器做关键组分 i 的物料衡算：
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
对A：(k1 k2 )cA
dcA dt
0
对P：
k1cA
dcP dt
0
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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
反应物浓度对反应结果的影响表现为反应级数 以转化率为目标，达到相同转化率需反应时间 零级反应，反应时间与初始浓度成正比 一级反应，反应时间与初始浓度无关 二级反应，反应时间与初始浓度成反比
导数 dxA dt 随反应时间变化不同：
零级反应，成线性关系 一级或二级反应，反应时间增加则导数值下降，特 别是二级反应，在反应后期，增加反应时间对反应的 转化率的提高不多。

dcA dt

2cA
cA2
rp

dcp dt
2cA
上两式相除可得
dcA dcp

1
1 2
cA
分离变量进行积分得
cP 0
dcP

cA dcA cA0 1 cA
2
cp

2 ln 1 cA0 / 2 1 cA / 2
代入数据得
cp

2 ln 1
1 2/ 2 2.482 103
解：
t cA0
X Af 0
dX A (RA )

c A0
X Af 0
dX A
kc
2 A0
(1
X
A
)2
1 XA kcA0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
3.2等温间歇釜式反应器的计算
代入反应速率方程, 整理得
rA k1(CACB CRCS K) (k1, xA)
将上式代入(3.8)中
t
CA0
x Af 0
dxA rA
1.9814hr
VR Q0 (t t0 ) 12.384m3
V VR / f 16.5m3
在一定的条件下，若以单位时间内产品产量为目标函数，必然 存在一个最优反应时间，使得单位时间内的产量取最大值。
一级反应
非一级反应
反应时间 t 1 ln 1 k 1 X Af
t

(1 X Af )1 1
( 1)kcA0 1
相同
达到一定转化率所需的反应时间与反应器 大小无关，只取决于动力学因素。
温度越高，速率常数 k 越大，则达到相同 转化率所需的反应时间 t 越短。
区别
t 与cA0无关
优点
操作灵活，可适应不同的操作条件与不同的产品，适 用于小批量、多品种、反应时间较长的产品
缺点
装料、卸料等操作要耗费一定时间(辅助时间)，产品 质量不易稳定，操作相对复杂
3.2等温间歇釜式反应器的计算
间歇操作的操作时间分成反应时间、辅助时间 两部分
反应时间 t
由开始反应到停止反应（达到生产要求时） 所经历的时间，设计反应器的关键即为确定反应时 间，进一步根据产量确定反应器的有效体积。
辅助时间 t0
操作时间中除去反应时间之外的时间，包括 装料、卸料、加热、冷却和清洗等时间。
3.2等温间歇釜式反应器的计算
积分得
因为
t t
0 t
xA xA0 xA xAf
3.2等温间歇釜式反应器的计算
对恒容过程有： 入(3.8)积分
t cA0
X Af dX A 0 (A )
dc cA0
A
cA (A )
cA0
dcA
cA0
dcA
cA 2cA cA2 cA cA 2 cA
1 2
cA0
cA
1

cA

1 2 cA
dcA
上式积分结果为
t 1 ln cA0 (2 cA ) 2 cA(2 cA0)
10.195
kmol m3
CR0 0
CS 0

1.35 4.35 M S
1.351020 4.35 18

17.586
kmol m3
浓度与转化率关系为 CA CA0 (1 xAf ) CR CA0 xAf
CB CB0 CA0 xAf CS CS0 CA0 xAf
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)
注意的问题
首先要选择控制体 1. 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。 2. 如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各
VR (k2CP
k1CA )
dnP dt
0
VR k2CP

dnQ dt
0
均相 恒容
k1C A

dCA dt

0
k2CP
k1CA

dCP dt
0
k2CP

dCQ dt
0
两个独立反应,A,P,Q中任选两个作为关键组分, 只要两个方程即可进行求解.
初始条件：
t 0时，CA CA0 ,CP 0,CQ 0
釜式反应器可用于均 相、多相反应，且三 种操作方式皆适用， 因此釜式反应器又被 称为万能反应器。
*反应器内物料温度、浓度处处均一（搅拌器）
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
反应器设计的基本内容：
反应工程
第三章 釜式反应器
本章重点
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。 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。
釜式反应器
t 与cA0有关
例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
CH 3COOC2H5 NaOH CH 3COONa C2H5OH
A
B
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0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求 乙酸乙酯转化率分别达到 80％、90％和 95％时的反应时间。
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）
针对A组分，达到转化率XA需要的反应时间：
t ln ln 1 k1 k2
CA0 CA
1 k1 k2
1 1 x A
将其代入原物料衡算式
C [1 e ] k1CA0 P k1 k2
(k1 k2 )t
CQ
CA0
CA
CP

[1 e ] k2CA0
3 1 ln 2(2 cA )
2
4cA
将t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，
可求组分A的浓度 cA 2.482103 kmol / m3
因此，A的转化率为
XA

2 2.482103 2

0.9988

99.88%
下面求P的收率 由题给的速率方程可知
A

2cA
cA2
计算反应器体积Vr
反应时间 t 辅助时间 t0 反应体积
实际反应器体积
Q0为处理能力，指单位时间内处理的反应物料的体积 f为装填系数
表3.1 间歇釜式反应器单一反应结果
反应级数 反应速率
浓度积分式
转化率积分式
n=0
rA k
C A C A0 kt 或
kt C A0 C A
x kt
k1 k2
(k1 k2 )t
产物浓度比与时间无关, 仅为速率常数之比
3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）
由于产物P是目的产 物，希望k1>k2。
同理，对于多个平行反应