第七章化學反應器1組長：宋丹

組員：尚靜格張麗紅時玉萍康雅靜彭躍龍申曉琴陳思思甄偉博第四組

2第一節(jié)

概述

化學工業(yè)是一個多門類、多品種的生產(chǎn)部門，其中任何一種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)都是將各種原料通過許多工序和設備，在一定的工藝條件下，進行一系列的加工處理，最后制得產(chǎn)品。只是由于原料、產(chǎn)品的不同，生產(chǎn)過程也各不相同，但概括起來，可認為化工生產(chǎn)過程是由原料處理、化學反應以及產(chǎn)品的分離和提純?nèi)糠纸M成。其中化學反應過程是化工生產(chǎn)的核心，它對產(chǎn)品是否能夠順利制取以及生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益好壞起著關鍵的作用。3一、化學反應器的分類（一）按反應物料的聚集狀態(tài)分類

（1）均相反應器（若進入反應器參與反應的物料都是一種聚集狀態(tài)，該反應器稱為均相反應器。）（2）非均相反應器(如進入反應器參與反應的物料至少有兩種聚集狀態(tài)，該反應器稱為非均相反應器。)4⑴釜式反應器。反應是在一個密閉的釜體中進行，一般反應釜而是有筒體、夾套、蓋、攪拌器以及蛇管組成。攪拌器的作用是使反應物均勻混合，夾套和蛇管的作用是使反應能夠在某一規(guī)定溫度范圍內(nèi)進行。⑵管式反應器。反應是在由一根或多根管子串聯(lián)或并聯(lián)構成的反應器中進行。如裂解反應所用的管式爐；乙烯直接氧化制取環(huán)氧乙烷所用的管式反應器。⑶塔式反應器。反應是在一個圓柱型塔形設備中進行，如填料塔、板式塔等。這類設備常用氣液相或液相反應。若在塔式反應器中裝填催化劑，則成為固定床反應器。⑷在塔式或管式反映其中裝填一定的固體顆粒（如催化劑），反應物從固體顆粒之間通過，由此達到反應的目的。⑸流化床反應器。流化床反應器中也裝填有固體顆粒，但其顆粒更小甚至為粉末狀。反應物自下而上流過顆粒層，在流體的作用下顆粒被吹起并懸浮在流體中，猶如沸騰的液體，所以流化床又稱為沸騰床。㈡按反應器的結構分類5⑴間歇操作將反應物料一次性加入，經(jīng)過一段時間的反應，達到所規(guī)定的轉化率后，將物料全部取出，稱為放料，對反應器進行清洗后，在進行新的一輪操作。間歇操作設備利用率低，勞動強度大不宜采用自動控制。常用于小批量、反應時間很長、用一個反應器取幾種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。⑵連續(xù)操作反應物料連續(xù)加入、同時進行反應和取出反應生成物。反應器內(nèi)各處的溫度、濃度和流量都不隨時間變化，事一個定態(tài)過程。連續(xù)操作的設備利用率高，勞動強度小，易于自動控制，適于大規(guī)模生產(chǎn)。二、對反應器的要求⑴反應器要有足夠的反應體積，以保證反應物在反映器中有充分的反應時間，來達到規(guī)定的轉化率和產(chǎn)品的質量指標。⑵反應器的結構要保證反應物之間、反應物與催化劑之間有著良好的接觸。⑶反應器要有足夠的傳熱面積，以保證及時有效的輸入或引出熱量，使反應能在最適宜的溫度下進行。⑷反應器要有足夠的機械強度和耐腐蝕能力，以保證反應過程安全可靠，反應器經(jīng)濟耐用。⑸反應器要盡量做到易操作、易制造、易安裝和易維護檢修。㈢反應器按操作方式可分為：間歇操作和連續(xù)操作6第二節(jié)典型化學反應器7一.釜式反應器一種低高徑比的圓筒形反應器，用于實現(xiàn)液相單相反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應過程。器內(nèi)常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內(nèi)設置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱8特點：可承受較大壓力、溫度。適用不同生產(chǎn)規(guī)模，可間歇或連續(xù)操作，可一個反應器或多個釜式反應器串聯(lián)操作。9優(yōu)點：投資少，投產(chǎn)容易、操作靈活性大。可方便的改變反應內(nèi)容。應用：精細有機合成、制藥、染料以及高分子工業(yè)。結構：釜體、換熱裝置，攪拌裝置。10釜式反應結構簡圖11夾套式換熱器12常用攪拌器槳式攪拌器框式攪拌器錨式攪拌器旋槳式攪拌器渦輪式攪拌器13錨框式攪拌槳簡圖、渦輪攪拌槳簡圖、槳式攪拌槳簡圖14旋槳式攪拌器15槳式攪拌器：簡單用于不要求強烈混合的過程錨式攪拌器＆框式攪拌器：

適合中等粘度、高粘度流體的混合與反應，層流狀態(tài)下操作，水平環(huán)相流。

特點：使用粘度范圍寬、能耗低16，旋槳式攪拌器：結構簡單，制造方便，可在較小功率下獲得較好的攪拌效果。渦輪式攪拌器：工作原理和離心泵相似，快速攪拌，多用于迅速溶解和高度分散的操作，(缺點:造價高)17

（1）管式反應器是由一根或多跟管子串聯(lián)或并聯(lián)構成的反應器。管式反應器的長度與直徑之比一般大于50~100.管事反應器的結構形式多樣，最簡單的是單根直管；也可彎成各種形狀的蛇管；當多根管子并聯(lián)時，其形狀與列管式換熱器相似，有利于傳換熱。若在管式反應器中裝填催化劑，則為固定窗反應器如圖7-4所示（2）管式反應器的結構簡單，耐高溫、高壓，傳熱面積可大可小，傳熱系數(shù)較高，流體流速較快，在管內(nèi)停留時間短，便于分段控制溫度和濃度。在反應器內(nèi)任意一截面上反應物濃度和反應速率不隨時間變化，僅沿管長變化。管式反應器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。工生產(chǎn)。二、管式反應器1819三.固定床反應器固定床反應器的含義在塔式或管式反應器中填裝一定的固體顆粒，當反應物從顆粒層通過時，顆粒層靜止不動，因此稱為固定床反應器。由于固定床反應器中填裝的顆粒多為催化劑，所以也稱為固定床催化反應器。

20特點結構簡單、操作穩(wěn)定、控制方便、轉換率高常用于氣固反應。212按換熱方式的不同，可將固定床反應器分為絕熱式固定床反應器，換熱式固定床反應器，自熱式固定床反應器三個類型。22

絕熱式固定床反應器甲醇氧化的薄層反應器1-礦渣棉2-瓷環(huán)3-催化劑

1-催化劑

2-冷卻器★特點：反應器結構簡單，生產(chǎn)能力大。★缺點：反應過程中溫度變化較大?！飸茫哼m用于反應熱效應不大的放熱反應，反應過程允許溫度有較寬變動范圍的反應；熱效應較大的，但對反應溫度不很敏感或是反應速率非?？斓倪^程也可適用●絕熱式固定床反應器△1.1單段絕熱式2324△1.2多段絕熱床

多段絕熱式固定床反應器(a)、(b)、(c)中間換熱式；(d)、(e)冷激式★特點：反應器結構簡單，生產(chǎn)能力大?！锶秉c：反應過程中溫度變化較大?！飸茫哼m用于反應熱效應不大的放熱反應，反應過程允許溫度有較寬變動范圍的反應；熱效應較大的，但對反應溫度不很敏感或是反應速率非?？斓倪^程也可適用2526●換熱式固定床反應器以各種載熱體為換熱介質的對外換熱式反應為多為列管式結構，類似于列管式換熱器。

列管式固定床反應器★特點：傳熱面積大，傳熱效果好，易控制催化劑床層溫度，反應速率快，選擇性高?！锶秉c：結構較復雜，設備費用高。★應用：能適用于熱效應大的反應。272829●自熱式固定床反應器如圖是三套管并流式催化床的氣體溫度分布和操作狀況圖。

三套管并流式冷管催化床溫度分布及操作狀況★特點：反應床層中溫度接近最佳溫度曲線、反應過程中熱量自給?！锶秉c：結構復雜，造價高，催化劑裝載系數(shù)較大?！飸茫褐贿m用于較易維持一定溫度分布的熱效應不大的放熱反應，能適用于高壓反應。303132四、流化床反應器流化床反應器的特點是當氣體通過反應器時，反應器內(nèi)的催化劑在氣體的作用下懸浮起來，并上下翻滾作劇烈的運動，催化劑床層如同沸騰的氣體，故稱為流化床或沸騰床，這個過程稱為固體流態(tài)化（或流化）。固體流化時，氣、固兩相充分接觸，有利于傳質和傳熱，有利于反應過程的進行。流化床反應器具有壓降低、傳熱效果好、生產(chǎn)強度大、適應性強、可實現(xiàn)連續(xù)化和自動化等優(yōu)點?；瘜W工業(yè)將固體流化態(tài)化技術除了應用于催化反應外，還廣泛應用于固體燃料燃燒汽化、干燥、吸附等過程中。33（一）流化態(tài)現(xiàn)象1、固定床階段流體流速低時，流體從靜止顆粒間的空隙流動，固體顆粒之間不發(fā)生相對運動，猶如前述流體自上而下通過的固定床，所以這時的床層稱為固定床。當流速逐漸增大，床層變松，少量顆粒在一定區(qū)間內(nèi)振動或游動，床層高度稍有膨脹，這時的床層為膨脹床。固定床階段的床層壓降隨流體的流速增加而增大。342、流化床階段流體流速繼續(xù)增大，床曾繼續(xù)膨脹、增高、顆粒間空隙增大。當流體通過床曾的壓降大致等于面積上床曾顆粒的重量，且降壓保持不變時，固體顆粒懸浮在向上流動的流體中，床層開始流化，此時流體的流速稱為臨界流化速度。流化床具有流體的性質，懸浮的顆粒仍有一個明顯上界面。353、輸送階段

再將流體流速增大到一定值時，流化床的上界面消失，顆粒被流體夾帶流出，這時變?yōu)轭w粒的輸送階段（可實現(xiàn)氣力輸送或液力輸送），相應的流速稱為帶出流速。輸送階段的壓降也隨流速增加而增大。3637383940414243流化床反應器的結構1、外殼殼體有頂蓋、筒體和底蓋組成，簡體多為圓筒形，頂蓋多為橢圓形，底蓋可為圓錐形。殼體的上部分為汽固分離空間，它的直徑往往比簡體的直徑大，內(nèi)部裝有氣固分離裝置。殼體的中間部分是流化和反應的基本空間，在次空間設置有內(nèi)部構件和換熱裝置。殼體最下部分是氣體分部空間，安置這氣體分布裝置。2.氣體分布裝置是使進入床層的氣體均勻分布，以造成良好的起始流化條件，同時要具有一定的強度以支撐床層中的固體顆粒。包括：預熱分布器和分布板兩部分。443、內(nèi)部構件流化床的內(nèi)部構件的作用是改善床層中氣固兩相的接觸、減少軸向返混，改善流化質量以提高反應效率。其形式主要有擋網(wǎng)、擋板、垂直管束或充填物等。4、換熱器供給或移走熱量，是流化床反應維持在所要的溫度范圍內(nèi)。一般可在床層的外殼上設夾套或在床層內(nèi)設換熱器。在流化床曾內(nèi)設置換熱器時，除考慮反應器的換熱要求以外，還要考慮對床層流化的影響。換