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1、1,第三章 间歇釜式反应器BR（Batch Reactor）,3.1 釜式反应器的特点及其应用 3.2 间歇釜式反应器的容积与数量及设备间的平衡 3.3 等温间歇反应釜的计算 3.4 变温间歇釜的计算 3.5 半间歇釜式反应器,2,3.1.1釜式反应器的结构 *,1.釜的主体，提供足够的容积，确保达到规定转化率所需的时间,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。,6.工艺接管,为适应工艺需要,5.轴密封装置，用来防止釜体与搅拌轴之间的泄漏,3,4
2、,3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用,1、特点*,辅助时间占的比例大 ,劳动强度高，生产效率低.,操作灵活性大，便于控制和改变反应条件,非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应速度随着反应时间而变,同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀*,结构简单、加工方便，传质、传热效率高,反应物料一次加入，产物一次取出,6,3.2.1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,7,（1）每天处理物料总体积VD和单位时间的物料处理量为FV,FV=VD/24,GD每天所需处理的物料总重量,物料的密度,8,（2
3、） 操作周期t*,操作周期又称工时定额或操作时间，是指生产每一批料的全部操作时间，即从准备投料到操作过程全部完成所需的总时间t ，操作时间t包括反应时间t和辅助操作时间t0 两部分组成。 即t = t + t0,例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作周期: 检查设备 15分 加萘 15分 加硫酸及升温 25分 反应 160分 压出料 15分 操作周期 240分或4小时,9,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
4、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。,10,（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。,VR=FVt,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FV，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：,其中 t = t + t0,11,（4）*设备装料系数,反应器有效体积与设备实际容积之比称为设备装料系数，以符号 表示，即： =VR/V。其值
5、视具体情况而定,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。,12,2、反应器的容积和个数的确定,（1）已知VD或FV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： 每个设备每天能操作的批数为：,按设计任务需用的设备个数为：,13,由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m, mm。,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，以表示，,则,14,（2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t,求设备体积与个数,需要设备的总容积为：,如果反应器容积V的计算值
6、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=FVt/( 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，可用后备系数来衡量后备能力的大小，若标准釜的容积为Va，那么，,15,思考 选用个数少而容积大的设备有利还是选用个数多而容积小的设备有利 ？,16,例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，然后分批还原生产邻苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。设
7、备装料系数取0.75,3、计算示例,物料处理量FV一般由生产任务确定，辅助时间t0视实际操作情况而定，反应时间t可由动力学方程确定，也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以及等,17,解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的总容积为,取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为10m3的反应釜，后备能力为,思考 如果取受料时间为1h，结果如何？,18,例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造的最大容积的还原锅为6m3。问需用
8、几个还原锅。,解：,选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.756=4.5 m3， 则,受料时间：,4.5/0.83=5.44h,操作周期：,5.44+8=13.44h,每天操作总批数：,=24X0.83/4.5=4.45,每锅每天操作批数：,=24/13.44=1.78,需要锅的个数：,m=4.55/1.78=2.5,取用三个锅，生产能力后备系数为：,=（3-2.5）/2.5100%=20%,19,三个还原锅交替操作的时间安排图,20,例3-3西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今需设计年产1000吨的西维因车间，
9、求算需用搪瓷锅的数量与容积。年工作日取300天。,解：,每台锅每天操作批数：,=24/17=1.41,每天生产西维因农药数量：,10001000300=3330Kg（GD）,需要设备总容积:,mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3,取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。,=（4-3.78）/3.78100%=5.82%,21,例3-4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：
10、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。,22,根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为：,每小时需处理硫酸的体积为：,每小时处理物料总体积为:FV=626+270=896L 反应器的体积为：,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：,23,3.2.2 间歇操作设备间的平衡,保证各道工序每天操作总批次相等,即,1 = 2 = = n,总操作批数相等的条件是：,m11 = m22 = =mnn,或,即各工序的设备个数与操作周期之比要相等,各工序的设备容积之间保证互相平衡,即,或,24,例3-5萘酚车间的
11、磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及中和。现有铸铁磺化锅的规格2 m3，2.5 m3及3m3三种。试设计各工序的设备容积与数量。已知各工序的VD，t及 如下表：,25,解：,（1）先作磺化工序的计算,如取Va=2 m3，计算,再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算，结果列于下表中：,26,使水解工序：=10 =24/1.5=16，m=10/16=0.625 取,水解锅容积的计算：,Va=VD/,=21.25/（100.85）=2.5m3,=1，,=（1-0.625）/0.625 100%=60%,比较三种方案，选用2个2.5 m3的磺化锅较为合适。,（2）水解及其他工序的计算,27
12、,同样方法计算吹萘及中和二个工序。 将各工序计算结果列表如下：,28,3.3 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,FV, t,t = t + t0,确定反应时间的两种方法：经验法; 动力学法,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,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。,29,3.3.1 单一反应,设在间歇反应器内进行如下化学反应 ABR,0,0,1.反应时间的计算,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
13、时间dt内的物料衡算。,所以,30,适用于任何间歇反应过程。,由反应物A转化率xA的定义,得到,于是，,积分得：,31,恒容条件下：,所以,取 t=0 时 xA= 0、CACA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，积分得,其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式,反应器的有效体积 VR=FV (tt0),32,等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*,其它反应的积分请参阅参考书1，6,33,例3-6间歇反应A+BR+S，二级不可逆rA=kCACB， 等温恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，处理量为2.0m3/h，A、B的初浓度均为1.0k
14、mol/m3，每批辅时为0.5h，求反应体积为9.0m3时的A的转化率。,解：由,解上述方程得,得,又由,得,34,例3-7：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/(Lmin)，k=1.97L/(kmolmin)。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。,解：,积之得,35,物料的处理量为,操作周期为,反应体积为,反应器容积为,思考 计算FV时，为什么不考虑己二醇？,36,正反应速率
15、常数k1为4.7610-4m3/（kmol.min），逆反应速率常数k2为1.6310-4m3/（kmol.min）。反应器内装入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度为1043kg/m3，假设反应过程不改变。试计算反应2h后乙酸的转化率。,例3-8在搅拌良好间歇操作釜式反应器中，以盐酸作为催化剂，用乙酸和乙醇生产乙酸乙酯，反应式为：,已知100时，反应速率方程式为,37,解：乙酸的初始浓度,乙醇的初始浓度,水的初始浓度,设XA为乙酸的转化率，则各组分的瞬时浓度与转化率的关系为,kmol/m3,kmol/m3,kmol/m3,38,代入反应速率方程式，
16、则得,=,所以,=,=,当t=120min，用上式算得：xAf=0.356， 即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。,39,（2） 间歇反应釜的最佳反应时间,问题的提出 ：操作时间包括反应时间和辅助时间，辅助时间一般是固定的；延长反应时间可提高产品收率，但反应后期，反应物浓度降低，反应的推动力变小，反应速率变低，所以，从宏观上看，单位操作时间内的产品收获量未必高；缩短反应时间，产品收率低，但反应速率一直较大，所以单位操作时间内产品的收获量未必低。,由此看来，应存在一最佳反应时间，使得操作单位时间内获得的产品量为最大。,40, 以单位操作时间内产品的收获量最大为目标,对于反应AR，若反应产物的浓度为CR，则单位时间内获得的产品量GR为,GR = VRCR /(t+t0),对反应时间求导,若使GR为最大，可令 dGR/dt = 0，于是,此为使单位操作时间内产物收获量为最大应满足的条件。,思考 上述结果是否表明该最优反应时间与其动力学特征无关？,41,图解法,描绘产物浓
