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1、2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl1,精细化工过程与设备,主讲教师：李成林,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 2,第一章：绪论,1.1 精细化工生产的特点及其对反应设备的要求,1.2 反应器类型,1.3 反应器操作方式,1.4 反应器计算基本方程式,1.5 理想反应器,1.6 工业反应器放大,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 3,1.1 精细化工生产的特点及其对反应设备的要求,一、精细化工生产的特点 多品种 化学反应复杂 反应物料相态多样化 反应介质腐蚀性强 高技术密集度 二、精细化工对反应设备的要求 反应器内要有良好的传质和传热条件 建立合适的浓
2、度温度分布体系 对于强放热或吸热反应要保证保证足够快的传热速率和可靠的热稳定性； 根据操作温度、压力和介质的腐蚀性能，要求设备材料、型式和结构具有可靠的机械强度和抗腐蚀性能。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 4,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 5,1.2 反应器类型,管式反应器 釜式反应器 塔式反应器 板式塔 填料塔 鼓泡塔 反应床 固定床 流化床 移动床 滴流床,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 6,反应器类型,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 7,(1)管式反应器,管式反应器的特征是，长度远较管径为大，内部中空，不设置任何
3、构件它多用于均相反应，例如，由轻油裂解生产乙烯所用的裂解炉便属此类反应器。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 8,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 9,管式反应器的结构,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 10,(2)釜式反应器,釜式反应器又称反应釜或搅拌反应器，其高度一般与其直径相等或稍高，釜内设有搅拌装置及挡板，并可根据不同的情况，在釜外或釜内安装传热构件以维持所需反应温度。釜式反应器是精细化工行业中应用十分广泛的一类反应器、一般用于进行均相反应，也可用于进行多相反应，如气液反应、液液反应、液固反应以及气液固反应。许多酯化反应、硝化反应、磺化反
4、应以及氯化反应等，都在釜式反应器中进行。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 11,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 12,(3)塔式反应器,塔式反应器的高度一般为直径的数倍以至十余倍，内部设有为了增加两相接触的构件如填料、筛板等。图12(c)为板式塔，图12(d)为填料塔。塔式反应器主要用于两种流体相反应的过程，如气液反应和液液反应。鼓泡塔(见团12(e)也是塔式反应器的一种用以进行气液反应、它内部不设置任何构件，气体以气泡形式通过液层。喷雾塔也属于塔式反应器(见团12(f)，用于气液反应液体呈雾滴状分散于气体中，情况正好与鼓泡塔相反。无论哪一种型式的塔式反应器
5、，参与反应的两种流体可以逆流、也可以并流，视具体情况而定。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 13,板式塔,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 14,板式塔,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 15,填料塔,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 16,填料塔的构造,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 17,1、规整填料 2、支撑栅板 3、液体收集器 4、降液管 5、管式液体分布器,1、规整填料 2、支撑栅板 3、液体收集器 4、集液环 5、多级槽式液体分布器 6、填料压圈 7、支撑栅板 8、蒸汽入口管 9、塔底 10、至再沸
6、器循环管 11、裙座12、底座环,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 18,鼓泡塔,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 19,喷雾塔,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 20,(4)固定床反应器,固定床反应器的特征为反应器内填充有固定不动的固体颗粒，这些固体颗粒可以是固体催化剂，也可以是固体反应物。 固定床反应器是一种被广泛采用的多相催化反应器，如氨合成、甲醇合成、苯氧化以及邻二甲苯氧化反应都是在这种反应器中进行的。 图12(g)所示为一列管式固定床反应器，管内装催化剂、反应物料自上而下通过床层，管间的载热体与管内的反应物料进行换热，以维持所需的温度条
7、件。对于放热反应，往往使用冷的原料作为载热体，借此将其预热至反应所要求的温度，然后再进入床层，这种反应器称为自热反应器。此外，也有在绝热条件下进行反应的固定床反应器。除多相催化反应外，固定床反应器还用于气固及液固非催化反应。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 21,列管式固定床反应器,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 22,(5)流化床反应器,流化床反应器是一种有固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器不同这些颗粒处于运动状态，且其运动方向是多种多样的。流化床反应器内流体与固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体，故又称沸腾床反应器。因为这种床层具有与液体相类似的性质，有
8、入又把它叫做假液化层。图12(h)是这种反应器的示意图，反应器下部设有分布板，板上放置固体颗粒，流体自分布板下送入，均匀地流过颗粒层。当流体速度达到一定数值后，固体颗粒开始松动，再增大流速即进入流化状态。反应器内一般都设置有挡板、换热器以及流体与固体分离装置等内部构件以保证得到良好的流动状态和所需的温度条件，以及反应后的物料分离。流化床反应器可用于气固、液固以及气液固催化或非催化反应，是工业生产中较广泛使用的反应器，典型的例子是催化裂解反应装置，还有一些气固相催化反应，如萘氧化、丙烯氨氧化和丁烯氧化脱氢等也采用此反波器。流化床反应器用于固相加工也是十分典型的、如黄铁矿和闪锌矿、石灰石的煅烧等。
9、,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 23,流化床,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 24,(6)移动床反应器和滴流床反应器,移动床反应器也是一种固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器相似，不同之处是固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出，如固体颗粒为催化剂，则用提升装置将其输送至反应器顶部返回反应器内。反应流体与颗粒成逆流、此种反应器适用于催化刑需要连续进行再生的催化反应过程和固相加工反应，图12(i)为其示意图。 滴流床反应器又称涓流床反应器，如图12(j)所示。从某种意义说，这种反应器也属于固定床反应器，用于使用固体催化剂的气液反应，如石油馏分
10、加氢脱硫用的就是此种反应器。通常反应气体与液体自上而下成并流流动，有时也采用逆流操作。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 25,13 反应器操作方式,工业反应器有间歇、连续、半连续(或半间歇)三种操作方式。,(1)间歇操作 间歇操作的特点是进行反应所需的原料一次装入反应器内，然后在其中进行反应，经一定时间后，达到所要求的反应程度便卸出全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。接着是清理反应器，继而进行下一批原料的装入、反应和卸料。,间歇反应过程是一个非定态过程，反应器内物系的组成随时间而变，这是间歇过程的基本特征。图1.3系间歇反应器中反应物系的浓度随时间而变的示
11、意图。随着时间的增加，反应物A的浓度从开始反应时的起始浓度CA0逐渐降低至零(不可逆反应)，若为可逆反应则降至极限浓度，即平衡浓度。对于单一反应，反应产物R的浓度则随时间的增长而增高。若反应物系中同时存在多个化学反应，反应时间超长，反应产物的浓度不一定就越高，连串反应ARS便属于这种情况，产物R的浓度随着时间的增加而升高，达一极大值后又随时间而降低。所以说不是反应时间越长就越好，须作具体分析。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 26,间歇反应器的特点,间歇反应器在反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，即不存在物料的流动。整个反应过程都是在恒容下进行的。反应物系若为气体则
12、必充满整个反应器空间体积不变自不待言；若为液体，虽不充满整个反应器，由于压力的变化而引起液体体积的改变通常可以忽略因之按恒容处理也足够准确。采用间歇操作的反应器几乎都是釜式反应器，其余类型均极罕见。间歇反应器适用于速率慢的化学反应及产量小的化学品生产过程。对于那些批量少而产品的品种又多的企业尤为适宜，例如，医药工业往往就属于这种情况。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 27,(2)连续操作,连续操作的特征是连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反应器流出。 采用连续操作的反应器叫做连续反应器或流动反应器。 前边所述的各类反应器都可采用连续操作，对于工业生产中某些类型的反应器
13、，连续操作是惟一可采用的操作方式。 连续操作多属于定态操作，此时反应器内任何部位的物系参数,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 28,(2)连续操作,如浓度、温度等均不随时间而改变，但却随位置而变，图14表示反应器内反应物系浓度随反应器轴向距离而变化的情况。反应物A的浓度从入口处的浓度CA0沿着反应物料流动方向而逐渐降低至出口处的浓度CAf。与此相反，反应产物R的浓度则从入口处的浓度(通常为零)逐渐升高至出口处的浓度CRf。对于可逆反应、无论CAf或CRf均以其平衡浓度为极限但要达到平衡浓度反应器需无穷长。对不可逆反应反应物A(不过量)虽可转化殆尽，但某些反应同样需要无限长的反应
14、器才能办到。图14与因1.3有些类似，但一个是随时间而变，另一个是随位置而变，这反映了两种操作方式的根本区别。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 29,(2)连续操作,大规模工业生产的反应器绝大部分都是采用连续操作，因为它具有产品质量稳定、劳动生产率高、易实现机械化和自动化等优点。这些都是间歇操作无法与之相比的。当然连续操作系统一旦建成，要改变产品品种是十分困难的事。有时甚至要较大幅度地改变产品产量也不易办到。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 30,(3)半连续操作,原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作，均属半连续操作，相应的
15、反应器称为半连续反应器或半间歇反应器。例如，由氯气和苯生产一氯苯的反应器就有采用半连续操作方式的。苯一次加入反应器内，氯气则连续通入反应器，未反应的氯气连续从反应器排出，当反应物系的产品分布符合要求时、停止通氯气，卸出反应产物。由此可见，半连续操作同时具有连续操作和间歇操作的某些特征。有连续流动的物料，这点与连续操作相似；也有分批加入或卸出的物料，因而生产是间歇的，这反映了间歇操作的特点。由于这些原因，半连续反应器的反应物系组成必然既随时间而改变，也随反应器内的位置而改变。管式、釜式、塔式以及固定床反应器都有采用半连续方式操作的。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 31,1.4
16、 反应器计算基本方程式,反应器计算的主要任务是根据给定的生产任务，计算一定条件下反应所需要的体积，以此确定反应器的主要尺寸。 反应器计算中所应用的基本方程式是物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式。反应过程如有较大的压力降，并因而影响反应速度时。还要加上动量衡算式。反应器的计算也就是上述方程组的联合求解。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 32,1.4.1 反应动力学方程式,对于均相反应，且反应混合物已经混合均匀，反应时不存在扩散阻力，这时反应过程的总速度只取决于化学反应速度。反应速度常用下述定义,式中 rA 以组分A表示的化学反应速度（kmolm-3h-1) VR反应器有效体积(m3) nA组分A的物质的量(kmol) 反应时间(h),当组分A为反应物时，式(11)取负号。对于均相反应，反应器的有效体积就是反应器内反应混合物体积，又称反应体积。,2018/9/10,精细化工过程与设备,LiCl 33,1.4.1 反应动力学方程式,式中 FA组分A的流量，kmolh-1 影响均相反应速度的因素主要是温度、压力和反应物浓度，表示反应速度与影响因素间函数关系的式子称为反应动力学方程式，或称反应速度方程式。如反应AR为n级不可逆反应其动力学方程式可写成,
