项目一 任务4 二氧化硫催化氧化生产三氧化硫2（拓展反应器的选型）

1《化工设备操作与维护》

粮油轻工系高淑娟2反应器—其他反应器一、固定床反应器固定床板反应器是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。以气-固反应的固定床反应器最常见。34567◆特点：优点：返混小；结构简单；催化剂机械损耗小缺点：传热差；催化剂不易更换8◆操作与维护（1）温度调节控制入口温度、床层间冷却介质的质量、原料组成、反应器初末温度变化、反应温度的控制。（2）催化剂再生使催化作用效率已经衰退的催化剂重新恢复其效率的过程。再生过程不涉及催化剂整体结构的解体，仅仅是用适当的方法消除那些导致催化效能衰退的因素。9二、流化床反应器细小的固体颗粒被流动着的流体携带，具有像流体一样自由流动的性质，此种现象称为固体的流态化。一般把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，称为流化床反应器。流化床反应器多用于气-固反应过程。10111213流化床反应器是利用气体自下而上通过团体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反应的装置。1、气体流过流化床的三种状态：（1）、固定床阶段14（2）、流化床阶段当原料气通过反应器催化剂床层时，催化剂颗粒受气流作用而悬浮起来呈翻滚沸腾状，原料气在处于流态化的催化剂表面进行化学反应，此时的催化剂床层即为流化床，也叫沸腾床。15（3）、稀相输送阶段16流化床它与固定床相比，具有以下优点：①可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩散阻力，充分发挥催化剂表面利用率；②由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体界面不断搅动，界面不断更新，颗粒湍动程度增加，因而其传热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快传出；③

在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。由于流化床催化剂具有流动性，便于生产的连续性和自动化。17流化床反应器也存在一些严重的缺点：①气固流化床中，少量气体以气泡形式通过床层，气固接触严重不均，导致气体反应很不完全，其转化率往往比全混流反应器还低，不适宜用于要求单程转化率很高的反应；②固体颗粒的运动方式接近全混流，停留时间相差很大，对固相加工过程，造成固相转化率不均匀。固体颗粒的混合还会挟带部分气体，造成气体的返混，影响气体的转化率，当存在串联副反应时，会降低选择性；18③固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损会产生大量细粉，被气体夹带而出，造成催化剂的损失和环境污染，须设置旋风分离器等颗粒回收装置；192、不正常现象：（1）腾涌：如果床层高度：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时床层内就会发生小气泡合并成大气泡的现象，当气泡直径长大到床层直径相等时，则气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡与颗粒层，颗粒层象活塞那样被气泡向上推动，在达到上部后气泡崩裂，而颗粒则分散下落，这种现象称为腾涌现象。202122产生的原因：床层越高、容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现象。床层发生沸涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。23处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生。防止沸涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，以及适宜的操作气速。24(2)沟流现象25沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿命和效率。26沟流现象产生的原因主要与颗粒特性和气体分布板的结构有关。下列情况容易产生沟流：颗粒的粒度很细（粒径小于40μm）、密度大且气速很低时；潮湿的物料和易于粘结的物料；气体分布板设计不好，布气不均，如孔太少或各个风帽阻力大小差别较大。27处理方法：应对物料预先进行干燥并适当加大气速，另外分布板的合理设计也是十分重要的。还应注意风帽的制造、加工和安装，以免通过风帽的流体阻力相差过大而造成布气不均。28293、提高流化质量的措施：流化质量是指流化床均匀的程度，即气固接触的均匀程度。流化质量不高对流化床的传热、传质及化学反应过程都非常不利。流化床中影响流化质量的因素很多，其中包括设备因素（高径比、直径、床层高、分布板等）、流固密度差、固相物性（ρs即粘附性）及流体物性（ρ及μ等）。30（1）分布板应有足够的流动阻力在流化床中，分布板的作用除了支撑固体颗粒、防止漏料外，还有分散气流使气体得到均匀分布。设计良好的分布板，应对通过它的气流有足够大的阻力，从而保证气流均匀分布于整个床层截面上，也只有当分布板的阻力足够大时，才能克服聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流等不正常现象。313233（2）设备内部构件在床层中设置某种内部构件以后，能够抑制气泡长大并破碎大气泡，从而改善气体在床层中的停留时间分布、减少气体返混和强化两相间的接触。挡网、挡板和垂直管束都是工业流化床广泛采用的内部构件。3435为了减少床层的轴向温度差，提高流化质量，挡板直径应略小于设备直径，使颗粒沿四周环隙下降，然后再被气流通过各层挡板吹上去，从而构成一个使颗粒得以循环的通道。36（3）粒度分布颗粒的特性，尤其是颗粒的尺寸和粒度分布对流化床的流动特性有重要影响。采用小粒径、宽分布的颗粒特别是细粉能起“润滑”作用，可提高流化质量。经验表明，能够达到良好流化的颗粒尺寸在20～500μm范围内。37三、管式反应器38管径：一般25-50mm催化剂颗粒直径：固定床颗粒通常为2-6mm壳程内可以加热也可以冷却，加热宜采用热水、蒸汽或热油等。冷却可采用冷水或冷油等。394041管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。此种反应器具有容积小、比表面大、返混少、反应混合物连续性变化、易于控制等优点。但若反应速度较慢时，则有所需管子长、压降较大等不足。42

项目六塔设备43

模块一：塔设备认知什么是塔设备?一类塔形的化工设备

.44塔设备的作用质量传递热量传递精馏吸收萃取塔设备通过其内部构件使气(汽)—液相和液-液相之间充分接触，进行质量传递和热量传递。介质的冷却热量传递与质量传递是同时进行的45一、塔设备分类与结构1、分类按用途：精馏、吸收（解吸）、萃取、洗涤塔按操作压力：常压、加压、减压塔按结构：板式塔、填料塔47吸收塔48萃取塔492、结构塔设备的主要结构有塔体、裙座、接管、除沫器、塔盘、支撑装置、塔底防涡器等。一般情况下，塔体及内构件由碳钢制造；特殊情况用不锈钢做衬里，内构件用不锈钢；填料可用陶瓷、金属、塑料等。5051（1）塔体52（2）支座53（3）除沫器54（4）接管55（5）人孔、手孔56（6）吊耳、吊柱575859化工生产对塔设备的要求生产能力大工艺性能好12能量消耗小操作稳定性好34Textinhere结构合理5安全可靠选材合理67汽液相充分接触，较大的接触面积和分离空间单位时间内物料的处理量大流体通过塔设备时产生的阻力小，压降小，热量损失小结构简单，便于制造、检修和日常维护介质的性质和操作条件选择受力构件具有足够的强度、刚度和稳定性60

模块二板式塔6162一、板式塔塔盘的形式及特点板式塔是化工生产中广泛采用的一种传质设备，板式塔的塔盘结构是决定塔特性的关键，塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。其他常用的还有浮阀塔和舌形塔。63塔盘组成：64651、按气体通道分（1）泡罩塔66

泡罩塔是最早应用于工业生产的典型板式塔。泡罩塔盘由塔板、泡罩、升气管、降液管液流溢等组成。生产中使用的泡罩形式有多种，最常用的是圆形泡罩矩形齿缝，直径为80、100敞开式齿缝，直径15067特点：（1）气、液两相接触充分，传质面积大，因此塔盘效率高。（2）操作弹性大，在负荷变动较大时，仍能保持较高的效率。（3）具有较高的生产能力，适用于大型生产。（4）不易堵塞，介质适用范围广。（5）结构复杂、造价高，安装维护麻烦；气相压降较大，但若在常或加压下操作，这并不是主要问题。68（2）筛板塔69筛板塔盘是在塔盘板上开许多小孔，操作时液体从上层塔盘的降液管流入，横向流过筛板后，越过溢流堰经降液管导入下层塔盘；气体则自下而上穿过筛孔，分散成气泡通过液层，在此过程中进行传质、传热。由于通过筛孔的气体有动能，故一般情况下液体不会从筛孔大量泄漏。70筛板塔盘的小孔直径是一个重要参数，小则气流分布较均匀，操作较稳定，但加工困难，容易堵塞。目前工业筛板塔常用孔径为3～8mm。筛板开孔的面积总和与开孔区面积之比称为开孔率，是另一个重要参数。在同样的空塔速度下，开孔率大则孔速小，易产生漏液，降低效率，但雾沫夹带也减少；开孔率过小，塔盘阻力大，易造成大的雾沫夹带和液泛，限制塔的生产能力。通常开孔率在5～15%。筛孔一般按正三角形排列，孔间距与孔径之比通常为2.5～5。71筛板塔具有如下的特点。（1）结构简单，制造方便，便于检修，成本低。（2）塔盘压降小。

（3）处理量大，可比泡罩塔提高20~40%。（4）塔盘效率比泡罩塔提高15%，但比浮阀塔盘稍低。（5）弹性较小，筛孔容易堵塞。(3)川流塔

穿流板塔与筛板塔相比，其结构特点是不设降液管。气体和液体同时经由板上孔道逆流通过，在塔盘上形成泡沫进行传质与传热。常用的塔板结构有筛孔板和栅板两种。优点：穿流板塔结构简单，制造、加工、维修简便，塔截面利用率高，生产能力大，塔盘开孔率大，压降小。缺点：塔板效率较低，操作弹性较小。73（4）浮阀塔747576特点：（1）处理量较大，比泡罩塔提高20～40%，这是因为气流水平喷出，减少了雾沫夹带，所以浮阀塔盘可以具有较大的开孔率。（2）操作弹性比泡罩塔要大。（3）分离效率较高，比泡罩塔高15%左右。因为塔盘上没有复杂的障碍物，所以液面落差小，塔盘上的气流比较均匀。77（4）压降较低，因为气体通道比泡罩塔简单得多，因此可用于减压蒸馏。（5）塔盘的结构较简单，易于制造。（6）浮阀塔不宜用于易结垢、结焦的介质系统，因垢和焦会妨碍浮阀起落的灵活性。（7）浮阀装卸清洗较困难。78（5）舌形板与浮动舌形板79舌形塔盘是在塔盘板上冲有一系列舌孔，舌片与塔盘板呈一定倾角。气流通过舌孔时，利用气体喷射作用，将液相分散成液滴和流束而进行传质，并推动液相通过塔盘。舌孔与塔盘板的倾角一般有18º、20º和25º三种，通常是20º，舌孔常用25×25mm和50×50mm两种，舌孔按三角形排列。80蛇形板优点：舌形塔盘物料处理量大，压降小，结构简单，安装方便。缺点：操作弹性小，塔板效率低。被气体喷射的液流在通过降液管时，会夹带气泡到下塔板，气相夹带现象严重。81浮动舌形塔优点：处理量大、压降小、雾沫夹带少、操作弹性大、稳定性好、塔板效率高等优点（介于浮动塔板与固定舌形塔板之间）。结构简单，制造方便。缺点：在操作过程中浮舌易磨损。82（6）导向筛板塔优点：塔板利用率、效率较高，压降小。缺点：结构较复杂，造价较高。832、溢流装置包括降液管、受液盘、溢流堰84(1).降液管每块塔板上通常设有一个液体流动通道——降液管。板式塔在正常工作时，液体从上层塔板的降液管流下，横向流过开有筛孔或浮阀的塔板，翻越溢流堰，进入该层塔板的降液管，流向下层塔板。降液管有圆形与弓形两大类。常用的是弓形降液管。弓形降液管由平板和弓形板焊制而成，并焊接固定在塔盘上。86(2)．受液盘

为了保证降液管出口处的液封，在塔盘上一般都设置有受液盘。受液盘的结构形式对塔的侧线取出、降液管的液封、液体流出塔盘的均匀性都有影响。受液盘有平形和凹形两种。

87(3)．溢流堰

根据溢流堰在塔盘上的位置可分为进口堰和出口堰。当塔盘采用平形受液盘时，为保证降液管的液封，使液体均匀流入下层塔盘，并减少液流沿水平方向的冲击，应在液体进口处设置进口堰。88二、除沫器除沫器安装在塔内顶部，其作用是分离塔顶气体中夹带的液滴，保证塔顶馏出产品的质量。目前使用的除沫器有折板形、丝网形和旋流式，其中以丝网除沫器应用最为广泛891、丝网除沫器9091丝网除沫器具有比表面积大、重量轻、空隙大以及使用方便、除沫效率高、压降小等优点。适用于清洁的气体，不宜用在液滴中含有固体物质或易析出固体物质的场合，如碱液、碳酸氢氨溶液等，以免液体蒸发后留下固体堵塞丝网。当雾沫中含有少量悬浮物时，应经常对其进行冲洗。丝网除沫器在安装时，在其上下方都应留有适当的分离空间。922、折流板除沫器93

折流板除沫器结构简单，但消耗金属量大，造价较高。若增加折流次数，能有较高的分离效率。除沫器的折流板常由50mmX50mmX3mm的角钢制成。943．旋流板除沫器

旋流板除沫器由固定的叶片组成风车状。夹带液滴的气体通过叶片时产生旋转和离心作用。在离心力作用下，将液滴甩至塔壁，从而实现气、液的分离。除沫效率可达95％。95三、进出口管装置961、进料管9798992．出料管100四、板式塔的力学性能1、气液流动状态101（1）鼓泡接触状态鼓泡接触状态当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。液体—连续相气体—分散相两相接触面积：气泡表面102（2）泡沫接触状态泡沫接触状态当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。103液体—连续相气体—分散相两相接触面积：不断更新的液膜表面104（3）喷射接触状态喷射接触状态当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。105气体—连续相液体—分散相两相接触面积：不断更新的液滴表面1062、塔板压降107气体通过塔板的压降（塔板的总压降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充气液层的静压力及液体的表面张力。塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。1083、液沫夹带液沫夹带上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体分散成微小液滴，气体夹带着这些液滴在板间的空间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体进入上层塔板，这种现象称为液沫夹带。

109液滴的生成虽然可增大气液两相的接触面积，有利于传质和传热，但过量的液沫夹带常造成液相在塔板间的返混，进而导致板效率严重下降。为维持正常操作，需将液沫夹带限制在一定范围，一般允许的液沫夹带量为<0.1kg（液）/kg（气）。影响液沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。空塔气速减小及塔板间距增大，可使液沫夹带量减小。

1104、液泛塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因，导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。111当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带量过大引起的液泛称为夹带液泛。当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积累，致使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，这种由于降液管内充满液体而引起的液泛称为降液管液泛。112液泛的形成与气液两相的流量相关。对一定的液体流量，气速过大会形成液泛；反之，对一定的气体流量，液量过大也可能发生液泛。液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在泛点气速之下。影响液泛的因素除气液流量外，还与塔板的结构，特别是塔板间距等参数有关，设计中采用较大的板间距，可提高泛点气速。1135、漏液当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。漏液的发生导致气液两相在塔板上的接触时间减少，塔板效率下降，严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。通常，为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。

115造成漏液的主要原因是气速太小和板面上液面落差所引起的气流分布不均匀。在塔板液体入口处，液层较厚，往往出现漏液，为此常在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，称为安定区。

116

模块三填料塔填料是填料塔的主要构件，其性能的优劣直接影响填料塔的操作性能及传质效率。工业生产对填料的基本要求如下。117（1）传质分离效率高。填料的比表面积大，填料表面安排合理，填料表面润湿性好。（2）压力降小，汽液相通量大。（3）不易引起偏流和沟流。（4）具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和一定的耐热性。（5）不被固体杂物堵塞，其表面不会结垢。（6）重量轻、价格低。118一、结构119

二、填料填料是填料塔气、液接触的元件填料性能的优劣直接决定着填料塔的操作性能和传质效率。目前，在石油和化工类工厂中，使用较多的填料有以下五种：拉西环填料，鲍尔环，阶梯环，金属环矩鞍填料以及丝网波纹填料（规整填料）。120121拉西环填料四氟拉西环金属拉西环瓷质拉西环

拉西环可用陶瓷、金属、