化学反应过程与设备课件.ppt

1、反应器选择、设计和操作,2Author:huangkangsheng,课程的主要内容,1 反应器选择 2 反应器设计及优化 体积计算、操作参数选定 3 反应器操作及维护,3Author:huangkangsheng,课程的特点,1 概念多、理论深、内容抽象，需要较为扎实的 的专业理论基础和数学基础； 2 综合性高，实践性强，学习时需要树立工程意识、 具备化工技术经济观念、安全和环保意识； 3 入门难，掌握不易，需要精研细读，反复训练。,4Author:huangkangsheng,参考书： 1 李绍芬. 反应工程.化学工业出版社 2 朱丙辰. 化学反应工程.化学工业出版社 3 陈炳和.化学反应

2、过程与设备.化学工业出版社 4 邹仁鋆.基本有机化工反应工程.化学工业出版社 5 陈甘棠.化学反应工程.化学工业出版社,5Author:huangkangsheng,项目1 反应器选择,主要内容： 任务1 均相反应器的选择 任务2 气固相反应器的选择 任务3 气液相反应器的选择,6Author:huangkangsheng,专业能力目标：通过本部分内容学习和工作任务的训练，能根据反应特点和生产条件正确选择反应器的类型。,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业反应器的类型。,7Author:huangkangsheng,任务1 均相反应器的选择,工作任务：根据化工产品的反应特点和

3、生产条件初步选择均相反应器的类型。,技术理论：,1.化工生产过程,原料预处理,化学反应,产品分离,2.常见的均相反应器,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,1.搅拌釜式反应器在化工中的应用及特点,应用：,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 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 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。,2.搅拌釜式反应器的分类,按操作方式分：,间歇操作,连续操作,半间歇操作,特点：非稳态过程,特点：

4、稳态过程,特点：非稳态过程,9Author:huangkangsheng,按材质分：,钢制反应釜,铸铁反应釜,搪玻璃反应釜,最常见的材料为Q235A,常用于氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸增浓等反应过程。,工艺制作： 特点： P5 注意： 性能：,按操作压力分：,低压釜,高压釜,动密封结构,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 过程。,10Author:huangkangsheng,二、搅拌釜式反应器结构,1.搅拌釜式反应器基本结构,构成：,换热装置,轴封,搅拌装置,壳体,结构：,壳体由钢板卷焊成圆筒体， 再焊上钢板压成的釜底， 配上釜盖。,11Author:huan

5、gkangsheng,釜底形状：,搅拌装置：,由搅拌轴和搅拌电机组成。,轴封：,填料密封,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 常见结构型式：,13Author:huangkangsheng,2.无泄漏磁力釜基本结构,构成,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,发展趋势：,特点：,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。,大

6、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 热能。,14Author:huangkangsheng,三、管式反应器的应用与分类,1.管式反应器在化工生产中的应用与分类,应用：,一般用于气相反应和气液相反应。,分类：,根据管道连接,方式不同,多管并联管式反应器,多管串联管式反应器,2.管式反应器的特点,长径比大（50100）；单位反应体积的传热面积大；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 保证； 返混小，在较高的流速下，管内流体流型接近于理想置换。,难点,15Author:huangkangsheng,四、管式反应器

7、的结构,1.常见管式反应器,2. 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、 连接管和机架等。,16Author:huangkangsheng,管式反应器的机架：,17Author:huangkangsheng,五、均相管式反应器的选择,1.反应器选择的依据,反应的特征：,反应器的特征：,生产要求：,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,反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。,18Author:huangkangsheng,2.均相反应器选择要考虑的方面,根据物料聚集状态选择。气相

8、：管式；液相：釜式,根据产量大小选择操作方式。,根据反应速率选择。,根据动力学特性选择。,19Author:huangkangsheng,3.均相化学反应举例,20Author:huangkangsheng,任务2 气固反应器的选择,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固反应器的类型。,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。,21Author:huangkangsheng,一、固定床反应器的特点与结构,1.固定床反应器的特点,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 都称为固定床反应器。,特点

9、：,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， 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。,缺点：传热控温困难；催化剂有效系数低；催化剂再生、 更换不方便；劳动强度大，对工人身体产生危害。,22Author:huangkangsheng,2.固定床反应器的类型与结构,2.1根据传热方式分：,绝热式固定床,换热式固定床,多段绝热式,单段绝热式,冷激式,中间间接换热式,对外换热式,自热式,23Author:huangkangsheng,2.2绝热式固定床反应器 反应器绝

10、热措施良好，无热量损失且与外界无热交换。,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。,特点：反应器结构简单，生产能力大。,适宜反应类型：,热效应不大，过程允许温度有较宽变动范围。,热效应较大，但对温度不敏感，或热效应虽 大，但反应速率非常快。,24Author:huangkangsheng,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。,B、甲醇在银或铜催化剂上用空气氧化制甲醛。,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。,25Author:huangkangsheng,多段绝热式：,反应一段，换热一段，

11、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。,工业应用实例：,A、SO2氧化、乙苯脱氢常用多段间接 换热式。,B、合成氨、CO和氢合成甲醇常用冷激式。,间接换热式,冷激式,26Author:huangkangsheng,2.3换热式固定床反应器 当反应热效应较大，为了维持适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。,对外换热式：,一般为列管式结构,合理选择载热体及其温度是 保持反应稳定进行的关键。,反应温度T300：熔盐,反应温度250300：低挥发性 导热油。,反应温度T240：高压热水。,如何选择 载热体？,27Author:huangkangsheng,A、列

12、管式固定床反应器工业应用实例：,高压热水作载热体,导热油作载热体,熔盐作载热体,乙烯氧化制环氧乙烷，乙 烯乙酰基氧化制醋酸乙烯。,丙烯氨氧化制丙烯腈,28Author:huangkangsheng,B、列管式固定床反应器的温度分布和热点温度的形成,热点：,轴向温度分布 及形成：,降低热点温度 减少轴向温差 的措施：,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 速率和移热速率。,原料气中带入微量抑制 剂，使部分催化剂毒化。,入口处附近放置一定高度惰性载体 稀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， 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,29Au

13、thor:huangkangsheng,自热式固定 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。,径向反应器：,30Author:huangkangsheng,任务2 气固反应器选择流化床反应器,一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点,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 质，称之为固体流态化。,优点：,缺点：,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； 流固相接触充分，传质、传热速率快；操作弹性宽，生产 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； 管道和容

14、器磨损严重；安装精度要求高。,31Author:huangkangsheng,2.流化床反应器的结构,组成：,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。,32Author:huangkangsheng,结构,气固分离装置,换热装置,内部构件,气体分布装置,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：预分布器和分布板。作用：均匀布气，保证良好而稳定的流态化 气体预分布器的结构型式：,33Author:huangkangsheng,(a)弯管式,（b）同心圆壳式,（c）帽式,(d)充填式 （e）开口式,气体分布板的结构型式,34Author:huang

15、kangsheng,（1）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,35Author:huangkangsheng,（2）侧流型分布板,(a)条型侧缝,（b）锥型侧缝,（c）锥型侧孔,（d）泡帽侧缝,泡帽侧缝、侧孔,换热装置：,36Author:huangkangsheng,气固分离装置：,37Author:huangkangsheng,二、流化床反应器的分类：,38Author:huangkangsheng,表6-1 流化床反应器的分类,39Author:huangkangsheng,三、气固相催化反应器的选择,1.选择依据： 一般从反应特点、反应热、工艺要求

16、、反应器特点、催化剂 性能等方面综合考虑。,2.选择举例：,40Author:huangkangsheng,任务3 气液相反应器的选择,技术理论： 化工中常用的气液相反应器鼓泡塔反应器、填料塔反应器、板式塔反应器和降膜反应器。,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的类型。,41Author:huangkangsheng,一、气液相反应器种类和工业应用,1.气液相反应的特点与应用,特点：,应用：,气液相反应：,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。 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

17、性、速率的影响。,42Author:huangkangsheng,2.气液相反应器的基本类型与特点,基本类型：,按气液相接触形态分,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。,液体以液滴状分散在气相中。 喷雾、喷射和文氏反应器。,液体以膜状运动与气相进行接触。 填料塔、降膜反应器,43Author:huangkangsheng,气液相 反应器 的特点 ：,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 ，效率低。,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。,板式塔：液体连续，气体分散，适用于快速及中速反

18、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 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 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， 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。,有机化合物的氧化反应、石蜡和芳烃的氯化反应、生物化学反应、污水处理曝气氧化、氨水碳化等。,催化热碱吸CO2、水吸收SO3HCl、NOx等,安装垂直度要求高，液体成膜且均匀分布。,44Author:huangkangsheng,二、鼓泡塔反应器结构,1.鼓泡塔反应器的分类及应用,