反應(yīng)器講義的學(xué)習(xí)資料

反應(yīng)器講義的學(xué)習(xí)資料第1頁/共39頁概述化工過程：一個(gè)特定的化工產(chǎn)品,從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)后處理產(chǎn)品化學(xué)反應(yīng)這一步是化工過程的核心，起著主導(dǎo)作用，它的要求和結(jié)果決定著預(yù)處理的程度和后處理的難度?；瘜W(xué)反應(yīng)器的定義：用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是化工企業(yè)的關(guān)鍵裝置。開始課程之前，請大家談一談自己對反應(yīng)器的直觀和感觀上的了解第2頁/共39頁對反應(yīng)器的要求1反應(yīng)器要有足夠的體積2反應(yīng)器要有適宜的結(jié)構(gòu)4反應(yīng)器要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力3反應(yīng)器要有足夠的傳熱面積5反應(yīng)器要易操作、易制造、易安裝、

易維修第3頁/共39頁均相反應(yīng)器：氣相（石油氣裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反應(yīng)）非均相反應(yīng)器：氣液相（乙烯和苯反應(yīng)生成乙苯）氣固相、液固相液液相、固固相氣液固三相按物料的聚集狀態(tài)一、化學(xué)反應(yīng)器的分類什么叫均相？什么叫非均相？舉例說明第4頁/共39頁按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器第5頁/共39頁間歇操作反應(yīng)器反應(yīng)器按操作方式連續(xù)操作反應(yīng)器第6頁/共39頁第7頁/共39頁第8頁/共39頁第9頁/共39頁電機(jī)電機(jī)：三相異步電機(jī)。試問我們使用的額定電壓是多少？頻率是多少？電機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少？減速機(jī)第10頁/共39頁電機(jī)電機(jī)：三相異步電機(jī)。在我國，使用的電的頻率為50Hz電機(jī)的額定電壓為380V？如果是同步電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是50Hz*60s/min/磁極對數(shù)=3000/磁極對數(shù)轉(zhuǎn)/min。

因?yàn)槭钱惒诫姍C(jī)，所以電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/min。減速機(jī)為什么電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為1440r/min；而攪拌轉(zhuǎn)速只有不到100r/min？我們通過什么方式降低攪拌轉(zhuǎn)速？第11頁/共39頁減速機(jī)：減速機(jī)是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)意義上利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)減速機(jī)變頻器攪拌轉(zhuǎn)速=電頻率×60（1+轉(zhuǎn)速差率）×電極對數(shù)×減速比電頻率：可以用變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速差率：設(shè)備固有的（不可能改變）電極對數(shù)：自然數(shù)，電機(jī)固有數(shù)（不可能改變）減速比：減速機(jī)固有數(shù)，（也有可變減速比的減速機(jī)）。能通過調(diào)節(jié)變頻器，使攪拌轉(zhuǎn)速提高嗎？第12頁/共39頁溫度計(jì)套管溫度計(jì)套管一般安裝在垂直的手孔（為什么？），常用的溫度計(jì)有玻璃溫度計(jì)，雙金屬溫度計(jì)，熱電偶、電阻溫度計(jì)、紅外感應(yīng)溫度計(jì)等。1）玻璃溫度計(jì)使用時(shí)，應(yīng)防止水銀球破裂。一旦破裂，灑出的水銀應(yīng)用硫粉覆蓋。

2）雙金屬溫度計(jì)：是利用不同金屬加熱時(shí)，形變不一樣來測量溫度。所以需要有一個(gè)固定的受熱長度。第13頁/共39頁釜式反應(yīng)器的攪拌器攪拌目的使物料混和均勻,強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)。包括均相液體混合；液-液分散；氣-液分散；固-液分散；結(jié)晶；固體溶解；強(qiáng)化傳熱等換熱裝置第14頁/共39頁反應(yīng)釜材質(zhì)一般有內(nèi)壁襯搪瓷、碳鋼、白鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾）合金及其它復(fù)合材料。三、反應(yīng)釜的材質(zhì)：

搪瓷釜：搪玻璃設(shè)備是將含硅量高的資釉噴涂于金屬鐵胎表面，通過900℃左右的高溫焙燒，使瓷釉密著于金屬鐵胎表面而制成。因此，它具有類似玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和金屬強(qiáng)度的雙重優(yōu)點(diǎn)。對于各種濃度的無機(jī)酸、有機(jī)酸、有機(jī)溶劑及弱堿等介質(zhì)均有極強(qiáng)的抗腐性。但對于強(qiáng)堿、氫氟酸及含氟離子介質(zhì)以及溫度大于180℃，濃度大于30%的磷酸等不適用。

使用壓力：搪瓷釜夾套一般不超5個(gè)壓力,夾套的設(shè)計(jì)壓力為-0.1，內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為0.3碳鋼在中性或堿性條件下使用白鋼在堿性和弱酸性條件下使用白鋼和碳鋼中的鐵與氯離子易形成絡(luò)合物，所以在氯離子的存在的條件下，極易被腐蝕。第15頁/共39頁固定床反應(yīng)器第16頁/共39頁自熱式固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器第17頁/共39頁流態(tài)化的形成流化床反應(yīng)器第18頁/共39頁流態(tài)化的形成第19頁/共39頁流化床反應(yīng)器（二）散式流化和聚式流化第20頁/共39頁（三）流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)流化床反應(yīng)器1-加料口2-氣固分離裝置3-殼體4-換熱器5-內(nèi)部構(gòu)件6-卸料口7-氣體分布裝置第21頁/共39頁（四）流化床反應(yīng)器的床型流化床反應(yīng)器第22頁/共39頁流化床反應(yīng)器第23頁/共39頁四、微通道反應(yīng)器下面我以顏料的重氮偶合反應(yīng)作例子，設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)的微通道反應(yīng)器。加以說明。如下圖：

外套降溫管外設(shè)控溫系統(tǒng)此部分詳細(xì)的資料見郵箱附件第24頁/共39頁三通混合元件第25頁/共39頁管式反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)主要用于氣固相反應(yīng)由一根或多根管子串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的反應(yīng)器，長度與直徑之比一般大于５０～１００。第26頁/共39頁幾種典型甲醇合成塔一：三套管并流合成塔如圖所示：就結(jié)構(gòu)來說，分成外筒和內(nèi)件兩部分組成，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)簡單說明。1.外筒外筒是一個(gè)多層卷焊或鍛造的高壓圓筒1，最高操作壓力為32MPa,筒體內(nèi)徑為￠800~1000mm左右，高達(dá)12~I4m。2.內(nèi)件圖8-16所示的內(nèi)件上部為催化劑筐2，框的中心管19內(nèi)，垂直懸掛了電加熱器4，下部為熱交換器3，中間為分氣盒21。催化劑筐由合金鋼板(或低碳鋼、純鐵)焊接而成，外包石棉(或玻璃纖維）保溫。催化劑筐下部與熱交換器3之間采用了活動的端面密封連接，但主要并不依靠螺栓的力量，而是由催化劑筐的重力保證了兩個(gè)錐面間緊密結(jié)合。催化劑筐中心管中的電加熱器4,系由8mm--10mm直徑鎳鉻合金制成的電熱絲和瓷絕緣子等組成。第27頁/共39頁

這種塔型是由雙管并流式稍加改進(jìn)而成，顯而易見，將內(nèi)冷管抽去襯管，取消了氣體不流動層，即是長期習(xí)用的雙套管并流合成塔，但改為三套管并流內(nèi)件后，催化劑層的溫度分布得到了較好的改善，熱點(diǎn)較雙套管并流上移，有利于提高凈值和催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度，在高負(fù)荷下操作穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是由于冷管傳熱能力強(qiáng)，在催化劑還原時(shí)，下層溫度不易提高。長期生產(chǎn)證明，這種內(nèi)件結(jié)構(gòu)比較簡單，技術(shù)成熟，操作穩(wěn)定可靠。但從氣體并流換熱的特點(diǎn)出發(fā)，能起冷管作用的僅是外管，而內(nèi)管只擔(dān)負(fù)了輸送氣體的任務(wù)。如果能有幾根總管輸送氣休、則不再需要內(nèi)管了，這樣，外管的直徑可以縮小，既節(jié)省了管材，又可以多裝一部分催化劑。這就成了單管并流合成塔。三套管并流合成塔優(yōu)缺點(diǎn)第28頁/共39頁(二)單管并流合成塔

單管并流冷管的結(jié)構(gòu)基本上有兩種型式，一種是取消了分氣盒，出熱交換器的氣體，直接由輸氣總管引至催化劑層的上部，然后在冷管內(nèi)由上而下經(jīng)過催化劑層，進(jìn)入中心管，一種是仍采用分氣盒。如圖8-18所示的冷管結(jié)構(gòu)，當(dāng)氣體出熱交換器后，進(jìn)入分氣盒的下室，由輸氣總管送至催化劑層上部之環(huán)形分布管4內(nèi)，因?yàn)檩敋饪偣芨鶖?shù)很少，傳熱面積很小，所以氣體溫升并不顯著。然后，氣體由環(huán)管分配至密布的許多根冷管2，由上而下通過催化劑層，根據(jù)催化劑層溫度理想狀況分布的需要，接受了催化劑層內(nèi)的反應(yīng)熱，而后進(jìn)入分氣盒的上室，再進(jìn)入中心管。第29頁/共39頁

(三）1.C.1.四段冷激式合成塔

冷管式甲醇合成塔多用于高壓法小型合成塔，甲醇合成裝置大型化后，均為單系列機(jī)組，為保證長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，要求結(jié)構(gòu)簡單可靠，采用多段冷激式。

I.C.I.公司針對51-1型銅基催化劑的空時(shí)產(chǎn)率不很高，催化劑用量較大，反應(yīng)溫度范圍較窄，又易超溫的特點(diǎn)，成功地研究出了帶有菱形分布器的四段冷激式合成塔，其結(jié)構(gòu)簡單，與高壓法合成塔相比，具有以下特點(diǎn):(l.)塔內(nèi)不要催化劑筐內(nèi)件，免除為吊裝催化劑筐而設(shè)置的框架和重型吊車;(2)塔內(nèi)不設(shè)置電加熱器和換熱器，可充分利用高壓空間，(3)塔內(nèi)壓力降小;(4)塔內(nèi)催化劑裝卸既方便又迅速。

第30頁/共39頁(四)三菱瓦斯的四段冷激式合成塔

常見的冷激分布器分為兩類:一類是催化劑不分層，催化劑層內(nèi)直接埋設(shè)冷激分布器，如上述I.G.I合成塔。另一類是催化劑分層，在層間設(shè)冷激分布器。由于前一類整個(gè)催化劑是連續(xù)的，高壓空間利用較充分，裝卸催化劑較方便，但氣體分布均勻性較后者差些。后一類整個(gè)催化床是間斷的，氣體分布容易均勻，但結(jié)構(gòu)較前者復(fù)雜，裝卸催化劑較麻煩，且占了一定高壓空間，減少了催化劑裝量。無論哪種型式的氣體分布器，為了使氣體分布、混合均勻，設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面，首先是冷激氣通過冷激管上小孔時(shí)，使冷氣分布均勻，其次應(yīng)有足夠的空間和重分布裝置，使冷激氣體得到良好的混合，然后進(jìn)入下一層催化劑。第31頁/共39頁(五)多段徑向甲醇合成塔日本TEC公司(TogoEngineeringCorporation的簡稱)開發(fā)了一種新的甲醇合成反應(yīng)器，它是多段、間接冷卻、徑向流動反應(yīng)器，簡稱MRF反應(yīng)器，如圖8-23所示。MRF反應(yīng)器由外筒、催化劑筐以及許多垂直的沸水管，即反應(yīng)器的冷管所組成，冷管埋于催化劑層中，合成氣由中心管進(jìn)入，然后徑向流動通過催化劑層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體匯集于環(huán)形空間，由上部出口。冷管吸收反應(yīng)放出的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?，根?jù)反應(yīng)的放熱速率及移熱速率，合理地選擇冷管的數(shù)量和間距，則反應(yīng)過程能按最佳溫度線進(jìn)行。第32頁/共39頁六)Lurgi式甲醇合成塔Lurgi式甲醇合成塔的優(yōu)點(diǎn)在流程部分已提到過，合成塔既是反應(yīng)器又是廢熱鍋爐，合成甲醇所產(chǎn)生的反應(yīng)熱由管外的沸騰水帶走，管外沸騰水與鍋爐汽包維持自然循環(huán)，汽包上裝有壓力控制器，以維持恒定的壓力，因此管外沸水溫度是恒定的，于是管內(nèi)催化層的溫度也幾乎是恒定的。溫度恒定的好處一是有效地抑制了副反應(yīng)，二是催化劑壽命長，由于溫度比較恒定，因此當(dāng)操作條件發(fā)生變化時(shí)(如循環(huán)機(jī)故障等)，催化劑也沒有超溫危險(xiǎn)，仍可安全運(yùn)轉(zhuǎn)。利用反應(yīng)熱產(chǎn)生的中壓蒸汽4.5--5MPa,經(jīng)過熱后可帶動透平壓縮機(jī)(即甲醇合成氣壓縮機(jī)及循環(huán)氣壓縮機(jī))，壓縮機(jī)用過的低壓蒸汽又送至甲醇精制部分使用，因此整個(gè)系統(tǒng)熱的利用很好。第33頁/共39頁七)改進(jìn)的Lurgi式甲醇合成塔日本的MHI和MGC兩公司聯(lián)合開發(fā)了超大型反應(yīng)器，如圖8-26所示。這是一個(gè)垂直的簡單的雙套管換熱器，催化劑裝在內(nèi)管和外管之間，沸水則在管殼間循環(huán)，原料氣從下面進(jìn)入內(nèi)管，被加熱后的氣體進(jìn)入催化床，反應(yīng)器被外面的沸水冷卻，同時(shí)被里面的氣體冷卻，催化床的溫度在進(jìn)口處較高而近出口處較低，這就有可能使操作溫度接近最佳溫度線。該反應(yīng)器與Lurgi式反應(yīng)器類似，不同點(diǎn)僅在催化管內(nèi)設(shè)置氣體內(nèi)冷管，是單管逆流與Lurgi式的混合結(jié)構(gòu)。該反應(yīng)器的特點(diǎn)是(1）單程轉(zhuǎn)化率高，例如在5000h-1空速，8MP壓力下可得14%的出口甲醇濃度，(2)能量回收好，每噸甲醇可產(chǎn)生1噸≥(4MPa）壓力的蒸汽，（3)氣體在反應(yīng)器內(nèi)預(yù)熱相當(dāng)于一個(gè)換熱器。第34頁/共39頁絕熱－管殼復(fù)合型甲醇合成反應(yīng)器

華東理工大學(xué)在“九五”期間研發(fā)了“絕熱－管殼復(fù)合型”甲醇合成反應(yīng)器，并成功用于兗礦魯南化肥廠年產(chǎn)10萬噸低壓甲醇合成裝置上，形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，便于制造，能量利用率高，操作控制簡捷。二：甲醇反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)1、催化劑床層基本均溫控制，催化劑使用壽命長．兗礦魯南化肥廠第一次裝填的催化劑使用周期達(dá)三年零一個(gè)月．現(xiàn)在我們裝填的第一爐催化劑已經(jīng)運(yùn)行了一年半，現(xiàn)在催化劑床層熱點(diǎn)溫度仍控制在241℃，預(yù)計(jì)再正常運(yùn)行一年沒問題．

2、對反應(yīng)器進(jìn)口溫度和組成適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大．進(jìn)口溫度控制在195～225℃，完全適應(yīng)催化劑各個(gè)活性階段的生產(chǎn)需要．進(jìn)口氣體組份范圍較寬，CO含量根據(jù)催化劑活性的不同，可以控制在8％～15％之內(nèi)．

3、高壓空間催化劑填充系數(shù)高；全塔阻力≦0.15MPa。我公司運(yùn)行一年半以來，現(xiàn)合成塔阻力為0.05MPa．

第35頁/共39頁4、催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度大；催化劑利用系數(shù)最高：12.1噸甲醇/