贡卫涛 综合楼D401 84986067 wtgong@
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第三章 理想反应器
1.间歇釜式反应器（Batch Reactor, BR) 2.全混流反应器（Continuously Stirred Tank Reactor CSTR) 3.平推流反应器（Plug Flow Reactor， PFR)
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H2SO4 +
SO3H
OH
98
128
144
根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：
4000 103 0.99 128 1 1000 626L
330 24
144 0.75 0.984 963
每小时需处理硫酸的体积为：
4000 103 0.99 98 1.07 1 1000
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• 例3-2 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。

270 L
330 24
144 0.75 0.98 1.84
每小时处理物料总体积为:Q0=626+270=896L
反应器的体积为： V Q0t' 896 3.67 4390L

0.7
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：
2 2500 4390 100% 13.9%
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（4）*设备装料系数
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。
• 反应器有效体积与设备
实际容积之比称为设备 条
件
无搅拌或缓慢搅
装料系数，以符号
拌的反应釜
表示，即：
带搅拌的反应釜 易起泡或沸腾状
=VR/V。其值视具
体情况而定
况下的反应
液面平静的贮罐 和计量槽
装料系数范围 0.80～0.85
解：由 t
xAf
得
kCA0 (1 xAf )
xAf
ktCA0 1 ktCA0
又由 VR Q0 (t t0) 得 t VR / Q0 t0
解上述方程得
xAf 80.0% 26
例3-4：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=kCA2 kmol/(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。
20
4390
3.3 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VR Q0, t’
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。
t’ = t + t0
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3.3.1 单一反应
1.反应时间的计算 设在间歇反应器内进行如下化学反应 A＋B→R
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。
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
m
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（2）已知每小时处理的物料体积Q0与操作周期t’,求设备体积与个
数
需要设备的总容积为：
Q0t '

V

mVm
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=Q0t’/( m)
为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88)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，
解： rA


dCA dt

k CA 2

kCA02 (1
xA)2
积之得
t
xAf
8.5h
kCA0 (1 xAf )
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物料的处理量为
2400 Q0 24146 0.004 171.0L/h
操作周期为
t' t t0 9.5h
反应体积为
VR Q0t ' 1625L
间t0 两部分组成。
• 压出料
15分
• 即t’ = t + t0
• 操作周期 240分或4小时
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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。
• 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 • 例如萘磺化制取2-萘磺酸
生产每一批料的全部 的操作周期:
操作时间，即从准备 • 检查设备
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
• •
加萘 加硫酸及升温
时 间 t 和 辅 助 操 作 时 • 反应
15分 15分
25分 160分
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（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。
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Q0，
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：
VR=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
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。
5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌 轴之间的泄漏
6.工艺接管,为适应工艺需要
4
5
3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用
7
3.2.1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
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（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物
料处理量为Q0
VD
=
GD

GD每天所需处理的物料总重量 ρ物料的密度
Q0=VD/24
9
（2） 操作周期t’
(3) 二级反应 A→R
(4) 二级反应 A+B→R(CA0=CB0)
rA kCA0
rA kCA
rA

k
C2 A
rA kCACB
t

xAf CA0 /
k

CA0 CAf k
t

1 k
ln(1/(1
xA ))

1 k
ln
C A0 CA
t
xAf
1( 1 1 )
kCA0 (1 xAf ) k CAf CA0
0
0
(rA )VR
dn A = d（VRC A）
dt
dt
所以
(rA)VR dnA / dt
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由反应物A转化率xA的定义 xA (nA0 nA ) / nA0
得到
dnA nA0dxA
于是，
(rA)VR nA0dxA / dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 (rA )VR
0.70～0.80 0.40～0.60
0.85～0.90
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2、反应器的容积和个数的确定
• （1）已知VD或Q0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：
VD 24Q0
•
Va Va
每个设备每天能操作的批数为：

24 = t'
按设计任务需用的设备个数为：
m VDt' Q0t' 24Va V0
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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
m' m 100 %
积分得 其中-rA一般具有
t CAf dCA
CA0 (rA )
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
反应器的有效体积 VR=FV (t＋t0)
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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