化學(xué)反應(yīng)原理與設(shè)備-模塊三

1、模塊三、管式反應(yīng)器,目標(biāo)要求： 了解管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及工業(yè)應(yīng)用。 掌握連續(xù)操作管式反應(yīng)器的基本工藝計(jì)算。 能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征正確優(yōu)化選擇 反應(yīng)器的型式和操作方式。 能夠熟練的進(jìn)行管式反應(yīng)器的實(shí)際操作。,項(xiàng)目一、管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),管式反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中應(yīng)用較多的一種連續(xù)操作反應(yīng)器。管式反應(yīng)器的主要特點(diǎn)是：比表面積大，容積小，返混少，且能承受較高的壓力，反應(yīng)操作易于控制；但反應(yīng)器的壓降較大，動(dòng)力消耗大。管式反應(yīng)器一般可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應(yīng)過程。,在化工生產(chǎn)中，常常把反應(yīng)器長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其直徑即高徑比大于100的一類反應(yīng)器，統(tǒng)稱為管式反應(yīng)器。,管式反應(yīng)器

2、的基本結(jié)構(gòu),基本結(jié)構(gòu),盤管式反應(yīng)器,立管式反應(yīng)器,水平管式反應(yīng)器,U形管式反應(yīng)器,管式反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu),傳熱方式,套管傳熱,套筒傳熱,短路電流加熱,煙道氣加熱,項(xiàng)目一、管式反應(yīng)器的計(jì)算,生產(chǎn)中細(xì)長(zhǎng)型的連續(xù)操作管式流動(dòng)反應(yīng)器可近似地看成理想置換反應(yīng)器，簡(jiǎn)稱PFR。即理想連續(xù)操作管式反應(yīng)器。,特征：同一截面上不同徑向位置的流體特性（T，CA） 是一致的。所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間相同, 即無返混.操作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的狀態(tài)只隨軸向位置變，不隨時(shí)間變,反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)屬于平推流。,即各點(diǎn)物料濃度、溫度和反應(yīng)速度沿流動(dòng)方向而發(fā)生改變。而在與流動(dòng)方向相垂直的方向上混合均勻,衡算范圍：,方程:,PFR基本

3、方程,衡算對(duì)象：,進(jìn)人 離開 轉(zhuǎn)化掉 = 累積量,物料衡算,反應(yīng)物A,單位時(shí)間t,單位反應(yīng)器體積V即：dt、dv,PFR基本方程,因?yàn)椋?所以：,反應(yīng)器的有效體積：,反應(yīng)器的空時(shí)：,等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,等溫等容,解析法: 一級(jí)反應(yīng): 二級(jí)反應(yīng):,基本方程：,等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,等溫等容,圖解法：動(dòng)力學(xué)方程無法用函數(shù)表達(dá),【例3-1】 某工廠用連續(xù)操作管式反應(yīng)器生產(chǎn)醇酸樹脂，反應(yīng)物己二酸與己二醇投料比為等摩爾比，用硫酸作為催化劑，在343K下進(jìn)行縮聚反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得動(dòng)力學(xué)方程式為 k=3.28310-5m3/(kmol.s)己二酸的初始濃度 kmol/ m3若每天處理2400kg己二酸，試計(jì)算

4、轉(zhuǎn)化率為0.9時(shí)所需空間時(shí)間和反應(yīng)器體積？（已知己二酸分子量M=146）,解：對(duì)于二級(jí)反應(yīng),物料的處理量：,反應(yīng)器體積：,等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,等溫變?nèi)?對(duì)于變?nèi)莘磻?yīng)：,在PFR中于923K等溫等壓下進(jìn)行丁烯脫氫生產(chǎn)丁二烯反應(yīng)。 反應(yīng)速率方程為 kmol/(m3.h)，其中速率常數(shù)k=1.07910-4kmol/(h.m3.Pa)。原料氣為丁烯與水蒸汽混合物，丁烯的摩爾分?jǐn)?shù)為10%。若要求丁烯的轉(zhuǎn)化率為35%，空間時(shí)間為多少？,【例3-4】,解：方程式為 C4H8（A）C4H6+H2 變?nèi)莘磻?yīng),膨脹因子,由理想氣體狀態(tài)方程得：,代入數(shù)據(jù)得：,變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,基本方程,熱量衡算：?jiǎn)挝粫r(shí)間、

5、單位體積、基準(zhǔn)溫度Tb=0,進(jìn)入反應(yīng)器的物料帶入的熱量：,反應(yīng)器內(nèi)的物料和外界交換的熱量：,反應(yīng)器內(nèi)累積的熱量：0,發(fā)生反應(yīng)的熱效應(yīng)熱量：,離開反應(yīng)器的物料帶出的熱量：,變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,基本方程,一般情況下：由于衡算范圍是單位體積,，,物衡:,變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,絕熱管式反應(yīng)器,絕熱操作即與外界沒有熱交換。則：,積分得：,令：,則：,變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,絕熱管式反應(yīng)器,絕熱過程中溫度和轉(zhuǎn)化率呈線性關(guān)系。 的含義為反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化率達(dá)100時(shí)，反應(yīng)體系升高或降低的溫度，簡(jiǎn)稱絕熱升溫或絕熱降溫。它是體系溫度可能上升或下降的極限,PFR：不同軸向位置上溫度與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系 BR： 不同時(shí)間下

6、反應(yīng)物料的轉(zhuǎn)化率溫度的關(guān)系 CSTR：無論與外界是否存在熱交換，均為等溫反應(yīng)，所以它反映的是絕熱條件下與連續(xù)操作釜式反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率相對(duì)應(yīng)的操作溫度。,變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算,非絕熱非等溫管式反應(yīng)器,式中：微元體積,微元面積,；,影響,物理過程 （流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱）,影響,空間和時(shí)間上的 濃度和溫度分布,影響,對(duì)于某個(gè)具體反應(yīng)，選擇反應(yīng)器型式、操作條件、操作方式主要考慮化學(xué)反應(yīng)本身的特征和反應(yīng)器特征，最終選擇的依據(jù)將取決于所有過程的經(jīng)濟(jì)性。即生產(chǎn)能力和選擇性,項(xiàng)目三 反應(yīng)器的選型及優(yōu)化,影響,反應(yīng)器型式,化學(xué)反應(yīng)過程 （動(dòng)力學(xué)特性）,反應(yīng) 體系,過程的 經(jīng)濟(jì)性,反應(yīng)器 的大小,產(chǎn)物分布 （選

7、擇性、收率等）,項(xiàng)目三 反應(yīng)器的選型及優(yōu)化,1.正常動(dòng)力學(xué),達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率時(shí)：PFRn-CSTRCSTR,反應(yīng)生產(chǎn)能力的比較,反應(yīng)生產(chǎn)能力的比較,原因：,反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)器濃度CA： PFRn-CSTRCSTR,3.6-1,容積效率：是指在相同的生產(chǎn)條件下達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率時(shí)，PFR與CSTR有效體積的比值。,恒溫恒容：,反應(yīng)生產(chǎn)能力的比較,單個(gè)反應(yīng)器,CSTR:,PFR:,零級(jí)反應(yīng)：,一級(jí)反應(yīng)：,二級(jí)反應(yīng)：,1、n0：xA相同,則VPFRVCSTR vR相同時(shí)則X（PFR）X（CSTR） 2、當(dāng)xA低時(shí)VPFR/VCSTR1 當(dāng)xA高時(shí)VPFR/VCSTR 隨xA,返混的影響 即過程要求的轉(zhuǎn)化率

8、越高，返混的影響越大 3、 xA一定時(shí)：n VPFR/VCSTR 0級(jí)反應(yīng),流動(dòng)狀況無影響.,反應(yīng)生產(chǎn)能力的比較,單個(gè)反應(yīng)器,結(jié)論：（ 圖3-8）,所以：級(jí)數(shù)越高,轉(zhuǎn)化率越高PFR,反應(yīng)生產(chǎn)能力的比較,多釜串聯(lián)釜式反應(yīng)器,一級(jí)反應(yīng)：,結(jié)論： 1、當(dāng)串聯(lián)操作段數(shù)N時(shí)，1，此時(shí) n-CSTR相當(dāng)于理想連續(xù)操作管式流動(dòng) 反應(yīng)器； 2、當(dāng)N1時(shí)，最小，此時(shí)n-CSTR相當(dāng)于 連續(xù)操作釜式反應(yīng)器。 3、隨著N增大，也增大，但增大的速度逐 漸緩慢， 因此通常取串聯(lián)的釜數(shù)為4或者小于4,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,模塊一中選擇性的定義知：,在反應(yīng)器內(nèi)，目的產(chǎn)物R的選擇性為：,若只是為了比較反應(yīng)過程中主付反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)

9、，可以用比選擇性的概念：即,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,平行反應(yīng),反應(yīng)為一種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,動(dòng)力學(xué)方程式：,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,反應(yīng)為一種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,平行反應(yīng),比選擇性：,濃度的影響：,當(dāng)a1a2時(shí)，若要比選擇性則CA 適宜于采用PFR， 其次則采用BR或n-CSTR,當(dāng)a1a2時(shí)，若要比選擇性則CA 適宜于采用CSTR,當(dāng)a1=a2時(shí)，比選擇性為常數(shù)，與CA 無關(guān),結(jié)論：增加反應(yīng)物濃度，對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)高的反應(yīng)有利,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,反應(yīng)為一種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,平行反應(yīng),比選擇性：,溫度的影響：,結(jié)論：升高溫度，總是對(duì)活化能大的反應(yīng)有利。若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)

10、升高溫度。反之，則應(yīng)降低溫度。,增大,減小,T升高,增大,減小,【例3-5】 有一分解反應(yīng),在一連續(xù)流動(dòng)的管式反應(yīng)器進(jìn)行。其中cA0=4.0mol/L, cR0= cS0=0物料的體積流量為5.0L/min，求轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，反應(yīng)器的體積為多少。目的產(chǎn)物R的比選擇性為多少。,解：反應(yīng)釜的空時(shí)為：,該分解反應(yīng)為一復(fù)雜反應(yīng)，反應(yīng)物A 的動(dòng)力學(xué)方程式為：,反應(yīng)釜的有效體積為：,產(chǎn)物R的比選擇性：,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,平行反應(yīng),反應(yīng)為兩種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,動(dòng)力學(xué)方程式：,操作示意圖（間歇操作）,先把A全部加入，然后緩慢加入B,緩慢加入A和B,瞬間加入所有的A和B,加料方法,對(duì)濃度的要求,

11、動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,平行反應(yīng),反應(yīng)為兩種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,比選擇性：,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,平行反應(yīng),反應(yīng)為兩種反應(yīng)物，反應(yīng)后生成兩種產(chǎn)物,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,連串反應(yīng),一級(jí)反應(yīng)：,動(dòng)力學(xué)方程式：,比選擇性：,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,連串反應(yīng),比選擇性：,溫度: 當(dāng)E1E2時(shí): T e(E2-E1)/RT SR ,濃度： cA cR SR 采用PFR,升高溫度有利于活化能大的反應(yīng)。 若主反應(yīng)活化能大， 則升高溫度。反之亦然。,當(dāng)E1E2時(shí): T e(E2-E1)/RT SR ,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,連串反應(yīng),PFR和CSTR選擇率的比較,復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較,連串反應(yīng),

12、項(xiàng)目四、管式反應(yīng)器的技能訓(xùn)練,一、管式反應(yīng)器的操作,二、管式反應(yīng)器的實(shí)訓(xùn)操作,三、管式反應(yīng)器的仿真操作,管式反應(yīng)器的操作,裂解反應(yīng)工藝過程,管式反應(yīng)器的操作,點(diǎn)火升溫,點(diǎn)火順序,升溫過程,注意事項(xiàng),升溫過程與點(diǎn)火操作要互相配合，同時(shí)還要兼顧其它操作。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到200時(shí)，要向爐管內(nèi)通入稀釋蒸汽，控制爐管稀釋蒸汽流量均勻，防止偏流對(duì)爐管造成損壞。當(dāng)煙道氣的溫度超過220，引適量的稀釋蒸汽進(jìn)入石腦油進(jìn)料管線，防止?fàn)t管損壞。當(dāng)產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度達(dá)到450時(shí)應(yīng)通過控制閥注入少量無磷水，將蒸汽溫度控制在520左右。在整個(gè)點(diǎn)火升溫過程中，一定要注意控制汽包液位不要超過60，裂解爐的爐膛負(fù)壓要維持在30M

13、pa、煙道氣的氧含量要4,管式反應(yīng)器的操作,項(xiàng)目名稱：石油烴裂解反應(yīng),要求： 1、掌握石油烴裂解反應(yīng)的生產(chǎn)原理、工藝過程。 2、能夠確定石油烴裂解反應(yīng)生產(chǎn)的最佳工藝條件。 3、掌握石油烴裂解反應(yīng)過程控制。 4、學(xué)會(huì)對(duì)事故的判斷、處理及產(chǎn)品檢測(cè)。,重點(diǎn)：管式反應(yīng)器的開停車及正常運(yùn)行操作 難點(diǎn)：管式反應(yīng)器的工藝過程的控制,管式反應(yīng)器的實(shí)際操作,石油烴裂解項(xiàng)目運(yùn)行卡,項(xiàng)目主要內(nèi)容,管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝流程,石油烴裂解的生產(chǎn)過程,產(chǎn)品分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理,1、管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及工藝流程,短停留,常壓 （低分壓）,溫度 760（高溫）,2、石油烴裂解反應(yīng)過程,主反應(yīng)：,副反應(yīng)（生炭和結(jié)焦 ）：,反應(yīng)崗位操

14、作規(guī)程,1）開車前的準(zhǔn)備工作 檢查設(shè)備內(nèi)無雜物，設(shè)備、管線、閥門、儀表、電器完好、水系統(tǒng)完好、消防器材到位，關(guān)閉所有閥門. 2）試漏： 將三通閥放在進(jìn)氣位置，進(jìn)入空氣或氮?dú)?，卡死出口，沖壓至0.05MPa，5分鐘不下降為合格。 3）開車： 本裝置為四段加熱控制溫度。打開反應(yīng)器控溫和測(cè)溫，各段加熱電流給定不應(yīng)很大，一般在1.5A左右，開始升溫。 在升溫的同時(shí)給冷卻器通水 ，防止出現(xiàn)過快加熱的現(xiàn)象 反應(yīng)開始后，監(jiān)測(cè)反應(yīng)條件，每5分鐘記錄一次；記錄表格如下：,反應(yīng)崗位操作規(guī)程,以不同的裂解原料在相同的裂解溫度下：560,以相同的裂解原料在不同的裂解溫度下：石腦油,以相同的裂解原料相同的裂解溫度在不同

15、的烴分壓下： 石腦油、760,4）停車： 停止進(jìn)料，在操作條件不變的情況下，只進(jìn)水不進(jìn)料，進(jìn)行燒焦處理。 將電流給定旋鈕回至零（或關(guān)閉控溫溫度表），一段時(shí)間后停止進(jìn)水。 當(dāng)反應(yīng)器測(cè)溫溫度降至300以下后，冷卻器停水。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要用氮?dú)獯祾吆椭脫Q反應(yīng)產(chǎn)物。,反應(yīng)崗位操作規(guī)程,5）注意事項(xiàng) 一定要熟悉儀器的使用方法：為防止亂動(dòng)儀表參數(shù)，參數(shù)調(diào)好后可將Loc參數(shù)改為新值，即鎖住各參數(shù)。 升溫操作一定要有耐心，不能忽高忽低亂改亂動(dòng)控溫設(shè)置。 流量的調(diào)節(jié)要隨時(shí)觀察及時(shí)調(diào)節(jié)，否則溫度容易發(fā)生波動(dòng)，造成反應(yīng)過程中溫度的穩(wěn)定性下降。 不使用時(shí)，應(yīng)將濕式流量計(jì)的水放干凈。應(yīng)將裝置放在干燥通風(fēng)的地方。如果再次使

16、用，一定在低電流（或溫度）下通電加熱一段時(shí)間以除去加熱爐保溫材料吸附的水分。 每次實(shí)驗(yàn)后一定要將分離器的液體放凈。,反應(yīng)崗位操作規(guī)程,3、產(chǎn)品分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理,裂解氣體的分析（氣相色譜法）：色譜柱是在氧化鋁單體載體上1.5阿皮松，可分析C1-4.條件是在室溫下用熱導(dǎo)檢測(cè)器，柱長(zhǎng)為4m，柱徑3mm。,數(shù)據(jù)處理：記錄升溫過程反應(yīng)器加熱爐各段的溫度 及反應(yīng)器的測(cè)溫溫度。 記錄加料量和加水（進(jìn)料時(shí)開始）量及產(chǎn) 氣量（濕式流量計(jì)的流量）。 裂解氣重量的計(jì)算。 裂解氣（乙烯計(jì)）收率的計(jì)算,想一想,1、石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需要經(jīng)過那幾個(gè)步驟？,原料預(yù)處理,化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)品精制,2、反應(yīng)器按操作方式可分為哪些類

17、型？按結(jié)構(gòu)型式呢？ 按操作方式可分為間歇式、連續(xù)式、半連續(xù)式。 按結(jié)構(gòu)型式可分為釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡塔等。,管式反應(yīng)器的仿真操作, 工藝過程,原理：分為四個(gè)基本反應(yīng)步驟：活化反應(yīng)；形成活性中心； 鏈引發(fā)；鏈增長(zhǎng)及鏈終止。,過程：通過催化劑的引發(fā)，在一定溫度和壓力下烯烴單 體聚合成聚烯烴，聚合后的烯烴的漿液經(jīng)蒸汽加 熱后，高壓閃蒸，分離出的烯烴經(jīng)烯烴回收系統(tǒng) 回收循環(huán)使用, 聚合物粉末部分送入下一工段。,操作條件：反應(yīng)溫度：70 反應(yīng)壓力：3.45MPa,練一練,知識(shí)目標(biāo)：掌握化工總控工職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（中級(jí)工）以下內(nèi)容 熟悉本崗位操作規(guī)程、工藝技術(shù)規(guī)程； 熟悉公用工程介質(zhì)的物理、化學(xué)特征； 掌握化工生產(chǎn)安全方面的基本知識(shí)； 掌握儀表聯(lián)鎖、報(bào)警基本原理； 掌握本崗位操作參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響及調(diào)節(jié)方法； 能處理溫度、壓力、液位、流量異常等故障。,小技巧,目的：節(jié)省訓(xùn)練時(shí)間,議一議,換熱器E208和E209已經(jīng)打開，為什么反應(yīng)溫度降不下來？ 答：環(huán)管反應(yīng)器的溫度 通過其反應(yīng)器夾套中閉路循環(huán)的脫鹽水系統(tǒng)來控制的 。夾套水須通過E204/E205用蒸汽加熱。夾套的第一