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3 釜式反应器

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化学反应工程第三章答案

化学反应工程第三章答案

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：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2.83h。

3。

2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：水溶液及30%（重量）以生产乙二醇,产量为20㎏/h，使用15%（重量）的NaHCO3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：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:3.3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0。

515N的NaOH溶液滴定，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。

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 )

釜式反应器的特点

釜式反应器的特点
间歇操作 物料一次性加入釜中，反应结束后 一 次性排出。所有物料的反应时间相同，物 料和产物的浓度及化学反应速率均随时间 而变化，是一个非定态过程。其生产能力 小，产品质量不稳定，劳动强度大，不易 自动控制和自动调节。宜于小批量、多品 种的生产。
釜式反应器的特点
单釜连续操作 物料不断加入，产物不断的流出。在搅 拌作用下，釜内各点浓度均匀一致，出口 浓度与釜中浓度相同，属定态过程。但物 料在釜内停留时间不一，因而会降低转化 率。其产品质量稳定，易于自动控制，宜 于大规模生产。
釜式反应器的特点
多釜串联操作 可分段控制反应，提
高每釜的推动力。克服单釜 连续操作中返混大，物料浓 度低的缺点；温差小，易于 稳定控制温度。生产中常采 用2-4釜串联。
釜式反应器的特点
半连续操作 一种物料一次性全部加入，另一种物料 连续加入。物料浓度随时间不断变化，属 非定态过程。适宜于小型生产，对放热剧 烈的反应，用改变进料速度的方法来调节 放热量的变化，达到控制温度的目的。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体：由壳体和上、下封头组成，其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率；必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置：由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
反应时间（t）可参考动力学方程结合物料衡算 求得，或者由生产经验值与实验值获得。辅 助时间（t’）由实践经验确定。

2. 反应釜的总容积（VT）
VT VR /
装料系数 一般在0.4～0.85之间， 不起泡不沸腾的物料可取0.7～0.85，易起 泡或沸腾的物料可取0.4～0.6

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

反应器选型与设计

反应器选型与设计

反应器选型与设计一、反应器类型反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。

1.1釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。

物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。

应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。

优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。

缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。

绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。

1.2 管式反应器①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。

②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。

③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。

④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。

⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。

⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。

用于加压反应尤为合适。

1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。

②催化剂机械损耗小。

③结构简单。

固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。

②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。

固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。

目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。

聚合反应器的分类介绍

聚合反应器的分类介绍
聚合反应器的定义：
完成聚合反应过程的设备称为聚合反应器
聚合反应特点：
反应机理复杂，聚合方法多样，且大多数反应体系随着聚合反应 的进行，体系中的粘度急剧上升，物料粘壁等现象给聚合反应器 的选型和设计带来一定的难度。
聚合反应器的型式及特点
1．釜式反应器 也称搅拌釜反应器。它的适应性强， 操作弹性大，适用的温度和压力范围广。既可用于间 歇(分批)操作，亦可用于连续操作。用于连续操作时， 釜内的温度、浓度均一，容易控制，所得产品质量均 一，因而广泛应用于高分子合成工业中。
另一种是将电热棒直接安装在夹套内，加热夹套内 的联苯混合物。此种加热方式结构简单，费用低， 操作简便，联苯渗漏及热损失小。
卧式反应器
一、卧式反应器的工作原理 在聚合过程中，有时前后不同阶段物料的特性差异很大，对
反应条件的要求亦不尽相同如聚合前期物料体系粘度低，放热 多，流动较容易，而在聚合后期则往往相反，且希望在反应进 行的同时能去除生成的低分子物，此时在生产中往往采用卧式 反应器。
此外在聚合物的生产过程中，除聚合反应器外，还 有许多带搅拌装置的容器(如原料配制槽、溶解槽、浆 料配制槽、沉析槽等)。
2．管式(塔式)反应器 管式(塔式)聚合反应器的构造比较简单，这种反应器一
般用于处理粘度较高的均相反应物料。它属于连续流动反 应器，原料从管的一端连续送入，在管内完成升温、反应 等，而产物和未反应的单体从另一端连续排出。 3．特种反应器
通常螺带式搅拌器其螺距s与搅拌 器直径d之比为s/d＝1，螺带叶宽b 与釜径D之比为b/D-0.1，d/D0.95。
由于外螺带可以与釜内壁很好地 吻合，直接刮扫釜壁上的液体，有利 于夹套式搅拌釜的传热与去除釜壁处 的沉积物。
（二）搅拌器的选型

化学反应工程第三章包括答案.docx

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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：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，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 NaHCO3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。

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。

62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 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，以确定未反应盐酸浓度。

不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为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。

化学反应工程第三章答案

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 釜式反应器

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

《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案

《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案
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：
3.3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×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。
4h2ocoh2oco2h2由于化学平衡的限制反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇为了提高原料的利用率生产上采用循环操作即将反应后的气体冷却可凝组份变为液体即为粗甲醇不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中
第一章
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算
VR/Q0min
XA%
故CO的转化速率为
2.3解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3。
2.4解：由题中条件知是个等容反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得
由（2.6）式可知
代入速率方程式
化简整理得
积分得
由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO摩尔流量为
F’CO,0=100××100×0.1549=138.4 kmol/h
所以CO的单程转化率为
产物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为

釜式反应器—釜式反应器的结构

釜式反应器—釜式反应器的结构

➢涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又 可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min 。 涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌 产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。
➢推进式搅拌器 推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用从外型上是一高径比接近于一的圆筒型反应器。
反应器结构:反应器筒体、各种接管、搅拌装置、密
封装置和换热装置等 。
釜式反应器的基本结构
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
反应器的筒体皆为圆筒形。底、盖常用的 形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，也 有的釜底为锥形。
•
反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖
当加热温度超过250℃时，可采用联苯混合物的蒸汽加热， 根据其冷凝液回流方法的不同，也可分为自然循环与强制循环 。
➢电加热
是一种操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控的一种高温加 热方法。有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型。
➢烟道气加热
用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟 道气作热源加热设备，可用于300℃以上的高温加热。缺点是热 效率低，给热系数小，温度不易控制。可用于300℃以上的高温 加热。
一般多采用直接冷却方式，即利用制冷剂的蒸发直接冷却冷间内的 空气，或直接冷却被冷却物体。制冷剂一般有液氨、液氮等。成本 较高。
有些情况下则采用间接冷却方式，即被冷却对象的热量是通过中间 介质传送给在蒸发器中蒸发的制冷剂。中间介质起传送和分配冷量 的媒介作用，称为载冷剂。常用的载冷剂有三类，即水、盐水及有 机物载冷剂。
釜式反应器的传动和密封装置
电动机

釜式及管式反应器

釜式及管式反应器

设有单一反应 A→R
动力学方程为
rA
kC
n A
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。
①.残余浓度式 计算经反应时间t后A的残余浓度。
②.转化率式 计算经反应时间t后A的转化率。 A的残余浓度和转化率可用公式计算。
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
这说明，在充分混合的间歇反应器中， 反应是依照它的动力学特征进行的。流 动过程对反应没有影响。
如果间歇反应器中的物料由于搅拌而 处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一 致的（理想），但随操作时间或反应 时间而变化，故独立变量为时间。
M A
n A0 X
n 惰性组分不变
nt
nt0
（ M A
L A
-B A
-1)n A0 X
由理想气体状态方程可以得到
n t n t（0 1 yA0X） n （t0 1 X)
V V（0 1 yA0X） V0 (1 X）
浓度和转化率的关系 C总不变，而每个组分的浓度变化了
（4）间歇反应器中的单反应
例1
以乙酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反 应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100°C，每 批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速
率 rA 1.045 CA 2kmol/m 3.h
试求乙酸的转化率为0.5，0.9，0.99所需的反 应时间。
已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和 740kg/m3

03 第三章 釜式反应器1

03 第三章 釜式反应器1

（3-6）
nA0 dX A Vr R A
（3-7）
（3-7）适用于多相，均相及等温，非等温的间歇 反应过程
义：
nA0 c A0 Vr
X Af 0
∴
t c A0
1 dX A R A
（3-8）
若进行a级单一不可逆反应
R A rA k c A
LOGO
化学反应工程
第三章 釜式反应器
1
LOGO
第三章—釜式反应器
连续搅拌釜式反应器
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。 连续釜式反应器的质量、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。
j 1
M
（3-2）
ij
关键组分i 在第j个独立均 相反应中的化学计量数
反应物: 产物:
Ri 0
Ri 0
I. 定态操作，累积速率dni/dt，则式（3-1）化为
连续釜式反应器的物料衡算式
Q0 ci 0 Qci Vr i j rj
j 1
M
i 1, 2,, K
（3.4）
dFR 令： dt 0
（3-15）
根据函数求极值方法，目标函数对t求导， （3-16）
dcR cR 得： dt t t0
（3-17）
（3-17）即为FR最大时必须满足的条件，此 时的t即为最优反应时间tm。

釜式反应器的结构、分类以及选型

釜式反应器的结构、分类以及选型

釜式反应器的结构、分类以及选型釜式反应器在有机化工生产和精细化工生产中应用十分广泛。

不但用于酯化反应、皂化反应这样的均相反应，而且也广泛用于除气相反应以外的几乎所有的反应，如液相、液液相、液固相、气液固相反应等。

01 釜式反应器结构釜式反应器也称反应釜，它主要由搅拌器、罐体、夹套、压出管、人孔、轴封、传动装置和支座等部分构成。

1—搅拌器、2—罐体、3—夹套、4—搅拌轴、5—压出管、6—支座、7—人孔、8—轴封、9—传动装置02 装填系数1）装填系数一般取0.6-0.85；2）如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态，取0.6-0.7；3）如物料在反应过程中比较平稳，取0.8-0.85。

03 搅拌器的作用和分类1）混合：体系中的不同物质混合均匀。

2）搅动：物料强烈流动，提高传热、传质速率。

3）悬浮：细小颗粒在液体中均匀悬浮，防止沉降、加速溶解等。

4）分散：气体或液体充分分散成细小气泡或液滴，促进传质和反应，控制粒度。

反应釜搅拌类型根据不同的搅拌方式和搅拌结构可以分为多种类型。

以下是一些常见的反应釜搅拌类型：按搅拌方式分：1）锚式搅拌：通过在反应釜内壁上固定锚形或刮板形的搅拌器，使反应物料在反应釜内壁上形成循环流动，从而实现搅拌效果。

2）桨叶式搅拌：通过安装在反应釜顶部或底部的桨叶形搅拌器，使反应物料在釜内形成强烈的涡流和对流，从而实现搅拌混合效果。

3）框架式搅拌：通过安装在反应釜壁上的框架形搅拌器，使反应物料在框架内形成循环流动，从而实现搅拌效果。

4）螺带式搅拌：螺旋叶片通过旋转将物料向上提升，然后再自由落下，从而实现了充分混合和均匀分布。

5）螺旋式搅拌：通过在反应釜内部安装螺旋形搅拌器，使反应物料在螺旋叶片的推动下实现循环流动和搅拌混合。

按加热/冷却方式分类1）水加热反应釜当对温度要求不高时，可采用这种加热方式。

其加热系统有敞开式和密闭式两种。

敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器组成。

《反应过程》李绍芬版 第三章釜式反应器

《反应过程》李绍芬版 第三章釜式反应器

3.2.2 最优反应时间
Vr cR FR t t0 dcR cR dt t t0 AT at a0t 0 a f Vr cR
dA T 0 dt
3.3 等温 BR 的计算
反应时间的计算
复合反应
3.3.1 平行反应 A P rP k1c A 对各组分作物料衡算(恒容条件)： A Q rQ k 2c A 对A：(k1 k2 )c A 对P：
等温CSTR 的计算
复合反应－平行反应 对关键组分A有： Vr
Q0c A0 X Af (k1 k2 )c A
Q0c p k1c A ， 设c p 0 0
对目的产物P有： Vr
对副产物Q有：
Vr
Q0cQ k2c A
， 设cQ0 0
三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系

全混流反应器图
等温CSTR 的计算
对稳态操作，有：
dni dt
M
0
i 1,2, K
单一反应
则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr

j 1
ij r j
连续釜式反应器物料衡算式
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )
Q0 (c A0 c A ) rA
3.1 釜式反应器设计方程

物料衡算：
3.2 等温 BR 的t计算
间歇反应器Batch Reactor 间歇操作的充分搅拌槽式反
应器。
用于液相反应。 在反应过程中没有进出料。 反应器内物料充分混合，器
内各点温度浓度相同。
间歇操作，需要辅助生产时
间。
3.2.1 等温 BR 的Vr计算

第三章釜式反应器

第三章釜式反应器
热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
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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）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA 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：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯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：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf 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 f3.3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，，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：0.515/10==⨯A B NaOH C C V mol l于是可求出A 的平衡转化率：00052.510.50.852.590%0.890%0.720.515(1)52.5(10.72)0.051514.7/10--====⨯=⨯==-=⨯⨯-=⨯A Ae AeA 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=l3.4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：143110001.110exp()/.=⨯-A A B r C C kmol m hT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)[]00000.04(4000)()()32332339.014.102⨯---∆=+-=+=+A r A A A AF C H T T X X X X C0000014220()91.32110001.110exp()(1)32339.01==-==⨯--+⎰⎰⎰Af Af X X AA A A A AB AA A AAdX dX t C C R kC C dX C hC 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 Dr k C CA 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 AdC k C dt （A ） ''12-=-C A CdC 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：'2'10'200'11⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥-⎣⎦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:21111,max21()0.7425-=-=k k A k X k(3)产物C 的最大收率：()()21,max211110.49051⎡⎤=---=⎢⎥⎣⎦-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 m3.6 在等温间歇反应器中进行液相反应31123⇔←−→−−→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31123−−→⇔←−→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：12123←−→←−→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)'''12122210()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e k e C C αβαβαβαβαβ (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）1'11'11224.0min , 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 lC 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114.0min ,-=k 1'1221.5min , 3.6min --==k k 得：12301.412/0.588/===A A A C C mol lC mol l3.7拟设计一反应装置等温进行下列液相反应：212222+→=+→=R A B S A B A B R r k C C A B Sr 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）212221211221===++A R A B AB A A B A B B r kC 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。

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