化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学第三节第三节 反应器的设计反应器的设计（一）常用工业反应器的类型（一）常用工业反应器的类型（二）工业反应器的放大（二）工业反应器的放大（三）釜式反应器的设计（三）釜式反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（五）流化床反应器的设计（五）流化床反应器的设计§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）常用工业反应器的类型（一）常用工业反应器的类型p常用的各类反应器示意图如下所示常用的各类反应器示意图如下所示GGMM管式反应器管式反应器管式反应器管式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器板式塔板式塔板式塔板式塔填料塔填料塔填料塔填料塔鼓炮塔鼓炮塔鼓炮塔鼓炮塔喷雾塔喷雾塔喷雾塔喷雾塔流化床流化床流化床流化床固定床固定床固定床固定床L LGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGL LL LL LL LL LL LL L§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）常用工业反应器的类型（一）常用工业反应器的类型常用反应器适用反应常用反应器适用反应反应器类型反应器类型 适适 用用 反反 应应管式反应器管式反应器均相反应均相反应, ,如热裂解反应如热裂解反应釜式反应器釜式反应器均相与多相反应均相与多相反应如气液、液液、液固、气固反应如气液、液液、液固、气固反应塔式反应器塔式反应器板式、填料塔用于气液和液液反应；鼓泡、板式、填料塔用于气液和液液反应；鼓泡、喷雾塔用于气液反应喷雾塔用于气液反应固定床反应器固定床反应器气态均相气态均相- -固态催化反应；固态催化反应；气固、液固非催化反应气固、液固非催化反应流化床反应器流化床反应器气固、液固、气固催化或非催化反应气固、液固、气固催化或非催化反应§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）常用工业反应器的类型（一）常用工业反应器的类型§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（二）工业反应器的放大（二）工业反应器的放大1 1、逐级经验放大、逐级经验放大Ø模型试验模型试验→→中间试验中间试验→→工业规模工业规模 其缺陷：周期长且难以做到高倍数的放大其缺陷：周期长且难以做到高倍数的放大2 2、数模放大、数模放大Ø其步骤：其步骤： 实验室规模试验实验室规模试验→→小型试验小型试验→→大型泠模试验大型泠模试验→→中间试验中间试验p在上述四个阶段中，都要使用计算机对各步试验结果进行在上述四个阶段中，都要使用计算机对各步试验结果进行综合和寻优，检验和修正数学模型，建立起用于设计的模型。
综合和寻优，检验和修正数学模型，建立起用于设计的模型§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（三）釜式反应器的设计（三）釜式反应器的设计1 1、釜式反应器设计的系列化、釜式反应器设计的系列化p国家已有Ｋ型和Ｆ型反应釜系列国家已有Ｋ型和Ｆ型反应釜系列ØＫ型釜：形状上呈Ｋ型釜：形状上呈“矮胖型矮胖型”，长径比较小，长径比较小ØＦ型釜：长径比较大，较瘦长Ｆ型釜：长径比较大，较瘦长Ø材质：碳钢、不锈钢和搪瓷等材质：碳钢、不锈钢和搪瓷等Ø规格：高压、真空反应釜规格：高压、真空反应釜 常减压和低压常压反应釜 常减压和低压常压反应釜p传热面积和搅拌形式都有规定，传热面积和搅拌形式都有规定，在选型时，不符，可与在选型时，不符，可与厂家协商进行修改若没有合用的型号，可自行设计厂家协商进行修改若没有合用的型号，可自行设计§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学２、釜式反应器设计的工作内容２、釜式反应器设计的工作内容（１）确定釜的操作方式（间歇与连续）（１）确定釜的操作方式（间歇与连续）（２）汇总设计基础数据：包括物料流量，反应时间，操作压（２）汇总设计基础数据：包括物料流量，反应时间，操作压力，操作温度，投料比，转化率，收率，物料的物性数据等力，操作温度，投料比，转化率，收率，物料的物性数据等（３）计算釜的体积（计算方法见下）（３）计算釜的体积（计算方法见下）（４）确定台数和连接方式（串联与并联）（４）确定台数和连接方式（串联与并联）（５）确定釜的直径与筒体高度（长径比取（５）确定釜的直径与筒体高度（长径比取1 1～～3)3)（６）确定釜的传热装置的型式与换热面积（６）确定釜的传热装置的型式与换热面积（７）选择釜的搅拌器（如浆式、框式、锚式等）（７）选择釜的搅拌器（如浆式、框式、锚式等）§4-3反应器的设计反应器的设计（三）釜式反应器的设计（三）釜式反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学3 3、釜式反应器体积的计算、釜式反应器体积的计算(1)连续釜连续釜 V r= Q0τV V r r——反应釜有效体积反应釜有效体积,m,m3 3Q Q0 0——反应釜入口液体的体积流量反应釜入口液体的体积流量, , m m3 3/s/s或或m m3 3/h/hττ——空时空时, ,即物料在釜内的平均停留时即物料在釜内的平均停留时间间,s ,min, h,s ,min, hØ式中式中C CA0A0: :釜入口液体中关键组分釜入口液体中关键组分A A的浓度的浓度,mol/L;,mol/L; C C A fA f: :釜出口液体中关键组分釜出口液体中关键组分A A的浓度的浓度,mol/L;,mol/L; X X A fA f: :釜出口液体中关键组分釜出口液体中关键组分A A的的转化率的的转化率; ; R R A fA f: :反应速率反应速率mol/(Lsmol/(Ls或或minmin或或h.h.§4-3反应器的设计反应器的设计（三）釜式反应器的设计（三）釜式反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计１、固定床催化反应器的类型１、固定床催化反应器的类型单段绝热式单段绝热式固定床固定床绝热式绝热式换热式换热式自热式自热式多段绝热式多段绝热式非原料气泠激式非原料气泠激式原料气泠激式原料气泠激式中间间接换热式中间间接换热式外热式外热式§4-34-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学多段绝热式固定床催化反应器多段绝热式固定床催化反应器ⅣⅣⅢⅢⅡⅡⅠ Ⅰ非原料气泠激式非原料气泠激式非原料气泠激式非原料气泠激式泠泠泠泠激激激激剂剂剂剂原料原料原料原料产品产品产品产品ⅡⅡⅠ ⅠⅢⅢⅣⅣ产品产品产品产品原料原料原料原料原料气泠激式原料气泠激式原料气泠激式原料气泠激式Ⅰ ⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣ间接换热式间接换热式间接换热式间接换热式产品产品产品产品原料原料原料原料§4-3反应器的设计反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学２、固定床催化反应器催化剂用量的确定２、固定床催化反应器催化剂用量的确定(1)(1)空速法空速法p乙烯直接氧化制环氧乙烷所用的反应器是外部换热式固定乙烯直接氧化制环氧乙烷所用的反应器是外部换热式固定床催话反应器床催话反应器Ø测得空速为测得空速为5000m5000m3 3(STP)/(m(STP)/(m3 3cat.h)cat.h)，，要求所设计的反应器要求所设计的反应器进口气体流量为进口气体流量为8900m8900m3 3(STP)/h(STP)/h，，求反应器的催化剂堆体积。
求反应器的催化剂堆体积解：由空速计算式得解：由空速计算式得§4-3反应器的设计反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学(2)(2)模型法模型法p绝热式固定床反应器的催化剂用量绝热式固定床反应器的催化剂用量Ø用下列联立模型方程可求解催化剂堆体积用下列联立模型方程可求解催化剂堆体积式中式中V r:V r:催化剂的堆体积，催化剂的堆体积， m m3 3（（堆）或Ｌ（堆）堆）或Ｌ（堆）; ; F FA0A0: :反应器进口气体中关键组分Ａ反应器进口气体中关键组分Ａ的摩尔流量；的摩尔流量；K mol/hK mol/h或或mol/hmol/h；； R RA A: :反应速率反应速率,mol/,mol/〔〔Ｌ（堆）Ｌ（堆）h h〕〕X XA0A0: :进口气中关键组分进口气中关键组分A A的转化率的转化率 x x A fA f: :出口气中关键组分出口气中关键组分A A的转化率的转化率T T0 0: :反应器进口气体温度反应器进口气体温度,K;,K;λλ: :绝热温升绝热温升§4-3反应器的设计反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø式中式中F Ft t: :反应气体总摩尔流量反应气体总摩尔流量, ,若忽略反应过程中总物质的若忽略反应过程中总物质的量的变化量的变化, ,则等于进口气体总摩尔流量则等于进口气体总摩尔流量,k mol/h,k mol/h或或mol/L;mol/L;Øy yA0A0: :进口气体中关键组分进口气体中关键组分A A的摩尔分数的摩尔分数; ;ØC C ptpt气体的平均摩尔热容气体的平均摩尔热容KJ/K mol KKJ/K mol K或或J/mol K;J/mol K;Ø－－△△Hr:Hr:反应热反应热,KJ/K mol,KJ/K mol或或J/molJ/mol§4-3反应器的设计反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计（四）固定床催化反应器的设计λλ: :绝热温升绝热温升 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（五）流化床反应器的设计（五）流化床反应器的设计1、流化床反应器的构造、流化床反应器的构造H3H2H1§4-3反应器的设计反应器的设计（（1）流化床直径）流化床直径D（（2））扩大段直径扩大段直径D′（（3））浓相段高度浓相段高度H1（（4））稀相段高度稀相段高度H2（（5））扩大段高度扩大段高度H3 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学2、流化床反应器主要尺寸的确定、流化床反应器主要尺寸的确定（（1）流化床直径）流化床直径DØ式中式中D—流化床直径，流化床直径，m V—气体的体积流量，气体的体积流量，m3/s u—空床气速，即流化床的操作气速空床气速，即流化床的操作气速,m /sp流化床的操作气速可根据生产或试验数据选取流化床的操作气速可根据生产或试验数据选取,常用的常用的操作气速为操作气速为0.2～～1.0m/sp也可用流化数来计算操作气速也可用流化数来计算操作气速, 即即 u = n u mf式中式中式中式中n — n — 流化数；流化数；流化数；流化数；u u mf mf ——临界流化速度，临界流化速度，临界流化速度，临界流化速度，m /sm /s§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø流化数流化数n常根据物料的特性和工艺要求参照实际生产数常根据物料的特性和工艺要求参照实际生产数据选定据选定如苯酐流化床的流化数如苯酐流化床的流化数n≥10～～40; 有些反应的流化数有些反应的流化数n＞＞100或或n＞＞200～～300; 又如石油催化裂化流化床的流化数又如石油催化裂化流化床的流化数n=300～～1000Ø确定临界流化速度确定临界流化速度u mf可用实测法和计算法可用实测法和计算法§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学p用计算式求出临界流化速度时用计算式求出临界流化速度时Ø若雷诺数若雷诺数Re mf＜＜5时时,求出的求出的u mf不必校正不必校正Ø若若Re mf＞＞5时时，，求出的求出的u mf须校正须校正(2)扩大段直径扩大段直径D′§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学2、流化床反应器主要尺寸的确定、流化床反应器主要尺寸的确定（（3）浓相段高度）浓相段高度H1静床高静床高静床高静床高式中式中式中式中G G catcat：：：：催化剂用量，催化剂用量，催化剂用量，催化剂用量，kg;kg; ρ ρB B: :催化剂的堆密度催化剂的堆密度催化剂的堆密度催化剂的堆密度,kg/m,kg/m3 3（（（（堆）堆）堆）堆） D:D:流化床浓相段直径流化床浓相段直径流化床浓相段直径流化床浓相段直径,m,m 临界流化速度临界流化速度临界流化速度临界流化速度 下的床层高度下的床层高度下的床层高度下的床层高度 H H mfmf ≈ H ≈ H0 0膨胀比，其计算方法和经验膨胀比，其计算方法和经验膨胀比，其计算方法和经验膨胀比，其计算方法和经验值可从有关资料中查到值可从有关资料中查到值可从有关资料中查到值可从有关资料中查到. .如如如如, ,对带有挡板苯酐流化床：对带有挡板苯酐流化床：对带有挡板苯酐流化床：对带有挡板苯酐流化床：§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（（4）稀相段高度）稀相段高度H2q可从它与流化床直径的比可从它与流化床直径的比H2／／D与流化床直径与流化床直径D作成作成的关联图的关联图(见下图见下图)查得查得§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学2、流化床反应器主要尺寸的确定、流化床反应器主要尺寸的确定（（5）扩大段高度）扩大段高度H3q扩大段高度主要是根据内过滤管或内扩大段高度主要是根据内过滤管或内旋风分离器的安装、检修的需要确定。
旋风分离器的安装、检修的需要确定Ø即根据生产经验选取即根据生产经验选取H3§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学3、流化床反应器的传热装置、流化床反应器的传热装置p其型式有列管、鼠笼、管束和蛇管式其型式有列管、鼠笼、管束和蛇管式单管式列管换热器单管式列管换热器套管式列管换热器套管式列管换热器§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学3、流化床反应器的传热装置、流化床反应器的传热装置鼠笼式换热器鼠笼式换热器鼠笼式换热器鼠笼式换热器管束式换热器管束式换热器管束式换热器管束式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学3、流化床反应器的传热装置、流化床反应器的传热装置p传热面积的计算传热面积的计算Ø热负荷热负荷Q由热量衡算式确定由热量衡算式确定Ø总传热系数总传热系数K可由各给热系数求出，可由各给热系数求出， 但设计时常采用总传热系数的经验值但设计时常采用总传热系数的经验值§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学〔〔例例〕〕确定萘氧化生产苯二甲酸酐流化床反应器的主要工艺参数。
已知条件为：确定萘氧化生产苯二甲酸酐流化床反应器的主要工艺参数已知条件为：§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学临界流速计算式得临界流速计算式得临界流速计算式得临界流速计算式得§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学带出速度计算式得带出速度计算式得带出速度计算式得带出速度计算式得§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学HH1 1公公公公§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学由有关表由有关表由有关表由有关表§4-3反应器的设计反应器的设计 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学§4-3反应器的设计反应器的设计 。