化学反应工程3.1间歇釜式反应器

1、概述n化学反应器是化工生产中的关键设备，反应器的类型很多，在不同类型的反映器中，能量与物质的传递特性有很大差异，因此反应器的类型对产品的质量及整个工艺过程的经济性都起着决定性的作用。n反应器的选型就是要根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应器设备n本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反应器设计的基本理论。理想反应器的三种基本形式理想反应器的三种基本形式间歇反应器 (batch reactor)活塞流反应器 (plug flow reactor pfrs)全混流反应器 (continuous stirred tank reactors cstrs)本章内容本章内容掌握工业反应器

2、设计和开发计算中所为基本原理以反应动力学为基础，根据反应的特点和反应器的性能，确定化学反应器的形式和最佳操作条件复完成生产任务所必需的反应器体积及生产能力理想反应器特性理想反应器特性理想混合反应器特性返混无穷大，完全混合，混合瞬间完成，器内物料具有完全相同的温度和浓度，且等于反应器出口的温度和浓度。如：搅拌良好的釜式反应器。平推流反应器特性器内物料以相同的速率和一致的方向进行移动、返混为0，所有物料在器内具有相同的停留时间。如：长径比较大、流速较高的管式反应器。连续流动反应器的空时、空速连续流动反应器的空时、空速 n空时：是空间时间的简称。它是指在规定的条件下，反应器有效容积和进料体积流量的比

3、值， tvv进料的体积流量反应器容积量反应器中物料的体积流反应器容积t空时与平均停留时间连续流动反应器的空时、空速连续流动反应器的空时、空速 n空速（sv）：是空间速度的简称，它是空时的倒数。指在规定的条件下，单位时间内通过单位反应器容积的物料体积 vcfvvsvaat0,0,1空速表明反应器的生产能力，一般说来，空空速表明反应器的生产能力，一般说来，空速越大，反应器的生产能力越大速越大，反应器的生产能力越大。 反应设计的基本计算方程式n物料衡算方程：a组分累积量=a组分流入量-a组分流出量-a组分反应消耗量反应器反应单元带入量带出量反应量累积量间歇式整个反应器00全混釜（稳态）整个反应器0平

4、推流（稳态）微元长度0非稳态3.2间歇搅拌釜式反应器（间歇搅拌釜式反应器（bstr）n本节所要掌握的内容q1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应用；q2.等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）q3.变容间歇釜式反应器的计算（单一反应）q4.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3.2间歇搅拌釜式反应器（间歇搅拌釜式反应器（bstr） n排除了物质的传递（搅拌良好）n无需考虑的反应器内热量传递n非定常态过程，ca、产物随时间而变，化学反应的结果将唯一地由化学反应动力学确定，反应进行的程度决定于反应时间的长短n具有周期性，一个周期包括操作（反应）时间t，也包括辅助（非生产性）

5、时间tn生产灵活性大 间歇釜式反应器的物料衡算间歇釜式反应器的物料衡算对整个反应器中a组分物料进行衡算：的累积量反应器内物料单位时间内在的量物料反应掉的单位时间的量反应器的物料单位时间流出的量反应器的物料单位时间进入aaaa 0 0 ravt tattanntvrnnatatta00vrtnnatatta当t趋于0时vrdtdnaadtdnvraa1dtdnvrpp1定义产物p组分的生成速率：rp 反应速率为单位时间单位体积生成p的摩尔量 对设计方程进行积分 aannaatrdnvdt01000aaaannnxa组分的转化率 0aaandndxaxaaardxvnt00间歇反应的反应时间naa

6、kcr naakcr nnanannanaavxnkvnkkcr10axnaannaxdxvknt011011恒容间歇反应器恒容间歇反应器 axnaananxdxknvt01011axnaanaxdxkct01011当n11111110nanaxnkct当n1aaxkxkt11ln11ln1ktaex1例题n对于一级不可逆反应方程：n在一间歇反应器完成上述反应，如k0.01s-1，试计算转化率达到30%时所用的反应时间。 aakcrba,aannaardnvt01aakcrpa0ln10aannaannkkndntaa0001aaaaaannnnnxsxkta7 .351ln1恒压间歇反应器恒

7、压间歇反应器 rparpaaaaaxnnn00aaapppxnnn00aaarrrxnnn000iinn 惰性气体aaaarpttxnvnn00aaataaarpttxxnnvnn110000000tataaarpannnnaattxnnvv100aaxvv10aaxananaanaxnaanaanandxxxkcxdxxknvt011001101011111间歇反应器的体积计算间歇反应器的体积计算 n生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料量 ，根据每批操作所需要的时间可以算出反应器的体积。其中每批操作所需要的时间包括两部分，一是物料的反应时间t，另外还有反应以外的加料、生温、冷却、卸料、清

8、洗等时间，称为辅助时间t。因此反应器体积v计算公式为： ttvvtn求得反应器的体积v后，根据实际反应过程的装料系数，可以求得反应器实际体积vvt例题n例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为： ra=kcacb式中： ra-以已二酸组分计的反应速率，kmol.l-1.min-1 k-反应速率常数，1.97l.kmol-1.min-1 ca、cb-分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.l-1 ca0、cb0均为0.004 kmol.l-1n求：q已二酸的转化率分别为xa=0.5、0.6、0.8所需的反应时间分别为多少？q若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大小。总结总结由间歇釜式反应器的设计方程可知：反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率，也就是说取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。（即生产强