化工反應(yīng)設(shè)備

1、化工反應(yīng)設(shè)備第1頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第一節(jié) 概述反應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用 反應(yīng)設(shè)備 在化工生產(chǎn)過程中，為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件的裝置. 反應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用 * 通過對參加反應(yīng)的介質(zhì)的充分?jǐn)嚢?，使物料混合均勻?* 強(qiáng)化傳熱效果和相間傳質(zhì)； * 使氣體在液相中作均勻分散； * 使固體顆粒在液相中均勻懸?。?* 使不相容的另一液相均勻懸浮或充分乳化。第2頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二化學(xué)反應(yīng)通常要求適宜的反應(yīng)條件：例如：溫度、壓力、反應(yīng)物組成等特別是溫度條件較為重要溫度過低，反應(yīng)速度慢；溫度過高會使反應(yīng)失去控制，使副反應(yīng)增多，收率下降。但要維

2、持最適宜的溫度條件并不是一件容易的事，因為化學(xué)反應(yīng)一般均伴隨有熱效應(yīng)，必須采取有效的換熱措施，及時移出或加入熱量，才能維持既定的溫度水平。因此，反應(yīng)器內(nèi)的過程不僅具有化學(xué)反應(yīng)的特征，而且具有傳遞過程的特征。第3頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二除了考慮遵循化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)外，還必須考慮流體動力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)以及這些宏觀動力學(xué)因素對反應(yīng)的影響。只有綜合考慮反應(yīng)器內(nèi)流動、混合、傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)諸因素，才能做到反應(yīng)器的正確選型、合理設(shè)計、有效放大和最佳控制等。第4頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 按結(jié)構(gòu)型式分類，可分為釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、固

3、定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等。 1、釜式反應(yīng)器 釜 式反應(yīng)器也稱槽式、鍋式反應(yīng)器。 2、 管式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器主要用于氣相、液相、氣液相連續(xù)反應(yīng)過程，由單根(直管或盤管)連續(xù)或多根平行排列的管子組成，一般設(shè)有套管或殼管式換熱裝置。 第二節(jié) 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式及分類第5頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第6頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第7頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖 第8頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 3、塔式反應(yīng)器 鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖1分布格板；2夾套；3氣體分布器；4塔

4、體；5擋板；6塔外換熱器；7液體捕集器；8擴(kuò)大段第9頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 4、固定床反應(yīng)器 固定床板反應(yīng)器是指流體通過靜止不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。以氣- 固反應(yīng)的固定床反應(yīng)器最常見。 5、流化床反應(yīng)器 細(xì)小的固體顆粒具有像流體一樣自由流動的性質(zhì)，此種現(xiàn)象稱為固體的流態(tài)化。 把反應(yīng)器和在其中呈流態(tài)化的固體催化劑顆粒合在一起，成為流化床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器多用于氣- 固反應(yīng)過程。 第10頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二一、鼓泡式反應(yīng)器特點：氣相高度分散在液相中（持液量大、相際接觸面大、傳質(zhì)和傳熱效率高，適用于緩慢反

5、應(yīng)和大量放熱情況）；結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定，費用低。 缺點：氣相壓降較大。第三節(jié) 氣液相反應(yīng)器第11頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第12頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二1簡單鼓泡塔結(jié)構(gòu)見圖10一1(a)鼓泡塔為內(nèi)盛液體的空心圓筒，底部裝有氣體分布器，氣體通過分布器上小孔鼓泡進(jìn)入，液體可以間歇或連續(xù)加入反應(yīng)器，連續(xù)加入的液體可以和氣體并流或逆流（并流較為常見）。氣體在鼓泡塔中為分散相，液體為連續(xù)相。為了提高氣體分散程度，減少液體縱向循環(huán)，可以在反應(yīng)器中安置水平多孔隔板。吸收和反應(yīng)進(jìn)行時，往往有熱效應(yīng)。 第13頁，共57頁，2022年，5月20日，0點

6、50分，星期二當(dāng)熱效應(yīng)較小或設(shè)備尺寸不大時，采用設(shè)備外殼夾套即可滿足傳熱要求；在大型鼓泡塔中，進(jìn)行強(qiáng)放熱反應(yīng)時，除利用外殼夾套換熱外，還需要在反應(yīng)器內(nèi)加設(shè)蛇管，或采用器外換熱器，使反應(yīng)液體在反應(yīng)器和外部換熱器間循環(huán)，有時也可以利用反應(yīng)液體蒸發(fā)帶走熱量，簡單鼓泡塔中氣體空塔速度不超過10cms。氣速太高，反應(yīng)液中氣量增加，使反應(yīng)器處理的液體量減少，并可能引起液面及壓力脈動，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備振動。第14頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二簡單鼓泡塔結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，易于實現(xiàn)大型化，適宜于加壓操作。但在簡單鼓泡塔內(nèi)不能處理密度不均一的液體，例如懸濁液等。第15頁，共57頁，202

7、2年，5月20日，0點50分，星期二 2氣升管式鼓泡塔其結(jié)構(gòu)見圖101(b)在塔內(nèi)裝有一根或幾根氣升管，氣體由下部氣體分布器通入氣升管。氣升管中氣液混合物密度比環(huán)形空間中液體密度小得多，引起液體在環(huán)形空間和氣升管內(nèi)作循環(huán)流動，所以稱為氣升式鼓泡反應(yīng)器。氣體在氣升管內(nèi)最大速度為2ms，換算至整個塔截面空塔氣速其值小于1ms。液體循環(huán)速度可達(dá)12ms。氣液的攪動比簡單鼓泡塔激烈得多，因此，它能處理不均一的液體。有時把氣升管壁做成夾套式；內(nèi)通熱載體，使氣升管兼有換熱的作用。第16頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第17頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二二、

8、 具有攪拌器的槽式反應(yīng)器 主要包括攪拌罐、攪拌裝置、密封裝置 攪拌罐由罐體和傳熱裝置組成。作用是提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件。 攪拌裝置由攪拌器、攪拌軸、傳動裝置組成。傳動裝置又由電動機(jī)、減速器、聯(lián)軸器及機(jī)座等組成。 密封裝置防止罐內(nèi)介質(zhì)泄漏或外界空氣進(jìn)入罐內(nèi)。 第18頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第19頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二具有攪拌器的槽式反應(yīng)器在槽下部裝有攪拌器，主要作用是用于分散氣體，并使液體達(dá)到充分混合。槽式反應(yīng)器攪拌器型式很多，常用的有平槳、渦輪槳。其中尤以圓盤渦輪槳為最好。進(jìn)氣的方式可以是單管，放置在渦輪槳圓盤下方的中心處，并接

9、近槳翼。由于圓盤的存在，氣體不致短路而必須通過槳翼被槳翼所擊碎。氣量較大時，可采用環(huán)形多孔管分布器，環(huán)的直徑不大于槳翼直徑的80%，反應(yīng)器氣泡噴出后就能被轉(zhuǎn)動槳翼刮碎并卷到翼片后面的渦流中而被粉碎，同時被沿著半徑方向迅速甩出，碰壁后又折向攪拌器上下兩處循環(huán)旋轉(zhuǎn)。第20頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二氣液混合物在離槳翼不遠(yuǎn)處含氣量最高，傳質(zhì)速率也最快，反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)主要靠這局部區(qū)域。當(dāng)液層高度與槽直徑之比大于1.2以上時，反應(yīng)器一般需要兩層或多層槳翼，有時槳翼間還要安置多孔擋板。氣體在攪拌槽中的通過能力受液泛限制，超過液泛的氣體不能在液體中分散，它們只能沿槽壁縱向上升。液

10、體流量由化學(xué)反應(yīng)時間決定，攪拌槽中的氣泡由于浮力關(guān)系，其運動和液體并不完全相同。第21頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二液泛在逆流接觸的氣-液反應(yīng)器或傳質(zhì)分離設(shè)備中，氣體從下往上流動。當(dāng)氣體的流速增大至某一數(shù)值，液體被氣體阻攔不能向下流動，愈積愈多，最后從塔頂溢出，稱為液泛。 產(chǎn)生液泛時的氣體速度或連續(xù)相速度稱為液泛速度；這種操作狀態(tài)稱為液泛點。在設(shè)計設(shè)備時，必須使設(shè)備的操作不致發(fā)生液泛。第22頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第四節(jié) 氣固相固定床催化反應(yīng)器反應(yīng)物料呈氣態(tài)，通過由靜止的催化劑顆粒構(gòu)成的床層進(jìn)行反應(yīng)的裝置，稱為氣固相固定床催化反應(yīng)器，簡

11、稱固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式，主要是為了適應(yīng)不同的傳熱要求和傳熱方式，可分為絕熱式和換熱式。第23頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 一、絕熱式 絕熱式又可分為單段絕熱式和多段絕熱式。單段絕熱式反應(yīng)器一般為一高徑比不大的圓筒體，內(nèi)部無換熱構(gòu)件，只在圓筒體下部裝有柵板等構(gòu)件，其上面均勻堆置催化劑。反應(yīng)氣體預(yù)熱到適當(dāng)溫度，從圓筒體上部通入，經(jīng)過氣體預(yù)分布裝置，均勻通過床層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后氣體經(jīng)下部引出，如圖103所示。第24頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第25頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二一段反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖第26

12、頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二絕熱式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、反應(yīng)器內(nèi)體積得到充分利用。但只適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較小、反應(yīng)溫度允許波動范圍較寬、單程轉(zhuǎn)化率較低的場合。如乙苯脫氫制苯乙烯、乙烯水合制乙醇，工業(yè)上采用單段絕熱式反應(yīng)器。第27頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二多段絕熱式在段間進(jìn)行反應(yīng)物料的換熱，根據(jù)換熱要求，可以在反應(yīng)器外另設(shè)換熱器，也可以在反應(yīng)器段間設(shè)置換熱構(gòu)件，在段間用噴水或補(bǔ)充原料氣等的直接換熱方法，此稱之為冷激式。多段絕熱各種換熱方式的反應(yīng)器示意圖見圖104。在基本有機(jī)化工中，如環(huán)己醇脫氫制環(huán)己酮，換熱要求不高，故采用段間設(shè)換熱構(gòu)件

13、的多段絕熱式反應(yīng)器。一氧化碳和氫合成甲醇采用多段絕熱式反應(yīng)器時，在段間通原料氣進(jìn)行急冷。第28頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第29頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第30頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 二、換熱式 當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大時，為了維持適宜的溫度條件，必須利用換熱介質(zhì)來移走或供給熱量。按換熱介質(zhì)的不同，又可分為對外換熱式和自身換熱式。 1對外換熱式 以各種載熱體為換熱介質(zhì)，稱為對外換熱式?；居袡C(jī)化工中應(yīng)用最多的是換熱條件較好的列管式反應(yīng)器。其結(jié)構(gòu)類似管殼式熱交換器。通常在管內(nèi)充填催化劑，反應(yīng)氣體自上而下通過催化劑

14、床層進(jìn)行反應(yīng)。管間通載熱體，管徑一般為2050mm。列管管徑的選擇與反應(yīng)熱效應(yīng)有關(guān)。熱效應(yīng)愈大，為使徑向溫度比較均勻，就應(yīng)采用較小的管徑。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，列管數(shù)可從數(shù)百根到數(shù)千根。 第31頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第32頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二為使氣體在各管內(nèi)分布均勻，以達(dá)到反應(yīng)所需停留時間和溫度條件，催化劑的填充十分重要。必須做到填充均勻，各管阻力力求相等。為了減少流動壓降，催化劑粒徑不宜過小，一般在26mm左右。載熱體可以根據(jù)反應(yīng)溫度范圍進(jìn)行選擇。常用的有：冷卻水、加壓水(373573K)、導(dǎo)生液(聯(lián)苯和二苯醚混合物473623K

15、)、熔鹽(如硝酸鈉、硝酸鉀和亞硝酸鈉混合物，573773K)、煙道氣 (873973K)等。載熱體溫度與反應(yīng)溫度之差不宜太大，以免造成靠近管壁的催化劑過冷或過熱，過冷時，催化劑不能充分發(fā)揮作用；過熱時，可能使催化劑失活。載熱體必須循環(huán)，以增強(qiáng)傳熱效果。第33頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二采用不同載熱體和載熱體循環(huán)方式的列管式固定床反應(yīng)器如圖10一5所示。圖10一5(a)為沸騰式，其特點是整個反應(yīng)器內(nèi)載熱體溫度基本恒定。例如乙炔與氯化氫合成氯乙烯，采用沸騰水為載熱體，反應(yīng)熱使沸騰水部分汽化，分離出蒸汽后，冷凝液補(bǔ)加部分軟水循環(huán)使用。第34頁，共57頁，2022年，5月2

16、0日，0點50分，星期二第35頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二圖10一5(b)為內(nèi)部循環(huán)式，例如生產(chǎn)丙烯腈和苯酐的反應(yīng)器，以熔鹽為載熱體，用旋槳式攪拌器強(qiáng)制熔鹽循環(huán)，并使熔鹽吸收的熱量傳遞給水冷換熱構(gòu)件，設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。第36頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第37頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二圖105C為外部循環(huán)式，例如乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，以導(dǎo)生液為載熱體，用泵進(jìn)行外部強(qiáng)制循環(huán)。第38頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 2自身換熱式在反應(yīng)器內(nèi)，以原料氣為換熱介質(zhì)，通過管壁與反應(yīng)物料換熱，以維持反應(yīng)

17、溫度的反應(yīng)器稱之為自身換熱式。一般都用于熱效應(yīng)不太大的高壓反應(yīng)。既能做到熱量自給，又不需另設(shè)高壓換熱設(shè)備。主要用于合成氨和甲醇的生產(chǎn)。第39頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二固定床反應(yīng)器發(fā)展了徑向反應(yīng)器。工業(yè)上甲苯歧化制苯和二甲苯就采用徑向反應(yīng)器。徑向反應(yīng)器中的流體流動如圖10一6所示。徑向反應(yīng)器氣體流通路徑短、壓降小、可使用小顆粒催化劑等優(yōu)于傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器的技術(shù)特征，在苯乙烯、催化重整、芳烴異構(gòu)和歧化等領(lǐng)域上被廣泛應(yīng)用，但技術(shù)十分復(fù)雜。第40頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第41頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二3.2汽油

18、加氫反應(yīng)器典型汽油加氫反應(yīng)器的情況介紹反應(yīng)器類型常用的反應(yīng)設(shè)備主要有固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器和攪拌反應(yīng)器，典型汽油加氫反應(yīng)器均為固定床反應(yīng)器，主要類型特征見表3-9。固定床反應(yīng)器多用于大規(guī)模氣相反應(yīng)，參加反應(yīng)的氣體通過靜止的催化劑進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)流體的組成沿流動方向而變化，在與流動垂直的方向上組成也可能由于溫度梯度而變化。第42頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二表3-9 典型汽油加氫反應(yīng)器的類型特征名稱傳熱特點結(jié)構(gòu)型式集聚狀態(tài)操作方式一段反應(yīng)器絕熱型單層固定床氣固液非均相連續(xù)式二段反應(yīng)器絕熱型單層固定床氣液固非均相連續(xù)式第43頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50

19、分，星期二廣石化化工一部汽油加氫反應(yīng)器第44頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第五節(jié) 流化床反應(yīng)器不同的反應(yīng)過程采用的流化床反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)各有差異。我們以丙烯氨氧化流化床反應(yīng)器為示例。原料混合氣以一定速度通過底部氣流分布板而急劇上升時，將反應(yīng)器床層上堆積的固體催化劑細(xì)粒強(qiáng)烈攪動，上下浮沉，看起來非常像沸騰的液體，故稱之為沸騰床，如圖107所示。第45頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第46頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 流化床的下部為濃相段，化學(xué)反應(yīng)主要在此段進(jìn)行。在濃相段中裝有冷卻水管和導(dǎo)向擋板。冷卻水管是為了控制反應(yīng)溫度，

20、回收反應(yīng)熱。導(dǎo)向擋板是為了改善氣固接觸條件。 上部為稀相段。在稀相段也裝有冷卻水管，目的是將反應(yīng)溫度降至規(guī)定的溫度以下，以便中止反應(yīng)。稀相段之上為擴(kuò)大段。擴(kuò)大段內(nèi)裝有內(nèi)旋風(fēng)分離器，以分離并回收被反應(yīng)氣夾帶的催化劑細(xì)粒。第47頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二流化床反應(yīng)器比較適用于下述過程：熱效應(yīng)很大的放熱或吸收過程；要求有均一的催化劑溫度和需要精確控制溫度的反應(yīng)；催化劑壽命比較短，操作較短時間就需要更換(或活化)的反應(yīng)；有爆炸危險的反應(yīng)，某些能夠比較安全地在高濃度下操作的氧化反應(yīng)，可以提高生產(chǎn)能力，減少分離和精制的負(fù)擔(dān)。流化床反應(yīng)器一般不適用如下情況：要求高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)；

21、要求催化劑層有溫度分布的反應(yīng)。第48頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二第六節(jié) 管式裂解爐管式加熱爐 烴類進(jìn)行裂解反應(yīng)的設(shè)備稱為裂解爐。 由于管式爐設(shè)備有比較簡單，連續(xù)操作，動力消耗小，裂解氣質(zhì)量好以及便于大型化等優(yōu)點，因此已被廣泛應(yīng)用于烯烴生產(chǎn)(乙烯和丙烯)。是國內(nèi)外烯烴工業(yè)生產(chǎn)裝置中最成熟、最實用和操作較穩(wěn)定的裝置。第49頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二管式爐的爐型種類很多，分類的方法也很多。按爐型分類，有方箱式爐、立式爐、梯臺爐、門式爐等。按爐管布置方式分類，有水平管式和垂直管式(或稱橫管式和豎管式)。按燃燒方式分類，有直焰式和無焰輻射式等。第50頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二方箱式爐第51頁，共57頁，2022年，5月20日，0點50分，星期二 管式爐系由輻射室和對流室兩部分組成，燃料燃燒所在區(qū)域稱輻射室。輻射室和對流室均裝有爐管，爐管材質(zhì)按溫度進(jìn)行選擇。高溫段(1173937K)采用Cr23Nil8合金鋼，中溫段(973773K)采用Cr5