分离工程第三章釜式反应器

分离工程第三章釜式反应器第1页，共122页，2023年，2月20日，星期四第2页，共122页，2023年，2月20日，星期四第3页，共122页，2023年，2月20日，星期四第4页，共122页，2023年，2月20日，星期四

釜体一般是由钢板卷焊而成的圆筒体，再焊上钢制标准釜底，并配上封头、搅拌器等零部件。根据反应物料的性质，罐体的内壁可内衬橡胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。为控制反应温度，罐体外壁常设有夹套，内部也可安装蛇管。标准釜底一般为椭圆形，根据工艺要求，也可采用平底、半球底或锥形底等。

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

根据釜盖与釜体连接方式的不同，搅拌釜式反应器可分为开式(法兰连接)和闭式(焊接)两大类。目前，釜式反应器的技术参数已实现标准化。

第5页，共122页，2023年，2月20日，星期四操作方式：间歇、连续、半间歇(a)间歇式(b)连续式(c)半间歇式

间歇操作的特点是将反应所需的原料一次加入反应器，达到规定的反应程度后即卸出全部物料。然后对反应器进行清理，随后进入下一个操作循环，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，这是间歇过程的基本特征。

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，反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、反应速度等参数均不随时间而变化。它具有生产能力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，而其余的(至少一种)为分批加入或卸出的操作，均属半连续操作。原料药生产中的气液相反应常常采用半连续操作。第6页，共122页，2023年，2月20日，星期四间歇操作(batchreactor,BR)连续操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)

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。第7页，共122页，2023年，2月20日，星期四反应器计算操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t)设计型----已知XA(或YP)→Vr

均相或拟均相第8页，共122页，2023年，2月20日，星期四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置装拌搅第9页，共122页，2023年，2月20日，星期四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第10页，共122页，2023年，2月20日，星期四:反应器进料的体积流量:反应器出料的体积流量:反应器进料中关键组分浓度:反应器出料中关键组分浓度:反应体积假设

温度均一浓度均一

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第11页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.1釜式反应器的物料衡算通式其中：对反应物为负对产物为正在dt时间内对整个反应器做关键组分i的物料衡算：假设

温度均一浓度均一

(进入=流出+反应+累积)第12页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.1釜式反应器的物料衡算通式对连续釜式反应器，可简化为：对间歇釜式反应器，可简化为:假设

温度均一浓度均一

第13页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.2

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，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，其中尤以反应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。第14页，共122页，2023年，2月20日，星期四对非稳态操作，反应时间内：间歇釜式反应器物料衡算式则物料衡算通式变形为：

1.反应时间的计算3.2等温BR的计算恒容反应

单一反应第15页，共122页，2023年，2月20日，星期四积分可得

对单一反应，反应速率可表示为：3.2等温BR的计算第16页，共122页，2023年，2月20日，星期四一级反应非一级反应反应时间相同

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。区别t与cA0无关t与cA0有关3.2等温BR的计算第17页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.反应体积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

)操作时间3.2等温BR的计算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。Q0

一般由生产任务确定第18页，共122页，2023年，2月20日，星期四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？例1第19页，共122页，2023年，2月20日，星期四解：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原料液各组分起示浓度分别为由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为第20页，共122页，2023年，2月20日，星期四将题给的反应速率方程变换为转化率的函数(A)其中第21页，共122页，2023年，2月20日，星期四将(A)式代入得反应时间为

由a,b及c的定义式知，(B)第22页，共122页，2023年，2月20日，星期四反应器的实际体积为则所需的反应体积为将有关数值代入式（B）中得到反应时间第23页，共122页，2023年，2月20日，星期四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4.6L/(molmin)。试求乙酸乙酯转化率分别达到80％、90％和95％时的反应时间。得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min例2解：第24页，共122页，2023年，2月20日，星期四在搅拌良好的间歇釜式反应器

当丁醇过量时，反应动力学方程式为式中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。例3第25页，共122页，2023年，2月20日，星期四解：(1)计算反应时间

因为是二级反应，故

则

kmolm-3

所以

h第26页，共122页，2023年，2月20日，星期四(2)计算所需反应器的反应体积Vr

每天生产3000kg乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为

kgh-1

每小时处理的总原料量为

kgh-1

每小时处理的原料体积为

m3h-1第27页，共122页，2023年，2月20日，星期四故反应器的反应体积为

m3

(3)计算所需反应器的实际体积VT

m3

第28页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.2.2最优反应时间对于反应，若反应产物R的浓度为CR，则单位操作时间的产品产量为

(3.15)将式(3.15)对反应时间求导

(3.16)令，则由式(3.16)得第29页，共122页，2023年，2月20日，星期四图3.2间歇反应器的最优反应时间OMN为CR与t关系曲线，自点A(-t0,0)作曲线OMN的切线MA，则M点的横坐标即为最优反应时间。如从单位产品生产费用最低着眼，并设单位时间内反应操作费用为a0，辅助费用为a，固定费用为af，则单位质量产品总费用，即目标函数为第30页，共122页，2023年，2月20日，星期四

习题3.1、3.2、3.5、3.9、3.13、3.16课后作业：第31页，共122页，2023年，2月20日，星期四对各组分作物料衡算：系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二式是独立的。对A：对P：对Q：复合反应-平行反应等温BR的计算

3.反应时间的计算第32页，共122页，2023年，2月20日，星期四若为恒容条件下：对A：对P：对Q：复合反应-平行反应等温BR的计算

3.反应时间的计算第33页，共122页，2023年，2月20日，星期四组分浓度反应时间APQ等温BR的计算第34页，共122页，2023年，2月20日，星期四平行反应物系组成与反应时间关系示意图即：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等温BR的计算反应物A的浓度总是随反应时间的增加而减少，而产物的浓度则随反应时间的增加而增高。第35页，共122页，2023年，2月20日，星期四将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：反应物A的浓度为：反应产物的浓度为：反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。等温BR的计算复合反应第36页，共122页，2023年，2月20日，星期四例4在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应

(A)反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。第37页，共122页，2023年，2月20日，星期四解：由于是恒容系统，将式(A)代入式(B)化简后可得:积分得:A的消耗速率为:对组分A作物料衡算：第38页，共122页，2023年，2月20日，星期四解得:当CAo=2kmol/m3，t=3h时：组分A的转化率：第39页，共122页，2023年，2月20日，星期四结合初始条件并积分可得:式(C)除以式(E)有：为了计算P的收率，列出关于P的设计方程：第40页，共122页，2023年，2月20日，星期四P的收率为：代入CA0、CA数值后得:第41页，共122页，2023年，2月20日，星期四复合反应－连串反应对A作物料衡算：对P作物料衡算：等温BR的计算第42页，共122页，2023年，2月20日，星期四令：得：等温BR的计算连串反应组分浓度与反应时间关系示意图由图可知，目的产物P的浓度存在极大值，该极大值对应的反应时间即为最优反应时间第43页，共122页，2023年，2月20日，星期四例5在间歇釜式反应器中进行等温反应这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下k2/k1=0.68,试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨的转化率。

第44页，共122页，2023年，2月20日，星期四解：一甲胺的生成速率为:两式相除得:氨的转化速率为:根据两个反应得速率方程为：第45页，共122页，2023年，2月20日，星期四根据初值条件XA、YB，解一阶线性常微分方程（D）得:故式（C）又可以写成:因为：第46页，共122页，2023年，2月20日，星期四为了求一甲胺的最大收率，将式（F）对XA求导得:则式（E）有:式（E）中c为积分常数，由初始条件得：令dYB/dXA=0得:第47页，共122页，2023年，2月20日，星期四根据已知条件k2/k1=0.68,一甲胺的最大收率为:将XA代入式（F）可得:所以：第48页，共122页，2023年，2月20日，星期四连续釜式反应器物料衡算式3.4等温CSTR的计算对连续釜式反应器，稳态操作，有：则物料衡算通式变为：

单一反应第49页，共122页，2023年，2月20日，星期四

空时与空速的概念：空时：（因次：时间）

空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速：3.4等温CSTR的计算第50页，共122页，2023年，2月20日，星期四对关键组分A有：对目的产物P有：对副产物Q有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系复合反应－平行反应3.4等温CSTR的计算第51页，共122页，2023年，2月20日，星期四对中间产物P：对最终产物Q：3.4等温CSTR的计算复合反应－连串反应对关键组分A有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系第52页，共122页，2023年，2月20日，星期四

例6用连续操作釜式反应器生产乙酸丁酯，反应条件和产量同例3，试计算所需VR。

解：因为是二级反应，因为：m3h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04m3kmol-1h-1。则

第53页，共122页，2023年，2月20日，星期四例7用连续操作釜式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/R)。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？第54页，共122页，2023年，2月20日，星期四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解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第55页，共122页，2023年，2月20日，星期四将题给的反应速率方程变换为转化率的函数：带入初始组成及k1、K化简后的：第56页，共122页，2023年，2月20日，星期四以出口转化率计算反应速率：

则所需的反应体积为：(B)比较间歇与连续釜式反应器表明，采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，其原因是间歇反应器是变速操作，开始时反应速率大，终了时最小，而连续釜式反应器是在等速下操作，且恰好在相应的间歇反应器最小反应速率下操作。从这个角度来说，连续釜式反应器不如间歇反应器。第57页，共122页，2023年，2月20日，星期四例8在等温连续釜式反应器中进行下列液相反应

(A)反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物为P，若保持其空时为3h则组分A的最终转化率为多少？P的收率又是多少？第58页，共122页，2023年，2月20日，星期四分别列出A及P的物料衡算式，对A：对P有：将CA0=2kmol/m3代入式（A）并整理得：解：第59页，共122页，2023年，2月20日，星期四CA=0.2573kmol/m3故A的最终转化率为：将CA=0.2573kmol/m3

代入式（B）得P的浓度：解得：故P的收率为：比较间歇与连续釜式反应器表明，当连续釜式反应器的空时和间歇釜的反应时间相同时，两者的转化率、收率都不相等，因此在进行反应器放大时，这点必须予以足够注意。另外在本情况下连续操作时的收率大于间歇操作，这是由于A的浓度低有利于目的产物P的生成之故。第60页，共122页，2023年，2月20日，星期四小结：等温反应釜的设计方程反应BRCSTR第61页，共122页，2023年，2月20日，星期四思考1.用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小)2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小)3.若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？3.5连续釜式反应器的串联与并联第62页，共122页，2023年，2月20日，星期四第63页，共122页，2023年，2月20日，星期四正常动力学单釜两釜串联1.图解分析3.5连续釜式反应器的串联与并联第64页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.5连续釜式反应器的串联与并联(a)正常动力学(b)反常动力学图3.5连续釜式反应器反应体积的几何图示第65页，共122页，2023年，2月20日，星期四正常动力学，转化速率随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大，一般釜数不超过4）反常动力学，转化速率随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。1.图解分析小结3.5连续釜式反应器的串联与并联第66页，共122页，2023年，2月20日，星期四图3.6釜式反应器的并联若为两釜并联，则存在如何分配各釜进料量的问题，其分配原则是保持各釜的空时相等，也就是各釜的出口转化率相等，这样效果最佳。第67页，共122页，2023年，2月20日，星期四图单釜连续操作和多釜串联连续操作反应器内的浓度变化第68页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.串联釜式反应器的计算3.5连续釜式反应器的串联与并联

串联釜式反应器对第P釜作组分i的物料衡算：第69页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.串联釜式反应器的计算3.5连续釜式反应器的串联与并联实际计算中往往是已知进料组成，确定达到规定输出物料组成所需的釜数和各釜反应体积。一般情况下，釜数越多，总反应体积越小，从这点来看，多用几个釜串联操作是有利的，但是，釜数多了，相应的管道阀门和控制仪表也要增加，操作的复杂程度也要增加，所以，应根据具体情况从经济的角度出发确定最佳的釜数。釜数确定后，需进一步确定各釜的体积比，这是一个优化问题。第70页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.串联釜式反应器的计算3.5连续釜式反应器的串联与并联在第p釜中对反应物A进行物料衡算得注意：由于连续反应，各釜的进料可近似认为相等Q0=Q1=Q2=…QN第71页，共122页，2023年，2月20日，星期四对一级不可逆反应,以A为关键组分：3.5连续釜式反应器的串联与并联2.串联釜式反应器的计算N个釜注意：其中的为单釜空时，总空时为N

。注意：假设：①各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，则各釜的空时相等。②各釜操作温度相同，则各釜的速率常数k相等。总空时：总反应体积：K=k1-k2=…第72页，共122页，2023年，2月20日，星期四对非一级不可逆反应,以A为关键组分：3.5连续釜式反应器的串联与并联2.串联釜式反应器的计算注意：各釜反应体积（或空时）已知时，可从第一釜开始，逐釜计算各釜出口转化率，可确定达到最终转化率所需的釜数。但若规定釜数计算达到最终转化率时各釜反应体积（或空时）时，则需假定空时通过试差进行计算。第73页，共122页，2023年，2月20日，星期四图3.8作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率对于动力学方程更为复杂的反应体系，可采用图解法进行计算。注意到各釜出口转化率既要满足反应速率方程，又要符合物料衡算式，由两者的交点即可决定每釜出口状态。图中OM、NXA、PXA2及QXA3分别表示第1、2、3、4釜的物料衡算式（如果各釜反应体积相同，则这些曲线是相互平行的）。图中曲线MNPQ为动力学曲线，每釜物料衡算曲线和动力学曲线的交点即为该釜出口状态。根据不同的计算要求，可以通过该图进行逐釜计算或视差计算。第74页，共122页，2023年，2月20日，星期四用三个体积相同的釜式反应器串联，进行乙酸与乙醇的酯化，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/R)。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？例9第75页，共122页，2023年，2月20日，星期四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解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第76页，共122页，2023年，2月20日，星期四将题给的反应速率方程变换为转化率的函数带入初始组成及k1、K化简后的：第77页，共122页，2023年，2月20日，星期四各釜设计方程：对第一釜：对第二釜：对第三釜：第78页，共122页，2023年，2月20日，星期四由上三式得：假设各釜体积相等：由于rA为：第79页，共122页，2023年，2月20日，星期四联立求解式(D)(E)得：将XA3=0.35与式(C)一起代入式(A)(B)，有：总反应体积为9.897m3

第80页，共122页，2023年，2月20日，星期四反应器BRCSTR三个CSTR串联Vt/m38.23（12.38）14.689.90不同反应器反应体积比较第81页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.串联釜式反应器的最佳反应体积比即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。3.5连续釜式反应器的串联与并联对单一反应，总反应体积为：据此求得各釜的转化率，从而求得此时最小。第82页，共122页，2023年，2月20日，星期四求解该方程组，可得此总反应体积最小时各釜的反应体积。3.串联釜式反应器的最佳反应体积比3.5连续釜式反应器的串联与并联第83页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.串联釜式反应器的最佳反应体积比对一级不可逆反应，有：若各釜温度相同，化简得：所以：由此可见，串联釜式反应器进行一级不可逆反应时，若各釜体积相等，则总反应体积最小。3.5连续釜式反应器的串联与并联第84页，共122页，2023年，2月20日，星期四小结：串联釜式反应器进行级反应：3.串联釜式反应器的最佳反应体积比3.5连续釜式反应器的串联与并联第85页，共122页，2023年，2月20日，星期四在反应器中进行复合反应时，目的产物的收率如何，是首先要考虑的事，因为它直接影响到产品的数量与质量；反应选择性也同样重要，它反映了原料利用的程度。收率与选择性与反应器的形式和操作条件密切相关。3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性1.总收率与总选择性则：第86页，共122页，2023年，2月20日，星期四

总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。1.总收率与总选择性当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，收率顺序：间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，收率顺序：间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性第87页，共122页，2023年，2月20日，星期四(a)(b)

图3.10釜式反应器的最终收率第88页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.平行反应若目的产物为P，则瞬时选择性为

在釜式反应器中进行如下平行反应3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性第89页，共122页，2023年，2月20日，星期四2.平行反应

在釜式反应器中进行平行反应3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性第90页，共122页，2023年，2月20日，星期四

以纯A为原料在连续釜式反应器中生产产物P，反应为

例反应速率常数k1和k2与温度的关系符合阿累尼乌斯方程，指前因子A1=4.368×105h-1，A2=3.533×1018h-1，反应活化能E1=41800J/(mol•K)，E2=141000J/(mol•K)。若空时为1h，试问什么温度下操作P的收率最大？第91页，共122页，2023年，2月20日，星期四分别列出组分A和P的物料衡算式：解：式(A)(B)可分别改写为：由式(C)(D)得：第92页，共122页，2023年，2月20日，星期四上式对温度T求导得：令：代入式(G)有：则有：此即为P收率最大所要求的条件式由于：第93页，共122页，2023年，2月20日，星期四将阿累尼乌斯方程代入并整理得：代入已知条件可算得：第94页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.连串反应在等温间歇釜式反应器中进行一级不可逆反应，根据反应物系组成与反应时间的关系，并发现存在最大收率，若在连续釜式反应器中进行，是否也存在最大收率呢？首先针对连续釜式反应器列出组分A和P的物料衡算方程：将上式对空时求导：得最佳空时：3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性第95页，共122页，2023年，2月20日，星期四P最大收率为：相同的反应温度下，间歇反应器和连续釜式反应器收率的比较：在连续釜式反应器中进行连串反应时，同样存在着最大收率间歇反应器连续釜式反应器进行连串反应时，间歇釜式反应器与连续釜式反应器同样存在着最大收率，在相同反应温度下，间歇釜式反应器的最大收率总要大于连续釜式反应器第96页，共122页，2023年，2月20日，星期四间歇反应器和连续釜式反应器收率与转化率的关系：间歇反应器连续釜式反应器第97页，共122页，2023年，2月20日，星期四图3.12间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的转化率与收率由图可知，任意k2/k1下，收率YP对转化率XA变化存在最大值。且在相同的转化率下，间歇操作时的收率总大于连续操作。间歇釜最大收率轨迹连续釜最大收率轨迹第98页，共122页，2023年，2月20日，星期四可以通过改变操作温度的办法来改变k2/k1的相对大小，但无论E2和E1相对大小如何，一般采用较高的反应温度，以提高反应器的生产程度；可以使用催化剂来改变k2/k1当然，如果Q是目的产物，问题就简单多了。采用反应时间t↑、空时τ↑的办法即可。第99页，共122页，2023年，2月20日，星期四在连续釜式反应器中进行甲醇和氨的反应:

例这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下k2/k1=0.68,则一甲胺的最大收率是多少？相应氨的转化率又是多少？第100页，共122页，2023年，2月20日，星期四解：两式相除得:分别作组分A和B的物料衡算可得:根据两个反应得速率方程为：以A、B、M代表氨、一甲胺及甲醇第101页，共122页，2023年，2月20日，星期四代入并化简得:因为：为了求一甲胺的最大收率，将式（C）对XA求导得:令dYB/dXA=0得:第102页，共122页，2023年，2月20日，星期四根据已知条件k2/k1=0.68，一甲胺的最大转化率为:将XA代入式（C）可得，一甲胺的最大收率为:第103页，共122页，2023年，2月20日，星期四连续釜式反应器最大收率小于间歇釜式反应器。BRCSTRXA0.70040.548YB,max0.44060.3004将连续釜式反应器与间歇釜式反应器比较第104页，共122页，2023年，2月20日，星期四3.7半间歇釜式反应器

要求一种反应物浓度高而另一种浓度低时，采用半间歇反应是有利的；对于某些强放热反应，采用半间歇反应还可以通过调节加料速度以控制反应温度；对于某些可逆反应，可通过移走产物而提高产品收率，同时还可以提高反应速率。半间歇操作与间歇操作的共同点是反应物系的组成均随时间而变，因而设计方程必须以时间为自变量。半间歇釜式反应器的设计方程：第105页，共122页，2023年，2月20日，星期四对下列液相反应有：1.半间歇釜式反应器的计算3.7半间歇釜式反应器设计方程可写成：假设开始时反应器中注入体积为V0的B，反应过程中连续输入A，其流量为Q0，浓度为CA0，若不连续导出物料，即Q=0假设过程中B大量过剩，则该反应可视为对A的一级反应，即rA=kcA第106页，共122页，2023年，2月20日，星期四任意时刻反应体积为：1.半间歇釜式反应器的计算3.7半间歇釜式反应器若VcA视为变量，初始条件t=0,VcA=0,则可解得该一阶线形微分方程为:将V代入可得：若恒速加料，则Q0为常数：半间歇釜式反应器内反应组分A浓度与时间的关系因VcR=Q0cA0t-VcA：半间歇釜式反应器内反应组分R浓度与时间的关系注意：若Q0不为常数，则需知道Q0与t的函数关系才能求解。若B的浓度对反应速率不能忽略，则为非线性微分方程难以得到解析解，需用数值解法。第107页，共122页，2023年，2月20日，星期四图3.13半间歇釜式反应器内反应组分浓度与时间的关系P82：例3.10第108页，共122页，2023年，2月20日，星期四BR和CSTR反应体积的比较第109页，共122页，2023年，2月20日，星期四

对于给定的生产任务，在求得所需反应器的总容积VT后，再根据工艺要求和反应器系列标准，即可确定所需釜式反应器的台数N及单釜容积VTS。生产中可能有以下几种情况：

(1)已知VTS，求N

这种情况在产品扩产或更新时比较常见。此时，工厂已有若干台反应器，需通过计算确定扩产或更新后所需的反应器台数。

单釜容积及台数确定3.8釜式反应器的工业设计第110页，共122页，2023年，2月20日，星期四

对于给定的处理量，每天需操作的总批数为

式中

Vd—每天需处理的物料体积，m3d-1；

VrS—单台反应器的反应体积,即装料容积,m3。

单釜容积及台数确定第111页，共122页，2023年，2月20日，星期四每天每台反应器可操作的批数为

则完成给定生产任务所需的反应器台数为

单釜容积及台数确定NP值不是整数，则应圆整成整数N第112页，共122页，2023年，