第三章 釜式反应器

(continuous stirred tank reactor, CSTR) 间歇操作 (batch reactor, BR) 操作方式：间歇、连续、半间歇 连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR) 间歇操作 (batch reactor, BR) 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。

(batch reactor, BR)的特点 特点： 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间

continuous stirred tank reactor, CSTR的特点(全混流反应器) 假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。 特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。

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

反应器设计的基本方程 选择合适的反应器型式 确定最佳的工艺条件 计算所需反应器体积 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率 计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化

反应消耗 累积 物料衡算方程 计算反应体积 某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量 流入 流出 间歇式 整个反应器 反应单元 反应消耗 累积 流入 流出 反应器 反应单元 流入量 流出量 反应量 累积量 间歇式 整个反应器 √

对整个反应器进行物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 单位时间内反应量 = 单位时间内消失量 等容过程，液相反应

1/rA —xA t/CA0 1/rA —CA t

等温 BR 的计算 1.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 操作时间 经验给定 2.反应器的体积 ：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.4～0.85

*间歇反应器中的单反应 反应速率 rA=kCA rA=kCA2

一级反应 非一级反应 反应时间 相同 区别  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

间歇反应器中的单反应 1. k的影响 零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 2. 反应浓度的影响 2. 反应浓度的影响 零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降 3. 残余浓度 反应后期的速度很小；反应机理的变化

例：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0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80％、90％和 95％时的反应时间。 解： 得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min

*间歇反应器中的复合反应 对各组分作物料衡算(恒容条件)： 对A： 对P： 对Q： 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。

等温 BR 的计算 组分 浓度 A P Q 反应时间

等温 BR 的计算 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

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 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－连串反应 对A作物料衡算： 对P作物料衡算：

等温 BR 的计算 连串反应组分浓度与反应时间关系示意图 令： 得：

3-4 连续釜式反应器(全混流反应器 ) 反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量  单一反应 进口中已有A

全混流反应器τ的图解积分

等温CSTR 的计算 对稳态操作，有： 则物料衡算通式变为： 连续釜式反应器物料衡算式  单一反应

等温CSTR 的计算  空时与空速的概念：  空时： （因次：时间）  空速： 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。

三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系 等温CSTR 的计算  复合反应－平行反应 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

三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系 等温CSTR 的计算  复合反应－连串反应 对关键组分A有： 对中间产物P： 对最终产物Q： 三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系

小结：等温反应釜的设计方程 反应 BR CSTR

BR和CSTR反应体积的比较

连续釜式反应器的串联与并联 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？ 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？

连续釜式反应器的串联与并联 1.图解分析  正常动力学 单釜 两釜串联

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） 连续釜式反应器的串联与并联 1.图解分析  小结 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） 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。

连续釜式反应器的串联与并联 2. 串联釜式反应器的计算 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。 对第P釜作组分A的物料衡算：

注意：其中的  为单釜空时，总空时为N  。 连续釜式反应器的串联与并联 2. 串联釜式反应器的计算 对一级不可逆反应： N个釜 注意：其中的  为单釜空时，总空时为N  。

连续釜式反应器的串联与并联 3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。 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。 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。

连续釜式反应器的串联与并联 3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 小结：串联釜式反应器进行 级反应：

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：

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  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。  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， 间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜

变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算 根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为： 即：与环境交换的热=内能的变化 Tr为计算的基准温度 用焓变代替内能的变化 间歇釜式反应器 Tr为计算的基准温度

变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算

变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算 式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度 讨论 等温反应 绝热反应

连续釜式反应器的定态操作 1.连续釜式反应器的热量衡算式 定态操作热量衡算式为： 对绝热反应，有 ：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。

连续釜式反应器的定态操作 2.连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。 物料衡算式： 热量衡算式：

连续釜式反应器的定态操作 2.连续釜式反应器的定态热稳定性