第三章-间歇釜式反应器

第三章间歇釜式反应器

BR（BatchReactor）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13.1.1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。6.工艺接管,为适应工艺需要

5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌轴之间的泄漏233.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用1、特点*辅助时间占的比例大,劳动强度高，生产效率低.操作灵活性大，便于控制和改变反应条件非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应速度随着反应时间而变同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀*结构简单、加工方便，传质、传热效率高

反应物料一次加入，产物一次取出4几乎所有有机合成的单元操作

2、应用适合于多品种、小批量生产适应于各种不同相态组合的反应物料53.2.1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FVFV=VD/24GD每天所需处理的物料总重量

ρ物料的密度7（2）操作周期t’*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8反应时间t的求算方法由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意：(1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来求算反应过程的时间。(2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计算反应时间。(3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相当高的转化率。有时需分段作动力学计算。9（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。VR=FVt＇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：其中t’=t+t010（4）*设备装料系数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装料系数范围无搅拌或缓慢搅拌的反应釜0.80～0.85带搅拌的反应釜0.70～0.80易起泡或沸腾状况下的反应0.40～0.60液面平静的贮罐和计量槽0.85～0.90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。112、反应器的容积和个数的确定

（1）已知VD或FV与t’，根据已有的设备容积Va，求算需用设备的个数m。设备装料系数为，则每釜物料的体积为Va，按设计任务，每天需要操作的总批次为：每个设备每天能操作的批数为：

按设计任务需用的设备个数为：

12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13（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

需要设备的总容积为：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(GB9845-88)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，

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例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。设备装料系数取0.753、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16解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的总容积为取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为10m3的反应釜，后备能力为思考如果取受料时间为1h，结果如何？17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6m3的锅，每锅受料体积为VR=0.75×6=4.5m3，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%18三个还原锅交替操作的时间安排图19例3-3西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容积。年工作日取300天。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10m3的最大搪瓷锅4台。δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%20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。21根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：每小时需处理硫酸的体积为：每小时处理物料总体积为:FV=626+270=896L反应器的体积为：若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产能力后备系数为：223.2.2间歇操作设备间的平衡保证各道工序每天操作总批次α相等即α1=α2=…=αn总操作批数相等的条件是：①m1β1=m2β2=…=mnβn或

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

即或

23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2m3，2.5m3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VD（m3）t

’

（h）φ磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.6024解：（1）先作磺化工序的计算如取Va=2m3，计算再取Va=2.5m3与Va=3m3做同样计算，结果列于下表中：Vaαβmδ%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.5832244204425使水解工序：α=10β=24/1.5=16，m=10/16=0.625取水解锅容积的计算：Va=VD/α=21.25/（10×0.85）=2.5m3=1，δ=[（1-0.625）/0.625]×100%=60%比较三种方案，选用2个2.5m3的磺化锅较为合适。（2）水解及其他工序的计算26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VD（m3）αβmδ%Va磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6273.3

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VRFV,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。283.3.1单一反应设在间歇反应器内进行如下化学反应A＋B→R

0

0

1.反应时间的计算若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。

所以29适用于任何间歇反应过程。

由反应物A转化率xA的定义得到于是，积分得：30恒容条件下：所以取t=0

时xA=0、CA＝CA0；t=t时xA=xAf、CA=

CAf，积分得其中rA一般具有rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn···的形式

反应器的有效体积VR=FV

(t＋t0)31等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*化学反应速率微分式反应时间积分式

(1)零级反应A→R

(2)一级反应A→R(3)二级反应A→R(4)二级反应A+B→R(CA0=CB0)(5)二级反应A+B→R(CA0≠CB0)其它反应的积分请参阅参考书[1]，[6]32例3-6间歇反应A+B→R+S，二级不可逆rA=kCACB，等温恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，处理量为2.0m3/h，A、B的初浓度均为1.0kmol/m3，每批辅时为0.5h，求反应体积为9.0m3时的A的转化率。解：由解上述方程得得又由得33例3-7：在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩聚反应,其动力学方程为rA=kCA2kmol/(L·min)，k=1.97L/(kmol·min)。己二酸与己二醇的摩尔配比为1:1，反应混合物中己二酸的初始浓度为0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己二酸的转化率达到80%，每批操作的辅时为1h，装料系数取为0.75，计算反应器体积。解：积之得34物料的处理量为操作周期为反应体积为反应器容积为思考计算FV时，为什么不考虑己二醇？35正反应速率常数k1为4.76×10-4m3/（kmol.min），逆反应速率常数k2为1.63×10-4m3/（kmol.min）。反应器内装入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度为1043kg/m3，假设反应过程不改变。试计算反应2h后乙酸的转化率。例3-8在搅拌良好间歇操作釜式反应器中，以盐酸作为催化剂，用乙酸和乙醇生产乙酸乙酯，反应式为：已知100℃时，反应速率方程式为36解：乙酸的初始浓度乙醇的初始浓度水的初始浓度设XA为乙酸的转化率，则各组分的瞬时浓度与转化率的关系为kmol/m3kmol/m3kmol/m337代入反应速率方程式，则得=所以==当t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。38（2）

间歇反应釜的最佳反应时间问题的提出

：①操作时间包括反应时间和辅助时间，辅助时间一般是固定的；②延长反应时间可提高产品收率，但反应后期，反应物浓度降低，反应的推动力变小，反应速率变低，所以，从宏观上看，单位操作时间内的产品收获量未必高；③缩短反应时间，产品收率低，但反应速率一直较大，所以单位操作时间内产品的收获量未必低。由此看来，应存在一最佳反应时间，使得操作单位时间内获得的产品量为最大。39①

以单位操作时间内产品的收获量最大为目标对于反应A→R，若反应产物的浓度为CR，则单位时间内获得的产品量GR为GR=VR×CR/(t+t0)对反应时间求导若使GR为最大，可令dGR/dt=0，于是此为使单位操作时间内产物收获量为最大应满足的条件。思考上述结果是否表明该最优反应时间与其动力学特征无关？40图解法①描绘产物浓度CR与时间t的曲线于坐标轴上(OMN);②在横轴上取A(-t0,0)；③过A点作OMN的切线交OMN于M点;④M点的横坐标就是最佳反应时间。41②以单位产品生产费用最低为目标设一个操作周期中单位时间内反应操作所需费用为a；辅助操作所需费用为a0；固定费用为aF，则单位产品的总费用Z为Z=(at+a0t0+aF)

/(VRCR)对反应时间求导若使Z为最大，可令dZ/dt=0，于是此为单位生产量的总费用最小应满足的条件。42图解法③.自B做CR～t曲线的切线切点N，斜率NE/BE=dCR/dt②.作④由切点N的横坐标值，确定最佳反应时间t=OE，相应的CR值由纵坐标得知。

①.作CR～t图间歇反应最佳反应时间图解法示意图目标不同时，最佳反应时间不同。433.3.2复杂反应(考虑平行反应和串联反应)①平行反应

平行反应的基本特征是相同的反应物能进行两个或两个以上的反应。其中R为目标产物，则A的转化率、组份浓度与反应时间的关系可由物料衡算求得。

AR（主反应）AS（副反应）设等温间歇反应器中进行一级平行反应：44对于A：对于R：对于S：45对于A：对于R：对于S：恒容条件下，上述方程可用浓度表达46A的衡算方程表达了A的浓度(A的转化率)与反应时间的关系。设t=0时，CA=CA0，xA0=0，积之得:把CA关于t的表达式代入R的衡算方程，并设t=0时，CR=0，积之得:也就是47同理由CR和CS的关于反应时间的表达式可知:48对于上例瞬时选择性：收率：

49例3-8在等温间歇釜式反应器中进行以下恒容液相反应：A+B→R，rR=2CA

kmol/(m3h)2A→S，rS=0.5CA2kmol/(m3h)反应开始时A和B的浓度均为2.0kmol/m3，目的产物为R，计算反应时间为3h的A的转化率和R的收率以及生成R的选择性。解：rA=rR+2rS=2CA+2×0.5CA2=2CA+CA2，所以，恒容条件下，组份A的物料衡算式为积之得50代入已知条件得CAf=2.48×10-3kmol/m3，即反应3h后A的浓度此时xA=(2.0-2.48×10-3)/2.0=0.9988=99.88%又由及得积之得51于是代入数据得CRf=1.384kmol/m3，则R的收率为YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的选择性为SR=YR/xA=0.693%，即69.3%上述计算表明，A转化了99.88%，而转化生成R只有69.2%，其余的30.68%则转化为S。52②串联反应设在等温间歇釜式反应器中进行某一级不可逆串联反应各组分的速率方程分别为：

=-

==53若时

由得所以把代入得到形如的一阶线性微分方程取t=0时，CP=0，积之得54

因CA+CP+CS=CA0所以CS=CA0-CA-CP

55根据各反应组分浓度与反应时间关系的三个关系式以时间对浓度作图

串联反应的组分浓度与反应时间的关系当目的产物为P时就需要控制反应时间，以使P的收率最大.

56为使YR最大，应满足dYR/dt=0，即将上式两边取对数整理得最优反应时间

即P的最大浓度

573.4

变温间歇釜的计算问题的提出*①化学反应经常伴有热效应。对于釜式间歇反应而言，要做到等温时极其困难的；②化学反应通常要求温度随着反应进程有一个适当的分布，以获得较好的反应效果。因此研究非等温间歇釜式反应器的设计与分析具有重要的实际意义。变温操作时，要对反应进程进行数学描述，需要联立物料衡算方程(速率方程)和热平衡方程。583.4.1.间歇反应器热平衡由于是间歇操作，可取整个釜作为衡算单元。59设Q1、Q4分别为时刻t时物料带入、带出微元体积的热量；Q2表示时刻t时间壁传热量；Q3表示时刻t时化学反应产生的热；Q5表示时刻t时热累积量，于是：Q1=Q4=060由热量守恒方程知(假定传热剂从系统取热)Q5

=Q1－Q2+Q3－Q4，所以式中：qr为以组份A为基准的摩尔反应热，放热反应取正直；nA0为A组份的起始摩尔流量；ni、Cvi分别表示反应器中的组份i的摩尔数和定容摩尔热容；dT为物料在dt时间间隔内温度的变化；K为总传热系数；A为反应釜的传热面积；T为反应物温度；Ts为传热介质温度61由此可见，对于一定的反应物系，反应温度、关键组份的转化率都取决于物系与外界的传热速率.另一方面，对于非等温过程，由于其反应速率常数是随温度的变化而变化的，所以，要想准确描述反应温度、关键组份的转化率随反应时间的变化关系，须联立热平衡方程与动力学方程(物料平衡方程)求解。622.间歇反应器绝热操作计算当Q2=0，即绝热情况下，热平衡方程为起始条件：t=0，T=T0，xA=xA0积分上式得T0、xA0分别为反应开始时的物系温度及A组份的转化率此式称为间歇釜式反应器的绝热方程，表明绝热条件下，反应温度与转化率成线性关系。63若平均热容可视为常数，绝热方程可表达为称为绝热温升，其物理意义为反应物中的A组份完全转化时，引起物系温度变化的度数。

思考就间歇釜式反应器而言，该绝热方程有哪些应用？若以yA0表示组份A的初始摩尔分数，则643.间歇反应器恒温操作计算

即要使反应在等温下进行，反应放出(或吸收)的热量必须等于体系与换热介质交换的热量。应用：求换热面积。若为恒温过程654.等温间歇操作反应器的放热规律

为了保持在等温下进行操作，化学反应过程所产生的热效应必须与外界进行热交换，而且反应系统与外界交换的热量应该等于反应放出的热量（放热反应）或吸收的热量（吸热反应），其关系式可以下式表示q–反应系统与外界传热速率kJ/h上式变形为

因为反应物料VR和等温下进行的热效应qr均为定值，所以传热量变化规律可以根据化学反应速率来确定。对于不同反应，则可按照其化学反应动力学方程式进行具体计算。66例3-9设在间歇釜式反应器中进行某二级不可逆反应A+B→R。已知反应热为33.5kJ/molA；反应物平均热容为1980kJ/(m3·K)。反应速率rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)，A和B的初浓度分别为4.55kmol/m3和5.34kmol/m3，在反应物预热到326.0K后，①从326.0K开始在绝热条件下进行反应，在温度达到373.0K时开始等温反应。计算A的转化率达到0.98所需要的时间；②若反应始终在373K等温进行，所需反应时间又是多少？67解：①绝热反应过程的转化率和温度的关系由绝热方程确定。注意到反应开始时混合物中不含产物，即xA0=0，所以右端分子分母同除反应体积VR，得右端分母即是以kJ/(m3·K)给出的反应混合物平均热容68rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)＝1.37×1012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0

xA)所以69当绝热反应到373.0K开始等温反应时,xA=0.6105绝热反应23.1min，A的转化率达到0.6105后，开始在373.0K维持等温反应，至xA=0.98止于是t绝热

=23.1min70所以，先绝热再等温的总反应时间是37.9min②若反应始终再373.0K下等温进行，则思考为什么先绝热后等温的反应时间较始终等温的长？71例3-10邻甲氧基重氮盐水解反应生成邻甲氧基苯酚反应动力学式为rA＝kCACB,以硫酸铜为催化剂，反应温度96℃时ｋ＝2.2X10-3M3/(kmol·min)，重氮盐的初浓度CAO为0.25kmol/m3，水初浓度CBO为5kmol/m3，化学反应热效应qr为502kJ／mol。在间歇搅拌锅中进行，重氮盐的终点转化率为0.8，夹套冷却水进出口温度分别为22℃和30℃。求生成100kg甲氧基苯酚过程中放热量、冷却水用量随时间变化的关系。72解：因为液相体积视为不变，过程作为等温等容计算CAO=0.25kmol/m3CBO=5kmol/m3CA=CA0（1-xA），CB=CB0-CA0xArA=kCACB=kCA0（1-xA）（CB0-CA0xA）则

===73简化为：式中则

74积分得上式中qt即为反应进行至t时总需传出热量，亦即反应总放热量，以Qt表示：Qt=NA0qrxA式中NA0为A的投料总摩尔数，终点转化率为0.8，则即Qt=5.06×105xAkJ所需冷却水量为75取一定的时间间隔Δt=30min，计算不同xA、Qt、Gt及ΔQ、ΔG之值如下表t（min）xAQt（kJ）Gt（kg）Δt（min）ΔQ（kJ）ΔG（kg）030609012015000.27930.47860.62170.72500.800001411602419003142503664604042900422072409400109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130763.5半间歇釜式反应器1、半分批操作形式（ａ）此种操作主要适应于以下几种情况可以在沸腾温度下进行的强放热反应，用气化潜热带走大量反应热；要求严格控制反应物A浓度；Ｂ浓度高，A和C浓度低对反应有利的场合；可逆反应。77（ｂ）主要适用于以下情况：要求严格控制锅内Ａ的浓度防止A过量副反应增加的情况；保持在较低温度下进行的放热反应;A浓度低，Ｂ浓度高对反应有利的情况。78（ｃ）这种操作可以严格计量控制Ａ、Ｂ的加料比例，而且可以保持Ａ和B都在低浓度下进行，适合于Ｂ浓度降低对反应有利的场合。79（ｄ）此种操作方式既能满足A,B的比例要求，又能保持A,B在反应过程中的高浓度，对可逆反应尤为适合。802.半间歇反应器设计计算液相、等温反应A+B→C按（b）形式进行操作V1

FVO

CAO

VCＡ

xＡ

rＡ

反应器内瞬时物料体积随时间变化关系为：V=V1+FV0t在dt时间内对A组分进行物料平衡，由恒算式加入Ａ量-反应消耗Ａ量=Ａ积累量81该式即可计算xA与t的关系。式中rA=f（xA）和V=f（t），比较复杂时难于求解析解，可写成差分形式用数值法求解。写成差分形式为若nA1=0，则

写成差分式为82例3-12在半连续操作反应器中进行一级不可逆等温反应A+B→C，rA=kCA，先在反应器内加入500l物料B，含B8kmol，不含A。然后连续加入物料A，含A浓度为8mol/l，加入速度为10l/min。反应速度常数k=1.33×10-2min-1。求（1）100分钟后釜内物料体积；（2）A的转化率随时间变化情况。解：（1）V=V1+FV0t=500+10×100=1500l

（2）因为nA1=0，所以可用差分式计算83将、（rAV）代入式得

84取△t，初始条件