化学反应过程与设备课件

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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 化学反应过程与设备 化学工业出版社4邹仁鋆 基本有机

2、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

3、 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 稳态过程 特点 非稳态过程 9Author huangkangsheng 按材质分 钢制反应釜

4、 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 huangkangsheng 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

5、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

6、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 50 100 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 huangkangshen

7、g 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 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 huangkangsh

8、eng 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 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

9、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

10、 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 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

11、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T 300 熔盐 反应温度250 300 低挥发性导热油 反应温度T 240 高压热水 如何选择载热体 27Author huangkangsheng A 列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

12、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 29Author 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

13、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

14、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 huangkangsheng 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

15、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 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

16、 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