1、3 釜式反应器釜式反应器3.1 釜式反应器的物料衡算式釜式反应器的物料衡算式设设:N个组分，进行个组分，进行M个均个均相反应，关键组分数为相反应，关键组分数为K。取取整个反应体积整个反应体积Vr作为作为控制体积。控制体积。对对i物衡：物衡：i的进入量的进入量=i的排出量的排出量+i的反应量的反应量+器内器内i的累积量的累积量1,2,.Ki ,dndtVRdtQCdtCQirii0i0 Ri 关键组分的关键组分的转化速率和生成速率转化速率和生成速率jM1jijirR 物料衡算式物料衡算式 1,2,.Ki ,dtdnVRQCCQirii0i0 1,2,.Ki ,VRQCCQrii0i0 1,2,.
2、Ki ,0dtdnVRiri 0dtdn i若定态连续操作，则：若定态连续操作，则：0QC0CQi0i0，若间歇操作，则：若间歇操作，则：3.2 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（单一反应）结构与操作特点结构与操作特点 操作周期操作周期 加料加料反应反应出料出料清洗清洗 特点特点：反应物料间歇加入与取：反应物料间歇加入与取出，物料的温度和浓度等出，物料的温度和浓度等操作操作参数可随时间而变，不随空间参数可随时间而变，不随空间位置而变，位置而变，所有物料质点在反所有物料质点在反应器内经历应器内经历相同的反应时间相同的反应时间优点：通用性、灵活性、适用范围广。优点：通用
3、性、灵活性、适用范围广。缺点：产量小、质量不稳。缺点：产量小、质量不稳。Batch Stirred Tank Reactor1.反应时间反应时间t 可用于均相、多相，等温或非等温过程。可用于均相、多相，等温或非等温过程。间歇釜基本设计方程间歇釜基本设计方程一一 反应时间及反应体积的计算反应时间及反应体积的计算)x1(nnA0AA RBA 1,2,.Ki ,0dtdnVRiri 0dtdXnVRA0ArA AfAfx0rAA0Ax0rAA0AVrdxnt V)R(dxnt或或对恒容过程对恒容过程 AfAfx0AA0Ax0AA0A)R(dxct rdxCt或或使反应物达到一定转化率所需使反应物达到
4、一定转化率所需反应时间反应时间的计算式的计算式 A0ACCAArdCta 数值积分数值积分一级反应一级反应)X1(kCkCrA0AAA 2A20A2AA)X1(kCkCr AX0A0AA0AX11lnk1)X1(kCdXCtAf 二级反应二级反应AA0AX02A20AA0AX1XkC1)X1(kCdXCtAf 间歇釜中各级反应的结果间歇釜中各级反应的结果反应速率反应速率级数级数rA=kCA一级反应一级反应rA=kCA2二级反应二级反应 A0ACCAArdCt Afx0AA0ArdxCtA0ACClnkt Ax11lnkt 0AAC1C1kt AA0Ax1xktC 反应结果剖析反应结果剖析 一级
5、反应：（一级反应：（1）k的因次为时间的倒数；的因次为时间的倒数；XA定时，定时，kt（2）t仅与仅与xA有关，与有关，与cA0无关。无关。二级反应：（二级反应：（1）k的因次为的因次为cA0t因次的倒数；因次的倒数；XA定时，定时，kt（2）xA一定时，提高一定时，提高cA0可提高产量，又可缩短可提高产量，又可缩短t。AAkCr 级反应，级反应，对对 A0ACCAArdCt AfX0AAAordXCt1 kC)1()X1()X1(dXC1t10A1AfX0AA10AAf b 图解积分图解积分 VrdxntAfx0rAA0A t与与rA有关，与有关，与Vr无关无关 Vr与与Q0有关，有关，2
6、反应体积反应体积式中：式中：Q0 单位时间内处理的反应物料的体积单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定）（由生产任务决定）)tt(QVr00 AfAfx0AA0Ax0AA0A)R(dxct rdxCt或或n实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间(t)+辅助时间辅助时间(t0)反应体积反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体是指反应物料在反应器中所占的体积，称积，称反应器的有效容积反应器的有效容积。3.实际反应器的体积：实际反应器的体积：fVVr 式中：式中：f装料系数装料系数 f=0.40.85对于沸腾或易起泡沫的液体物料：对于沸腾或易起泡沫的液体物料：f=0.40.6对于不起泡
7、或不沸腾的液体：对于不起泡或不沸腾的液体：f=0.70.854 工程设计工程设计 容积大小的选择容积大小的选择高径比确定高径比确定搅拌器搅拌器传热装置传热装置材质材质重点：反应时间及反应体积的计算重点：反应时间及反应体积的计算 1.反应时间反应时间t AX11lnk1t AA0AX1XkC1t 二级反应二级反应一级反应一级反应小结小结 AfX0AAAordXCt A0ACCAArdCt2.间歇反应器的反应体积：间歇反应器的反应体积：Vr=Q0(t+t0)3.实际反应器的体积：实际反应器的体积：V=Vr/f 式中：式中：f装料系数装料系数 Q0 单位时间内处理的反应物料的体积单位时间内处理的反应
8、物料的体积例例1.某厂生产醇酸树脂是使已二酸（某厂生产醇酸树脂是使已二酸（A）和已）和已二醇二醇(B)以等摩尔比在以等摩尔比在70 进行缩聚反应而进行缩聚反应而得。得。rA=kcA2，k=1.97 Lkmol-1min-1。若已。若已二酸的初始浓度二酸的初始浓度cA,0=0.004 kmolL-1，求已二，求已二酸的转化率分别为酸的转化率分别为0.5,0.6,0.8,0.9所需反应时所需反应时间为多少？若每天处理间为多少？若每天处理2400 kg已二酸，已二已二酸，已二酸的转化率为酸的转化率为80，每批操作的辅助时间，每批操作的辅助时间t0=1 h，试计算反应器的体积。，试计算反应器的体积。(
9、反应釜个数取反应釜个数取1,装料系数取装料系数取0.75。)解：解：AA0AX1XkC1t (1)二级反应二级反应XA=0.5 )h(1.26015.015.0004.097.11t XA=0.6 t=3.18(h)XA=0.8 t=8.50(h)XA=0.9 t=19.0(h)(2)计算反应器的体积计算反应器的体积)80.01(004.097.180.0)x1(kcxtAA,0A =508 min=8.5hMA=146 kgkmol-1146242400M242400A=0.684 kmolh-1 FA,0=Q0=004.0684.0cFA,0A,0=171 Lh-1 Vr=Q0(t+t0)
10、=171(8.5+1)=1630L=1.63 m3 V=75.063.1fVr=2.17 m3。二、最优反应时间二、最优反应时间当反应时间当反应时间t时，时，CA、rA，nR但按单位操作时间计算的产品产量不一定但按单位操作时间计算的产品产量不一定。以以最大生产速度最大生产速度为目标为目标 maxttCVF0RrR MR0RdtCdttCADMDAM）（的斜率的斜率切线切线 0RRRttCdtCd 0dtFd 以以生产费用最低生产费用最低为目标，设单位时间的反应操为目标，设单位时间的反应操作费用为作费用为a、辅助操作费用为、辅助操作费用为a0，固定费用，固定费用af。minCVataatARrf
11、00T NRf00opRop)dtdCa/)ata(tCBENEBN（的斜率的斜率切线切线 a/)ata(tC)dtdC 0dtdAf00opRopopRT （令令3.3 等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）一一 平行反应平行反应 物衡式：物衡式：恒容过程恒容过程主主）(PA1k副）副）(QA2kA1PCkr A2QCkr 3 dtdnVR2 dtdnVR1 dtdnV)R(QrQPrPArA 4 C)kk()R(dtdC A21AA 5 CkRdtdCA1PP ）得）得积分（积分（40C,0C,CC,0tQP0AA A1PA2A1ACkRCkCkR A21
12、A0A21X11lnkk1CClnkk1t t)kk(expCC210AA t)kk(exp1)kk(CkC21210A2Q 代入代入(5),t)kk(exp1)kk(CkC21210A1P 5 CkRdtdCA1PP 积分得积分得QpA0ACCCC 反应时间确定后，即可确定所需的反应体积反应时间确定后，即可确定所需的反应体积Vr,其方法与单一反应的情况相同。其方法与单一反应的情况相同。Vr=Q0(t+t0)例例3-2：在等温间歇釜式反应器中进行液相反应：在等温间歇釜式反应器中进行液相反应：反应开始时反应开始时A和和B的浓度均等于的浓度均等于2kmol/m3,目目的产物为的产物为P，计算反应时
13、间为，计算反应时间为3h时时A的转化率的转化率和和P的收率。的收率。即即A转化了转化了99.88，其中转化成，其中转化成P的只有的只有69.19，余下（，余下（99.88-69.19）=30.69则转化成则转化成Q。设在等温间歇釜中进行下列一级不可逆连串反应：设在等温间歇釜中进行下列一级不可逆连串反应：二二 连串反应连串反应 QPA21kk (1)CkdtdCrA1AA (2)CkCkdtdCrP2A1PP 积分（积分（1）得）得(3)eCCtk0AA1 代入（代入（2）解得）解得(4)ee(C)kkk(Ctktk0A121P21 0C,0C,CC0tQPA0A 时，时，当当QPA0ACCCC )ekek(kk11 CCtk1tk2210AQ21 对连串反应，提高选对连串反应，提高选择性或收率的关键是择性或收率的关键是控制反应时间控制反应时间为了求得为了求得CPmax，可将，可将式（式（4）对）对t求导，并令求导，并令dCP/dt=0)kkk(210AmaxP122)kk(CC 2121OPkk)kkln(t%8.36e1CCY,eCC,k1tkkk0AmaxPmax0AmaxPOP21 时，时，当当
