任务2釜式反应器设计3

计算时，在反应釜体积和数量这两个变量中必须先确定一个。

从提高劳动生产率和降低设备投资来考虑，选用体积大而台数少的设备比选用体积小而台数多的设备有利。1、给定V，求n

每天需操作的批次为为装料系数。每天每台反应釜可操作的批次为：其中t为反应时间，t，为辅助时间。生产过程所需要的反应釜数量为：2.4间歇操作釜式反应器体积和数量计算n,经过圆整成整数n。后备系数

后备系数一般在1.1-1.5较为合适。

反应器有效体积按下式计算2、给定n，求V

有时由于受生产厂房面积的限制或工艺过程的要求，先确定了反应釜的数量n，此时每台反应釜的体积可按下式计算：操作特点①理想混合；②反应器内Ｔ、Ｃ、（—rＡ）处处均匀一致且随时间t逐渐变化，是一个非稳态过程；③某时刻进、出料量为零。④存在辅助时间。优点：操作灵活，产品质量均一，适用于小批量、多品种、反应时间较长、染料、涂料生产。缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定2.5间歇操作釜式反应器的动力学计算法基本方程对整个反应器中的A组分进行物料衡算

，

即

若用转化率来表示反应进行的程度，则

00反应时间的计算

nA0----在t=0时反应器中物料A的摩尔数nA----在t时反应器中物料A的摩尔数（-rA

）

----组分A在操作条件下的反应速率（消失速率）----在t时反应器中物料A的转化率

上式是间歇反应器计算的基本方程式，表达了在一定操作条件下为达到所需求的转化率所需要的反应时间t，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等温或非等温的，可以直接积分求解，也可以用图解法。如果是非等温过程，反应速度常数随温度变化，而温度又随转化率变化，则需联解方程。恒温、恒容间歇反应表2-1等温、等容、不可逆简单反应的反应物残余浓度和转化率计算式反应级数反应速率式残余浓度式转化率式零级

一级二级n级

图解法：当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值积分时，可用图解法。

对等温、等容和变容可用图解法求解

式中：V0－－由生产能力或生产任务，平均每小时加入的物料的体积m3/h

t－－反应时间，ht’－－每批的非生产时间，h反应器体积的计算

间歇操作过程中，每处理一批物料都需要有加料、出料、清洗等非生产时间，因此处理一定量物料V0所需的反应器体积VR不仅与反应时间t有关，还与非生产时间tˊ有关。有效体积例2-1在理想间歇操作釜式反应器中用乙酸和已二醇为原料，等摩尔进料进行比缩聚反应生产醇酸树脂。反应温度700C，催化剂为H2SO4。实验测得动力方程为其中速率常数k=1.97L/（kmol·min）,反应物的初始浓度CA0=0.004kmol/L，若每天处理2400Kg己二酸，求转化率分别为0.5、0.6、0.8、0.9时所需要的反应时间。解：反应是二级反应反应时间，则

当xA=0.5时当xA=0.6时当xA=0.8时当xA=0.9时D为圆筒直径，H为圆筒高度实际体积反应器的结构尺寸实际体积2.6间歇操作釜式反应器直径和高度的计算D为圆筒直径，H为圆筒高度实际体积反应器的结构尺寸实际体积2.6间歇操作釜式反应器直径和高度的计算

关于设备间的平衡，大致有下列几种情况：1.反应釜与反应釜之间的平衡

各道工序每天生产的批次相同。计算时一般先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天的操作批次，然后其他工序的操作批次与之一样，在进行计算。2.反应釜与物理过程设备之间的平衡3.反应釜与计量槽、贮槽之间的平衡2.7设备之间的平衡例2-3

在一台搅拌良好的间歇操作釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产乙丁酯，其反应式为反应在373K等温条件下进行，以少量硫酸为催化剂,反应速度常数k=0.0174m3/（kmol·min）。该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方程式为。若已知CA0=1.8kmol/m3，V0=0.979m3/h，要求乙酸转化率=50％，每批非生产时间为30分钟，装料系数φ=0.7，试计算需要的反应器体积。

解：1、计算反应时间

因为反应是二级反应，则

将CA0=1.8kmol/m3、反应速度常数k=0.0174m3/(kmol·min)和乙酸的转化率xAf=0.5代入，得反应时间为2、计算反应器的有效体积3、计算反应器体积

已知反应器的装料系数

则反应器的体积为连续操作釜式反应器设计工作任务根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作釜式反应器的工艺设计。技术理论

连续操作釜式反应器的流动状况很接近理想混合流动模型。该反应器一般适用于产量较大的化工产品生产。

3.1单个连续操作釜式反应器设计操作特点：①连续操作，属于稳定流动。物料的积累项为零。②定常态，T、CA、(-rA)处处均一，不随时间而变，且与出口处完全相同。③物料粒子在反应器内的停留时间不同。物料衡算

衡算对象：反应釜内的某一反应组分衡算范围：由于反应釜内各空间位置上物料质点的参数均一，因此可对整个反应釜进行衡算。0则因为代入后得则平均停留时间为：

反应器体积计算反应过程中使用一个连续操作釜式反应器来完成生产任务，则反应器的体积计算可由计算而得。若知道反应动力学的函数表达时，可直接由上式积分而得。CA0CACAfCACA0CAf

若反应的动力学表达式相当复杂或不能用函数表达式表达时，则可用图解法计算。图2-1CSTR图解法计算示意图图2-2间歇操作釜式反应器图解法计算示意图解：已知例2-4

用一台搅拌良好的反应釜连续生产醇酸树脂，其反应条件及产量同[例2-1]，当反应转化率80%时，计算该釜的有效体积。将[例2-1]与[例2-4]比较可以看出，因连续操作的釜式反应器内的反应速度较慢，达到相同转达化率时，所需的空时比间歇釜的反应时间要长些，相应的有效体积需增大。主要是因为连续操作釜式反应的反应在进料口低浓度下进行的。例2-5

用一台搅拌良好的反应釜连续生产乙酸丁酯，其反应条件及产量同例[2-3]，计算该釜的有效体积。解：已知解：已知例2-4

用一台搅拌良好的反应釜连续生产醇酸树脂，其反应条件及产量同[例2-1]，当反应转化率80%时，计算该釜的有效体积。将[例2-1]与[例2-4]比较可以看出，因连续操作的釜式反应器内的反应速度较慢，达到相同转达化率时，所需的空时比间歇釜的反应时间要长些，相应的有效体积需增大。主要是因为连续操作釜式反应的反应在进料口低浓度下进行的。例2-5

用一台搅拌良好的反应釜连续生产乙酸丁酯，其反应条件及产量同例[2-3]，计算该釜的有效体积。解：已知将[例2-1]与[例2-4]比较可以看出，因连续操作的釜式反应器内的反应速度较慢，达到相同转达化率时，所需的空时比间歇釜的反应时间要长些，相应的有效体积需增大。主要是因为连续操作釜式反应的反应在进料口低浓度下进行的。例2-5

用一台搅拌良好的反应釜连续生产乙酸丁酯，其反应条件及产量同例[2-3]，计算该釜的有效体积。解：已知则比较与分析：将例2-3与例2-5比较可以看出，因连续操作的釜式反应器内的反应速度较慢，达到相同转达化率时，所需的空时比间歇釜的反应时间要长些，相应的有效体积需增大。3.2多个串联连续釜式反应器设计（n-CSTR）

为克服全混流反应器存在的上述缺点，可以采用全混流反应器串联使用，如果采用几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后一个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。这样在处理量相等时，几个串联全混流反应器的体积之和可以减少，而且串联的台数越多，总体积就越接近于平推流反应器。

CA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4假设各釜内均可视为理想混合流动，釜间不存在混合，忽略密度差异，每一个反应釜都是在定态的等温条件下反应，反应过程中物料的体积不发生改变。利用上述公式进行计算时，方法有解析法和图解法。而连续生产所需的反应器总体积为：对其中任一釡进行物料衡算，计算如下：利用上述公式进行计算时，方法有解析法和图解法。而连续生产所需的反应器总体积为：对其中任一釡进行物料衡算，计算如下：

前一反应釜出口的浓度是下一个反应釜的进口浓度，逐釜依次计算，直到得到要求的转化率。3.2.1解析法例：一级不可逆反应则第一釡的体积为：则第二釡的体积为：则第N釡的体积为:......解：用解析法计算

例2-6

用两台串联的釜式反应器连续生产醇酸树脂，要求第一台反应釜转化率为50%，第二台转化率为80%，反应条件和产量与[例2-1]相同，试计算各釜的有效体积。

比较[例2-4]和例[2-6]的计算结果可以看出，全混釜串联的釜数愈多，所需要的反应器有效体积愈小。主要是因为多釜串联后改变了反应釜中反应物的浓度，反应釜数越多，浓度变化越大，有效体积越小。

例2-7

用两台串联的釜式反应器连续生产乙酸丁酯，要求第一台釜乙酸转化率为32.3%，第二台釜乙酸转化率为50%，反应条件和产量与例[2-3]相同，试计算各釜的有效体积。

比较例2-5和例2-7的计算结果可以看出，全混釜串联的釜数愈多，所需要的反应器有效体积愈小。解：用解析法计算

适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（-rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。3.2.2图解法-1/

cA1cA0cArAf(CA)cA3cA2cA3f(CA)等温、等体积情况的图解计算步骤：(1)作出（-rA）-CA曲线(2)从起点CA=

CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交