分离工程第三章釜式反应器10

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分离工程第三章釜式反应器-10

3 4 9 浓硫酸H 2 SO4 3 4 9 2
373 K
黄国文制作
2 当丁醇过量时，反应动力学方程式为 rA kCA 式中 CA 为乙酸浓度， kmolm-3 。已知反应速度常数 k 为 1.04m3kmol-1h-1 ，投料摩尔比为乙酸：丁醇 =1 ： 4.97，反应前后物料的密度为 750kgm-3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为 60 、 74 和 116 。若每天生产 3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失 )，乙酸的转化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数f为 0.7，试计算所需反应器的反应体积和实际体积。
变温间歇釜式反应器连续釜式反应器的定态操作
黄国文制作
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
Q0 :反应器进料的体积流量
Q0
Q
Q :反应器出料的体积流量
ci 0 :反应器进料中关键组分浓度
c i :反应器出料中关键组分浓度
ci 0
ci
Vr
假设
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Vr :反应体积
温度均一浓度均一

dX A
2 2 kc A ( 1 X ) 0 A
0
黄国文制作
XA 1 kc A0 1 X A
得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min
例3
在搅拌良好的间歇釜式反应器
CH COOH C H OH CH COOC H H O
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，
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时
间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。

第三章釜式及均相管式反应器PPT优秀课件

Ø一般在层流状态下操作 Ø液体将沿着螺旋面上升或下降
形成轴向循环流动，
螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合
6.5.2 Measures of improving effects
1.打旋现象及其消除
危害:
ü各层液体之间几乎不发生轴向混合，
ü当物料为多相体系时，还会发生分层或分离现象。
ü搅拌效率下降
单个全混流反应器ab同时加入维持a在较低的转化率下进行而后a从出口物料中分离返回反应器平行反应的适宜操作方式98二连串反应连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程许多卤化水解反应都属连串反于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应进料中只有组分a并且各反应组分的化学计量数均相等99相应各组分的反应速率为反应开始时a的浓度为ca0m00积分代入式2可得此式为一阶线性常微分方程其解为则100组分a的浓度单调下降副产物m的浓度单调上升而主产物l的浓度先升后降其间存在最大值
Features and Applications:
(a) 平桨
切向和径向运动
可用于简单的固液悬浮
(b) 斜桨
桨叶可分成24°、45° 或60°倾角轴向和径向运动
单层桨式的缺点：轴向流动范围小
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(c) Majority Inclined
在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义配料比 mcBo/cAo，于是，等容液相反应过程中组分的浓度 c B c B 0 ( c A 0 c A ) c A ( m 1 ) c A 0 代入动力学方程
只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度 cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最基本、最直接的方法是数值积分或图解法。

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

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。

反应工程第三章釜式及均相管式反应器

f
xAf (rA ) f
1/rAf
B
VRP
V0cA0
xAf 0
dxA (rA )V
dx xAf
A
0 (rA )V
A
D
1/rA对xA作图，即曲线AB。
O
xA
xAf
xAf
VRM
VRP
(rA ) f
dx xAf
A
0 (rA )V
＝
矩形OCBD的面积曲线下边OABD的面积
[OCBD] [OABD]
S fP

cAf cA0
SdcA
/(cA0
cAf
)
对于全混流反应器
S fm S rLf /(rLf rMf ) cLf /(cA0 cAf )
总选择率定义为 S f cLf /(cA0 cAf )
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(1) 选择率的温度效应
L (主反应，n1级，活化能为E1)
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【例题】 CSTR的操作特点。某二级液相反应 A B C ，
已知cA0=cB0，在间歇反应器中达到x=0.99，需反应时间10min。
问：(1) 在全混流反应器中进行时， m 应为多少？(2) 在两个串
联全混流反应器中进行时， m 又为多少？
解：n=2，间歇反应器中
可采用循环操作将未反应的物料从反应产物中分离出来，返回到反应系统中。
对反应级数越高以及反应过程中增加越多的反应，返混的影响越严重，两者的体积差别越大。
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多级全混釜串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使全混流反应器所需的体积与平推流反应器所需的体积的差别减小。

釜式反应器--化工ppt课件

的概念
5
3.1 概述
※反应的特点及其对反应器的要求
化学反应复杂反应物料的相态多样性：如固相反应就
难于在搅拌反应器中进行连续操作；非均相反应要求传质效果要好。
许多反应过程的热效应大工艺条件变化范围宽反应介质的腐蚀性
6
3.1 概述
※反应器开发的三个任务根据反应动力学特性，选择合适的反应
器形式结合动力学和反应器特性，确定操作方
式和优化操作条件根据产量，设计反应装置，确定反应器
的几何尺寸，并进行评价。
7
※反应器的特性：是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
※均相反应的特点：反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率物理因素只有物料的混合和流动状态两个方面。
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
反应器
间歇反应器BR 完全混合型
反应器
全混流反应器
活塞流反应器
CSTR
PFR
9
完全混合反应器的定义是指器内反应流体处于完全混
合状态，在反应器内的混合是瞬间完成的，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同。且等于反应器出口处物料浓度和温度，返混达最大限度。
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。
29
图3-3 平行反应组成随时间的变化关系 30
由图可见，t ↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而
且
。
CP k1 CQ k2
由于两个反应均是一级，而且反应方程形式完全相同，否则不成立，如例题3.2，由于产物P是目的产物，希望k1>k2。
例题3.2—P62~63，自学。

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

釜式反应器--化工

第三章釜式反应器
1
2020/6/16
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要寸。
对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括：
料所需要的时间。反映反应器的生产强度。
VR V0
，量纲：时间
13
2020/6/16
3.3 等温条件下，分批式操作的完全混合反应器（BR）理想反应器的设计分析
3.3.1 概述
★分批式（又称间歇）操作：
是指反应物料一次投入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。
7
※反应器的特性：是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
※均相反应的特点：反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率物理因素只有物料的混合和流动状态两个方面。
2020/6/16
8
3.1 概述
※ 均相反应器按物料的混合状态分类
★充分（完全）混合：
指反应器内的物料在搅拌的作用下，其参数（如温度，浓度等）各处均一。
2020/6/16
14
15
2020/6/16
★间歇反应器特点
• 反应物料一次加入，产物一次取出。 • 物料充分混合，无返混；同一瞬时，反应器内各点温度相同
、浓度相同；而且出料与反应器内物料的最终组成相同；所有物料在反应器内的反应时间（停留时间）相同。 • 非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。 • 具有周期性 • 具有灵活性

反应工程第三章

1 平行反应
A→ P A→Q
对A 对P 对Q
rP = k1c A
rQ = k 2 c A
dn i (− ℜ i )V r + =0 dt
dn A Vr (k1 + k 2 )c A + =0 dt dnP − Vr k1c A + =0 dt dnQ − Vr k 2 c A + =0 dt
16
恒容
设计优化 1. 对于单一反应，要考虑对于单一反应，最佳操作时间（空时）最佳操作时间（空时）问题，串并连问题。问题，串并连问题。对于复合反应， 2. 对于复合反应，要考虑产物的收率和关键组分的选择性的问题。的选择性的问题。 3
3.1 釜式反应器的物料衡算
Q0 : 反应器进口物料体积流量
c A = 2.482 ×10 −3 kmol/m3
dc A 1 = −1 − c A dcP 2
cP
XA =
C A0 − C A = 99.88% C A0
YP = 69.19%
∫
0
dc A dc P = − ∫ 22 c A0 1 + c A 2
cA
2.连串反应 2.连串反应
A → P → Q
dc A ） (k1 + k 2 )c A + dt = 0 （3-24） dcP =0 （3-25）） − k1c A + dt dcQ =0 − k 2 c A + （3-26）） dt
初始条件
c A = c A0 cP = 0 cQ = 0
t dc A ∫cA0 c A = −∫0 (k1 + k2 )dt cA
cQ = c A0 − c A − cP

化学反应工程_第三章__釜式及均相管式反应器

A0 Ae c Ae A0 Ae

dc A kc c A c B kc c L c M dt
kc t
Kc 2c A0
ln
x Ae (2 x Ae 1) x A x Ae x A
dc A 2 kc c A kc c L c M dt dc 2 A kc c A c B kc c L dt
2 c

ln
{[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [2(c A c A0 ) K c ]2 K c2 4c A0 K c ( K c K c2 4c A 0 K c )2 ( K c )2 K c2 4c A0 K c {[2(c A c A0 ) K c ] K c2 4c A0 K c }2 [4(c A c A0 )2 4c A K c ] ( K c K c2 4c A0 K c )2 4c A0 K c
第三章釜式及均相管式反应器
主要内容
第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节
间歇釜式反应器连续流动均相管式反应器
连续流动釜式反应器
理想流动反应器的组合和比较多重反应的选择率半间歇釜式反应器釜式反应器中进行的多相反应
第三章
釜式及均相管式反应器
结构特征 ① 特征浓度特征时间特征 ② 数学模型
第三章釜式及均相管式反应器主要内容第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应数学模型优化结构特征浓度特征时间特征优化组合转化率高选择性强设计计算1理想流动釜式反应器串联及优化2理想流动釜式反应器热稳定性分析第三章釜式及均相管式反应器典型搅拌釜式反应器的结构第一节间歇釜式反应器电动机减速箱疏水阀桨叶搅拌轴测温管固体进料液体进料一釜式反应器的特征搅拌均匀浓度均一分子尺度

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，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
毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是辅助时间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。
• 设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时
等式零的部不件同。，根搅据拌反釜应式物反料应的性器质可，分罐为体开的式内(法壁可兰内连衬接橡)和
胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等
耐闭腐式蚀(焊材接料)。两为大控类制。反目应前温，度釜，式罐反体应外器壁的常技设术有参夹数套已，
内部也可安装蛇管。标准釜
底实一现般标为准椭化圆。形，根据工艺
要求，也可采用平底、半球底或锥形底等。
均相或拟均相
釜式反应器的全混流假设：
• 反应区内反应物料的浓度均一 • 反应区内反应物料的温度均匀
本章内容
釜式反应器的物料衡算通式 ❖ 等温间歇釜式反应器的计算连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的串联与并联釜式反应器中复合反应的收率与选择性变温间歇釜式反应器连续釜式反应器的定态操作
解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为
原料液各组分起示浓度分别为
将题给的反应速率方程变换为转化率的函数
(A) 其中
将(A)式代入得反应时间为
(B)
由a,b及c的定义式知，
勇于开始，才能找到成功的路
将有关数值代入式（B）中得到反应时间
间歇操作 (batch reactor, BR)
连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
勇于开始，才能找到成功的路
用途：绝大多数用作有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
反应器计算
• 操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t) • 设计型----已知XA(或YP) → Vr
例1
用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时间为1h。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
假设温度均一浓度均一
:反应器进料的体积流量 :反应器出料的体积流量 :反勇应于开器始进，料才能中找关到键成组分浓度
功的路
:反应器出料中关键组分浓度 :反应体积
取整个反应体积作控制体积
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间内对整个反应器做关键组分 i 的物料衡算： (进入 = 流出 + 反应 + 累积)
t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。
经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设法减少辅助操作时间 )
Q0 一般由生产任务确定
3.反应器的体积
：装填系数，由经验确定,一般0.4～0.85,对不起泡、不沸腾物料，可取0.7~0.85；对于起泡或沸腾物料，可取0.4~0.6。此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。
为，分均批属加半入连或续卸操出作反的。应操原程作料度后即卸出全部物料。然后药生产中的气液相对反反应应常器进行清理，随后进入下一常采用半连续操作个。操作循环，即进行下一批投料、
反应、卸料、清理等过程。它是一
个典型的非稳态过程，反应器内物
料的组成随时间而变化，这是间歇
(a)间歇式
过程(b的)连基续本式特征。 (c)半间歇式
相同区别
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。
t 与cA0无关
t 与cA0有关
2.反应体积
3.2 等温 BR 的计算
操作时间
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键
连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反应
物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作，反
应操器作内方任式一：位间置歇上、的连反续应、物半浓间度歇、温度、压力、反应原速料度或等产参物数中均有不一随种时或间一而变化。它具有生产能力大种、以产上品的质为量连稳续定输、入易间或实歇输现操机作械的化特和点自是动将化反等应优所点需的，出因，此而大其规余模的工(业至原生少料产一一的种次反) 加应入器反多应采器用，连达续到操规作定。的
间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。
3.2 等温 BR 的计算
1.反应时间的计算
对非稳态操作，反应时间内：则物料衡算通式变形为：
间歇釜式反应器物料衡算式
恒容反应
单一反应
3.2 等温 BR 的计算
对单一反应，反应速率可表示为：
积分可得
3.2 等温 BR 的计算
一级反应
非一级反应
反应时间
则所需的反应体积为反应器的实际体积为
例2
பைடு நூலகம்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0.02 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。
勇于开始，才能找到成功的路
假设温度均一浓度均一
其中：
对反应物为负对产物为正
3.1 釜式反应器的物料衡算通式
对间歇釜式反应器，可简化为:
假设温度均一浓度均一
对连续釜式反应器，可简化为：
3.2 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
• 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
分离工程第三章釜式反应器10
2020年4月23日星期四
釜式反应器的结构
图开式搅拌釜式反应器结构示意图
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
釜体一般是由钢板卷焊而成
的圆根筒据体釜，盖再与焊釜上体钢连制接标方准
釜底，并配上封头、搅拌器

分离工程第三章釜式反应器10

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