化工设备--分析30803-第五组.ppt

1、第七章,化学反应器,张君.王新豪.李玺娇.庞娜.张新捧 牛建会.刘红霞.聂从丽.王浩,第一节 概述,化学反应的分类 1 按反应物料的聚集状态分类 （ 1）均相反应器 （2）非均相反应器 2 按反应器的机构分类 （1）釜式反应器： 一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。,（2）管式反应器：一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。 （3）塔式反应器：反应是在一个圆柱形

2、塔形是被中进行。 （4）固定床反应器：装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。 （5）流化床反应器：一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态,并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时,又称沸腾床反应器。,3 按操作方式分类 （1）间歇操作 ：反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。 （2）连续操作 ：反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。 （3）半连续操作：反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一

3、种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。,二 对反应器的要求 1 反应器要有足够反应体积，以保证反应物在反应器中有充分的反应时间，来达到规定的转化率和产品的质量指标。 2 反应器的机构要保证反应物之间、反应无语催化剂之间有着良好的接触。 3 反应器要有足够的传热面积，保证及时有效输入或引出热量，使反应在最适宜的温度下进行。 4 反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力，以保证反应过程安全可靠，反应器经济耐用。 5 反应器要尽量做到易操作、易制造、易安装和易维护检修。,第二节 典型化学反应器,一 釜式化学反应器 ：一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单

4、相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。 器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。,（1）釜式反应器的结构和组成,主要由釜体、 换热装置、 搅拌装置 组成。,典型的釜式反应器,（2）釜式反应器按操作方式可分为间歇釜式反应器、连续釜式反应器 、半连续釜式反应器 。,间歇式聚合釜,间歇釜式反应器,或称间歇釜。 操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。 间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也

5、不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。,连续釜式反应器,或称连续釜 可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。 半连续釜式反应器。 指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。,新型连续反应釜,用于实现气相反应和液相反应,二 管式反应器 一种呈管状、长径比很大的

6、连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。 反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。 通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流（见流动模型）（见彩图）。,返混又称逆向混合，是不同停留时间物料之间的混合。 由于物料例粒子在流经反应器时，基于某种影响造成的涡流、短路、死区，以及速度分布等产生返混，形成停留时间分布，导致反应器效降低，从而影响到反应产品的产量和质量。,几种常

7、见管式反应器,三 固定床反应器 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径215mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。 固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔(图见下页)、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。,分 类 固定床反应器有三种基本形式： 轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而下

8、流经床层，床层同外界无热交换。,径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。 以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。,列管式固定床反应器（后图3）由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称

9、为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。,特 点 固定床反应器的优点是： 返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。 催化剂机械损耗小。 结构简单。,固定床反应器的缺点是： 传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。 操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。 固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂

10、早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。,流化床分类反应器 一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。 流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。,分 类,按流化床反应器的应用可分为两类： 一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过

11、程等催化反应过程，称为流体相加工过程。 流化床反应器的结构有两种形式： 有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。 无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。,优缺点,与固定床反应器相比，流化床反应器的优点： 可以实现固体物料的连续输入和输出； 流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应； 便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。,然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在粉明显的局限性： 由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，