化学反应过程与设备--课件

反应器选择、设计和操作反应器选择、设计和操作2Author:huangkangsheng课程的主要内容课程的主要内容1 反反应器器选择2 反反应器器设计及及优化化 体体积计算、操作参数算、操作参数选定定3 反反应器操作及器操作及维护3Author:huangkangsheng课程的特点课程的特点1 概念多、理概念多、理论深、内容抽象，需要深、内容抽象，需要较为扎扎实的的 的的专业理理论基基础和数学基和数学基础；2 综合性高，合性高，实践性践性强，学，学习时需要需要树立工程意立工程意识、具具备化工技化工技术经济观念、安全和念、安全和环保意保意识；3 入入门难，掌握不易，需要精研，掌握不易，需要精研细读，反复，反复训练。4Author:huangkangsheng参考参考书：1 李李绍芬芬.反反应工程工程.化学工化学工业出版社出版社2 朱丙辰朱丙辰.化学反化学反应工程工程.化学工化学工业出版社出版社3 陈炳和炳和.化学反化学反应过程与程与设备.化学工化学工业出版社出版社4 邹仁鋆仁鋆.基本有机化工反基本有机化工反应工程工程.化学工化学工业出版社出版社5 陈甘棠甘棠.化学反化学反应工程工程.化学工化学工业出版社出版社5Author:huangkangsheng项目项目1 反应器选择反应器选择主要内容：主要内容：任任务1 均相反均相反应器的器的选择 任任务2 气固相反气固相反应器的器的选择 任任务3 气液相反气液相反应器的器的选择6Author:huangkangsheng专业能力目能力目标：通：通过本部分内容学本部分内容学习和工作任和工作任务的的训练，能，能根据反根据反应特点和生特点和生产条件正确条件正确选择反反应器的器的类型。型。工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择工工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择工业反应器的类型。业反应器的类型。7Author:huangkangsheng任务任务1 均相反应器的选择均相反应器的选择工作任工作任务：根据化工：根据化工产品的反品的反应特点和生特点和生产条件初步条件初步选择均相反均相反应器的器的类型。型。技术理论：技术理论：1.1.化工生产过程化工生产过程原料预处理原料预处理化学反应化学反应产品分离产品分离2.2.常见的均相反应器常见的均相反应器釜式反应器、管式反应器等。釜式反应器、管式反应器等。8Author:huangkangsheng一、搅拌釜式反应器的应用与分类一、搅拌釜式反应器的应用与分类1.搅拌釜式反拌釜式反应器在化工中的器在化工中的应用及特点用及特点 应用：应用：特点：特点：既可用于均相反应，也可用于非均相反应。广泛用于石油既可用于均相反应，也可用于非均相反应。广泛用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等工业。化工、橡胶、农药、染料、医药等工业。结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作条件（浓度、温度、停留时间等）灵活可控，便于更换品条件（浓度、温度、停留时间等）灵活可控，便于更换品种，能适应多样化的生产。种，能适应多样化的生产。2.搅拌釜式反应器的分类搅拌釜式反应器的分类 按操作方式分：按操作方式分：间歇操作间歇操作连续操作连续操作半间歇操作半间歇操作特点：非稳态过程特点：非稳态过程特点：稳态过程特点：稳态过程特点：非稳态过程特点：非稳态过程9Author:huangkangsheng按材质分：按材质分：钢制反应釜钢制反应釜铸铁反应釜铸铁反应釜搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜最常见的材料最常见的材料为为Q235AQ235A常用于氯化、磺化、常用于氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸增硝化、缩合、硫酸增浓等反应过程。浓等反应过程。工艺制作：工艺制作：特点：特点：P5P5注意：注意：性能：性能：按操作压力分：按操作压力分：低压釜低压釜高压釜高压釜动密封结构动密封结构静密封，更适合于各种极毒、易燃、静密封，更适合于各种极毒、易燃、易爆以及其他渗透力极强的化工工艺易爆以及其他渗透力极强的化工工艺过程。过程。10Author:huangkangsheng二、搅拌釜式反应器结构二、搅拌釜式反应器结构1.搅拌釜式反拌釜式反应器基本器基本结构构构成：构成：换热装置换热装置轴封轴封搅拌装置搅拌装置壳体壳体结构：结构：壳体由钢板卷焊成圆筒体，壳体由钢板卷焊成圆筒体，再焊上钢板压成的釜底，再焊上钢板压成的釜底，配上釜盖。配上釜盖。11Author:huangkangsheng釜底形状：釜底形状：搅拌装置：搅拌装置：由搅拌轴和搅拌电机组成。由搅拌轴和搅拌电机组成。轴封：轴封：填料密封填料密封机械密封机械密封要求：填料富于弹性，有良好的耐磨性和导热性；弹性形变要大，使填料紧贴转轴，对转轴产生收缩力，同时填料还要有足够的圈数。由动环、静环、弹簧加荷装置及辅助密封圈四个部分组成。12Author:huangkangsheng换热装置的换热装置的常见结构型式：常见结构型式：13Author:huangkangsheng2.无泄漏磁力釜基本无泄漏磁力釜基本结构构构成构成釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。3.反应釜的特点与发展趋势反应釜的特点与发展趋势发展趋势：发展趋势：特点：特点：结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高，结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高，反应釜多属间歇操作。反应釜多属间歇操作。大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用热能。热能。14Author:huangkangsheng三、管式反应器的应用与分类三、管式反应器的应用与分类1.管式反管式反应器在化工生器在化工生产中的中的应用与分用与分类应用：应用：一般用于气相反应和气液相反应一般用于气相反应和气液相反应。分类：分类：根据管道连接根据管道连接方式不同方式不同 多管并联管式反应器多管并联管式反应器多管串联管式反应器多管串联管式反应器2.管式反应器的特点管式反应器的特点长径比大（长径比大（50100）；单位反应体积的传热面积大）；单位反应体积的传热面积大；生产效率高；生产效率高；适用于大型化、连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有适用于大型化、连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证；保证；返混返混小，在较高的流速下，管内流体流型接近于理想置换。小，在较高的流速下，管内流体流型接近于理想置换。难点难点15Author:huangkangsheng四、管式反应器的结构四、管式反应器的结构1.常常见管式反管式反应器器2.管式反应器的组成管式反应器的组成直管、弯管、密封环、管件（法兰及紧固件）、温差补偿器、传热夹套、直管、弯管、密封环、管件（法兰及紧固件）、温差补偿器、传热夹套、连接管和机架等连接管和机架等。16Author:huangkangsheng管式反应器的机架：管式反应器的机架：17Author:huangkangsheng五、均相管式反应器的选择五、均相管式反应器的选择v1.反反应器器选择的依据的依据反应的特征反应的特征：反应器的特征：反应器的特征：生产要求：生产要求：反应的浓度效应、温度效应、热效应等。反应的浓度效应、温度效应、热效应等。反应器的流体流动、停留时间分布、换热能力等反应器的流体流动、停留时间分布、换热能力等反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、压降、能耗、生产能力等。压降、能耗、生产能力等。18Author:huangkangsheng2.均相反均相反应器器选择要考要考虑的方面的方面根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式根据产量大小选择操作方式。根据产量大小选择操作方式。根据反应速率选择。根据反应速率选择。根据动力学特性选择。根据动力学特性选择。19Author:huangkangsheng3.均相化学反均相化学反应举例例20Author:huangkangsheng任务任务2 气固反应器的选择气固反应器的选择工作任工作任务：根据化工：根据化工产品的反品的反应特点和生特点和生产条件初步条件初步选择气气固反固反应器的器的类型。型。技术理论：化学工业中常用的气固相反应器：固定床反应技术理论：化学工业中常用的气固相反应器：固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器。器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器。21Author:huangkangsheng一、固定床反应器的特点与结构一、固定床反应器的特点与结构1.固定床反固定床反应器的特点器的特点固定床反应器固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器。都称为固定床反应器。特点：特点：优点：床层内气体流动近于理想置换，反应速率快，所需催化优点：床层内气体流动近于理想置换，反应速率快，所需催化剂少，反应体积小；停留时间严格可控，温度分布可以调节，剂少，反应体积小；停留时间严格可控，温度分布可以调节，有利于提高反应的转化率和选择性；催化剂不易磨损，可以在有利于提高反应的转化率和选择性；催化剂不易磨损，可以在较长时间连续使用；适宜于在高温、高压条件下操作。较长时间连续使用；适宜于在高温、高压条件下操作。缺点：传热控温困难；缺点：传热控温困难；催化剂有效系数低催化剂有效系数低；催化剂再生、；催化剂再生、更换不方便；劳动强度大，对工人身体产生危害。更换不方便；劳动强度大，对工人身体产生危害。22Author:huangkangsheng2.固定床反固定床反应器的器的类型与型与结构构2.1根据传热方式分：根据传热方式分：绝热式固定床绝热式固定床换热式固定床换热式固定床多段绝热式多段绝热式单段绝热式单段绝热式冷激式冷激式中间间接换热式中间间接换热式对外换热式对外换热式自热式自热式23Author:huangkangsheng2.2绝热式固定床反式固定床反应器器 反反应器器绝热措施良好，无措施良好，无热量量损失且与外界无失且与外界无热交交换。单段绝热式：单段绝热式：结构：中空圆筒，底部置搁板，搁板上堆积固体催化剂。结构：中空圆筒，底部置搁板，搁板上堆积固体催化剂。特点：反应器结构简单，生产能力大。特点：反应器结构简单，生产能力大。适宜反应类型：适宜反应类型：热效应不大，过程允许温度有较宽变动范围。热效应不大，过程允许温度有较宽变动范围。热效应较大，但对温度不敏感，或热效应虽热效应较大，但对温度不敏感，或热效应虽大，但反应速率非常快。大，但反应速率非常快。24Author:huangkangsheng 单段绝热式应用实例：单段绝热式应用实例：A、大型合成氨厂中一氧化碳中低温变换，甲烷化反应。、大型合成氨厂中一氧化碳中低温变换，甲烷化反应。B、甲醇在银或铜催化剂上用空气氧化制甲醛。、甲醇在银或铜催化剂上用空气氧化制甲醛。F单段绝热式反应器的缺点：反应过程中温度变化大，不适于单段绝热式反应器的缺点：反应过程中温度变化大，不适于反应热效应大而反应速率慢的反应。反应热效应大而反应速率慢的反应。25Author:huangkangsheng多段绝热式：多段绝热式：反应一段，换热一段，反应与换热间隔进行。反应一段，换热一段，反应与换热间隔进行。适宜反应类型：反应热效应大而速率较慢的反应。适宜反应类型：反应热效应大而速率较慢的反应。工业应用实例：工业应用实例：A、SO2氧化、乙苯脱氢常用多段间接氧化、乙苯脱氢常用多段间接换热式。换热式。B、合成氨、合成氨、CO和氢合成甲醇常用冷激式。和氢合成甲醇常用冷激式。间接换热式间接换热式 冷激式冷激式26Author:huangkangsheng2.3换热式固定床反式固定床反应器器 当反当反应热效效应较大，大，为了了维持适宜的温度条件，必持适宜的温度条件，必须利用利用换热介介质来移走或供来移走或供给热量。量。对外换热式：对外换热式：一般为列管式结构一般为列管式结构合理选择载热体及其温度是合理选择载热体及其温度是保持反应稳定进行的关键。保持反应稳定进行的关键。反应温度反应温度T300：熔盐：熔盐反应温度反应温度250300：低挥发性：低挥发性导热油。导热油。反应温度反应温度T240：高压热水。：高压热水。如何选择如何选择载热体？载热体？27Author:huangkangshengA、列管式固定床反、列管式固定床反应器工器工业应用用实例：例：高压热水作载热体高压热水作载热体导热油作载热体导热油作载热体熔盐作载热体熔盐作载热体乙烯氧化制环氧乙烷，乙乙烯氧化制环氧乙烷，乙烯乙酰基氧化制醋酸乙烯。烯乙酰基氧化制醋酸乙烯。丙烯氨氧化制丙烯腈丙烯氨氧化制丙烯腈28Author:huangkangshengB、列管式固定床反、列管式固定床反应器的温度分布和器的温度分布和热点温度的形成点温度的形成热点：热点：轴向温度分布轴向温度分布及形成：及形成：降低热点温度降低热点温度减少轴向温差减少轴向温差的措施：的措施：反应器中轴向温度分布中的最高温度。反应器中轴向温度分布中的最高温度。取决于轴向各点的放热取决于轴向各点的放热速率和移热速率。速率和移热速率。原料气中带入微量抑制原料气中带入微量抑制剂，使部分催化剂毒化。剂，使部分催化剂毒化。入口处附近放置一定高度惰性载入口处附近放置一定高度惰性载体体稀稀释的催化剂或已部分老化催化剂。释的催化剂或已部分老化催化剂。采用分段冷却，改变移热速率，采用分段冷却，改变移热速率，使与放热速率尽可能平衡。使与放热速率尽可能平衡。列管式固定床反应器的温度分布列管式固定床反应器的温度分布29Author:huangkangsheng自热式固定自热式固定床反应器：床反应器：上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。径向反应器：径向反应器：30Author:huangkangsheng任务任务2 气固反应器选择气固反应器选择流化床反应器流化床反应器一、流化床反一、流化床反应器的特点与器的特点与结构构1.流化床反流化床反应器的特点器的特点固体流态化固体流态化：将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性质，称之为固体流态化。质，称之为固体流态化。优点优点：缺点缺点：催化剂颗粒细小，有效系数高；床层内近于全混流，催化剂颗粒细小，有效系数高；床层内近于全混流，温度和浓度均匀，热稳定性高；催化剂易于补充和再生；温度和浓度均匀，热稳定性高；催化剂易于补充和再生；流固相接触充分，传质、传热速率快；操作弹性宽，生产流固相接触充分，传质、传热速率快；操作弹性宽，生产能力大。能力大。床层返混大；由于碰撞和摩擦，催化剂损失大，除尘困难；床层返混大；由于碰撞和摩擦，催化剂损失大，除尘困难；管道和容器磨损严重；安装精度要求高。管道和容器磨损严重；安装精度要求高。31Author:huangkangsheng2.流化床反流化床反应器的器的结构构组成：组成：流化床反应器主体、气体分布装置、流化床反应器主体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置。内部构件、换热装置、气固分离装置。32Author:huangkangsheng结构结构气固分离装置气固分离装置换热装置换热装置内部构件内部构件气体分布装置气体分布装置流化床反应器主体流化床反应器主体扩大段稀相段浓相段锥形底气体分布装置：气体分布装置：预分布器和分布板。作用：均匀布气，保分布器和分布板。作用：均匀布气，保证良好而良好而稳定的流定的流态化化气体气体预分布器的分布器的结构型式：构型式：33Author:huangkangsheng (a)弯管式（b）同心圆壳式（c）帽式 (d)充填式 （e）开口式气体分布板的气体分布板的结构型式构型式34Author:huangkangsheng（1）直流型分布板直流型分布板（a）直孔式分布板（b）凹型分布板（c）直孔泡帽分布板）直孔泡帽分布板35Author:huangkangsheng（2）侧流型分布板(a)条型侧缝（b）锥型侧缝）锥型侧缝（c）锥型侧孔（d）泡帽侧缝泡帽泡帽侧缝、侧缝、侧孔侧孔换热装置：换热装置：36Author:huangkangsheng气固分离装置：气固分离装置：37Author:huangkangsheng二、流化床反应器的分类：二、流化床反应器的分类：38Author:huangkangsheng表表6-1 流化床反应器的分类流化床反应器的分类分类方法分类方法分分 类类按照固体颗粒是否在系统内按照固体颗粒是否在系统内循环循环单器（非循环操作）流化床单器（非循环操作）流化床双器（循环操作）流化床双器（循环操作）流化床按床层中是否有内部构件按床层中是否有内部构件自由流化床自由流化床限制流化床限制流化床按反应器内层数多少按反应器内层数多少单层流化床单层流化床多层流化床图多层流化床图按床层的外型按床层的外型圆筒形反应器圆筒形反应器圆锥形反应器圆锥形反应器39Author:huangkangsheng三、气固相催化反应器的选择三、气固相催化反应器的选择1.选择依据：依据：一般从反一般从反应特点、反特点、反应热、工、工艺要求、反要求、反应器特点、催化器特点、催化剂性能等方面性能等方面综合考合考虑。2.选择举例：选择举例：40Author:huangkangsheng任务任务3 气液相反应器的选择气液相反应器的选择技技术理理论：化工中常用的气液相反化工中常用的气液相反应器鼓泡塔反器鼓泡塔反应器、填料塔反器、填料塔反应器、器、板式塔反板式塔反应器和降膜反器和降膜反应器。器。工作任务：工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择气液相反应器根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择气液相反应器的类型。的类型。41Author:huangkangsheng一、气液相反应器种类和工业应用一、气液相反应器种类和工业应用1.气液相反气液相反应的特点与的特点与应用用特点：特点：应用：应用：气液相反应：气液相反应：气体在液体中进行的化学反应。气体在液体中进行的化学反应。先传质，再反应，反应在液相中进行。先传质，再反应，反应在液相中进行。与化学吸收的区别：化学吸收侧重研究用化学反应强化传质；与化学吸收的区别：化学吸收侧重研究用化学反应强化传质；气液相反应研究传质对反应的转化率、选择性、速率的影响。气液相反应研究传质对反应的转化率、选择性、速率的影响。42Author:huangkangsheng2.气液相反气液相反应器的基本器的基本类型与特点型与特点基本类型：基本类型：按气液相接触形态分按气液相接触形态分气体以气泡形态分散在液相中。气体以气泡形态分散在液相中。鼓泡塔、搅拌鼓泡釜、板式反应器。鼓泡塔、搅拌鼓泡釜、板式反应器。液体以液滴状分散在气相中。液体以液滴状分散在气相中。喷雾、喷射和文氏反应器。喷雾、喷射和文氏反应器。液体以膜状运动与气相进行接触。液体以膜状运动与气相进行接触。填料塔、降膜反应器填料塔、降膜反应器43Author:huangkangsheng气液相气液相反应器反应器的特点的特点：鼓泡塔：适用于液相也参与反应的中速、慢速和放热鼓泡塔：适用于液相也参与反应的中速、慢速和放热量大的反应；液体返混严重、气泡聚并量大的反应；液体返混严重、气泡聚并，效率低。，效率低。填料塔：液相主体量少，适用于瞬间、界面和填料塔：液相主体量少，适用于瞬间、界面和快速反应。气体压降小、液体返混小。快速反应。气体压降小、液体返混小。板式塔：液体连续，气体分散，适用于快速及中速反板式塔：液体连续，气体分散，适用于快速及中速反应，轴向返混小，气液传质系数高，温度可控。应，轴向返混小，气液传质系数高，温度可控。喷雾塔：气体连续，液体分散，相接触面积大，压降喷雾塔：气体连续，液体分散，相接触面积大，压降小，适用于瞬间、界面、快速和生成固体的反应。小，适用于瞬间、界面、快速和生成固体的反应。降膜反应器：适用于瞬间、界面和快速反应，特别降膜反应器：适用于瞬间、界面和快速反应，特别适用于较大热效应的气液反应；压降小，无轴向返混。适用于较大热效应的气液反应；压降小，无轴向返混。搅拌鼓泡釜：气泡小，相接触面积大；接近全混流，搅拌鼓泡釜：气泡小，相接触面积大；接近全混流，能耗高，适用于慢反应，尤其对高粘性非牛顿液体。能耗高，适用于慢反应，尤其对高粘性非牛顿液体。高速湍动反应器：传质速率快，适用于瞬间反应。高速湍动反应器：传质速率快，适用于瞬间反应。有机化合物的氧化反应、有机化合物的氧化反应、石蜡和芳烃的氯化反应、石蜡和芳烃的氯化反应、生物化学反应、污水处生物化学反应、污水处理曝气氧化、氨水碳化理曝气氧化、氨水碳化等。等。催化热碱吸催化热碱吸COCO2 2、水吸收水吸收SOSO3 3HClHCl、NONOx x等等安装垂直度要求安装垂直度要求高，液体成膜且高，液体成膜且均匀分布均匀分布。44Author:huangkangsheng二、鼓泡塔反应器结构二、鼓泡塔反应器结构1.鼓泡塔反鼓泡塔反应器的分器的分类及及应用用分分类类按结构分按结构分：空心式空心式多段式多段式气提式气提式液体喷射式液体喷射式应应用用缓慢化学反应系统或伴有大量缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的反应系统。热效应的反应系统。高径比较大，为了减小液相返高径比较大，为了减小液相返混。混。生化工程发酵、环境工程中活生化工程发酵、环境工程中活性污泥处理、有机化工催化加氢性污泥处理、有机化工催化加氢统称环流式鼓泡反应器，径向气液统称环流式鼓泡反应器，径向气液流动速度均匀，传质、传热系数大，流动速度均匀，传质、传热系数大，液体循环速度可调。液体循环速度可调。45Author:huangkangsheng2.鼓泡塔反鼓泡塔反应器的器的结构构结构组成：结构组成：塔底部的气体分布器、塔筒体、塔顶部气液分离器塔底部的气体分布器、塔筒体、塔顶部气液分离器46Author:huangkangsheng三、填料塔反应器结构三、填料塔反应器结构1.填料塔反填料塔反应器的器的结构构填填料料塔塔的的构构成成塔体塔体塔体支座塔体支座人孔人孔手孔手孔塔内件塔内件除沫器填料填料支撑装置填料压紧装置液体分布装置液体收集及再分布装置47Author:huangkangsheng2.填料的填料的类型及性能型及性能评价价填料填料的的类型类型根据装填方式不同根据装填方式不同规整填料规整填料散装填料散装填料拉西环填料拉西环填料鲍尔环填料鲍尔环填料阶梯环填料阶梯环填料弧鞍填料弧鞍填料矩鞍填料矩鞍填料金属环矩鞍金属环矩鞍球形填料球形填料格栅填料格栅填料波纹填料波纹填料脉冲填料脉冲填料性能评价性能评价指标指标效率、通量及压降效率、通量及压降影响因素影响因素比表面积比表面积表面润湿性能表面润湿性能气液分布气液分布空隙率空隙率结构等结构等48Author:huangkangsheng四、气液相反应器的选择四、气液相反应器的选择气液相反气液相反应器器选择应考考虑的因素的因素1.具备较高的生产能力具备较高的生产能力2.有利于反应选择性的提高有利于反应选择性的提高3.有利于降低能耗有利于降低能耗4.有利于反应温度的控制有利于反应温度的控制5.能在较少液体流率下操作能在较少液体流率下操作