化学反应工程 3.1 间歇釜式反应器

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1、第三章理想反应器概述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。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●间歇反应器(Batchreactor)●活塞流反应器(Plugflowreactor–PFRs)●全混流反应器(Continuousstirredtankreactors–CSTRs)本章内容●掌握工

2、业反应器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

3、体积流量的比值，空时与平均停留时间连续流动反应器的空时、空速空速（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。反应设计的基本计算方程式物料衡算方程：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平推流（稳态）微元长度√√√0非稳态√√√√3.2间歇搅拌釜式反应器（BSTR）本节所要掌握的内容1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立

4、及应用；2.等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）3.变容间歇釜式反应器的计算（单一反应）4.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（BSTR）排除了物质的传递（搅拌良好）无需考虑的反应器内热量传递非定常态过程，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）时间t’生产灵活性大◇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：00rAVt当t趋于0时定义产物P组分的生成速率：rP反应

5、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A组分的转化率间歇反应的反应时间恒容间歇反应器当n1当n＝1例题对于一级不可逆反应方程：在一间歇反应器完成上述反应，如k＝0.01s-1，试计算转化率达到30%时所用的反应时间。恒压间歇反应器惰性气体间歇反应器的体积计算生产任务给定后，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、清洗等时间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V计算公式为：求得反应器的体积V后，根据实际反应过

6、程的装料系数，可以求得反应器实际体积例题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-1k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1cA0、cB0均为0.004kmol.L-1求：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？若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操作的辅助

7、时间为1小时，试计算确定反应器的体积大小。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。○反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。（即生产强度）设计间歇反应器的计算：○反应时间t：由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一定转化率所需时间t；○有效容积：VRVR=v(t+t0)v----单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算）t0----每批生产的辅助时间○实际体积：VV=VR/φφ----装填系数