化学反应器

除单层绝热床外，工业上还有用多段的，近 代的大型合成氨反应器采用的是中间冷激的多 段绝热床。总之，不论是吸热或放热的反应， 绝热床的应用相当广泛。特别对大型的，高温 的或高压的反应器，希望结构简单，同样大小 的装置内能容纳尽可能多的催化剂以增加生产 能力(少加换热空间)，而绝热床正好能符合这种 要求。不过绝热床的温度变化总是比较大的， 而温度对反应结果的影响也是举足轻重的，因 此如何取舍，要综合分析并根据实际情况来决 定。此外还应注意到绝热床的高／径比不宜过 大，床层填充务必均匀，并注意气流的预分布， 以保证气流在床层内的均匀分布。
列管式反应器优点：

① 传热较好，管内温度较易控制； ② 返混小、选择性较高； ③ 只要增加管数，便可有把握地进行放大； ④ 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物 料来稀释催化剂
适用 原料成本高，副产物价值低以及分离不是十分
容易的情况。
（2）自身换热式反应器（ 自热式反应器）
◆ 塔式反应器
鼓泡塔反应器结构示意图 1—分布格板；2—夹套；3—气体分布器；4—塔体；5—挡板； 6—塔外换热器；7—液体捕集器；8—扩大段
固定床反应器
定义: 凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应 的装置都称作固定床反应器.

其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化 剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占 最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化， 基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工 中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。 此外还有不少非催化的气—固相反应，如水煤气的 生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许 多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。
多段绝热式固定床反应器
2. 换热式反应器
蒸汽 调节阀
原料
（1）对外换热式反应器（管式为多。通常是在 管内放催化剂，管间走热 载体( 在用高压水或用高 压蒸汽作热载体时，则把 催化剂放在管间，而使管 内走高压流体)。
补充水
产物
乙炔法合成氯乙烯反应器
固定床反应器
反应器的组合操作
单个反应器串联操作（反应器大小、类型、操作 提高反应深度。 条件可各不相同） 单个反应器并联操作（一般为相同的操作条件、 增大处理能力。 相同的结构尺寸）
管式反应器
基本结构
由一根或多根管子 串联或并联构成的 反应器，长度与直 径之比一般大于 ５０～１００。
主要用于 气固相反 应
固定床反应器的结构和特点
一、固定床反应器的分类和结构型式 根据传热方式的不同分类: 固定床反应器主要分为绝热式和换热式两大类。 轴向反应器 单段绝热式 绝热式 固 固定床反应器 定 多段绝热式 径向反应器 床 反 对外换热式 应 换热式 器 固定床反应器 自身换热式
下面我们来对各种固定床反应器的型式作一些简单的介绍和讨论。
流化床反应器 （四）流化床反应器的床型
流化床反应器
流化床反应器
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（a）直管反应器；（b）盘管反应器；（c）多管反应器
2.
活塞流反应器（Plug flow reactor, PFR）
反应物A 反应物B 生成物R
活塞流反应器 特点： ① 反应器的长径比较大。 ② 假设不同时刻进入反应器的物料之间 不发生逆向混合（返混）。 ③ 反应物沿管长方向流动，反应时间是 管长的函数，其浓度随流动方向从一 个截面到另一个截面而变化。
比一般在1~3之间。 在加压操作时，上、下封头多为半球形或 椭圆形；而在常压操作时，上、下封头可 做为平盖，为了放料方便，下底也可做成 锥形。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置
釜式反应器
釜式反应器
釜式反应器
釜式反应器
釜式反应器
特点
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便
地改变反应内容。
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化学反应器
概述
化工过程：一个特定的化工产品,从原料到产品 的生产过程。 原料 预处理 化学反应 后处理 产品
化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导 作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和 后处理的难度。 化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是 化工企业的关键装置。
对反应器的要求
按操作方式
反应器
间 歇 操 作 反 应 器
连 续 操 作 反 应 器
按反应器的结构
釜式反应器 管式反应器 塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器
釜式反应器
基本结构： ①釜体 ②换热装置 ③搅拌装置
基本结构： ①釜体 ②换热装置 ③搅拌装置
釜式反应器 釜体：由壳体和上、下封头组成，其高与直径之
反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。
自热式反应器示意图
固定床反应器的特点 优点:
① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反 应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器 容积来获得较大的生产能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当 调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率， 在大生产中尤为重要。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不
一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如： 液液、液固、气液、气液固反应等。
釜式反应器应用
釜式反应器主要应用于液-液均相反应过程，在 气-液、液-液非均相反应过程也有应用，操作 时温度、浓度容易控制，产品质量均一。在化 工生产中，既可适用于间歇操作过程，又可用 于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联 使用；但若应用在需要较高转化率的工艺要求 时，有需要较大容积的缺点。通常在操作条件 比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于 物料沸点时，釜式反应器的应用最为普遍。
1 反应器 要有足 够的体 积 2 反应器 要有适 宜的结 构 3 反应器 要有足 够的传 热面积 4 反应器 要有足 够的机 械强度 和耐腐 蚀能力 5 反应器要 易操作、 易制造、 易安装、 易维修
一、化学反应器的分类
按物料的聚集状态
1
2
按操作方式
3
按反应器的结构
按物料的聚集状态
均相反应器：气相（石油气裂解）、 互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应） 非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯） 气固相、液固相 液液相、固固相 气液固三相
径向反应器
1. 绝热式反应器 ⑴ 轴向反应器 右图是绝热式轴 向反应器的示意图。 它的结构简单，催化 剂均匀堆置于床内， 床内没有换热装置， 预热到一定温度的反 应物料流过床层进行 反应就可以了。
绝热床反应器

典型的例子是乙苯脱氢制苯乙烯。反应需供热 140kJ／mol，是靠加入高温(710℃)水蒸汽来供应的(乙苯: 水蒸汽=1: 2.6(质量))，混合后在630℃入床，离床时降到 565℃。 在此，水蒸汽的作用是： ① 可以带入大量的显热； ② 起稀释作用，使反应的平衡向有利于生成苯乙 烯的方向移动，提高单程转化率； ③ 使催化剂可能产生的结炭随时得到清除，从而 保持反应器长期连续运转。
2）沟流 在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良， 可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地 区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床状态而未 被流化（死床）。显然，当发生沟流现象时，气体不能与 全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。
流化床反应器 （三）流化床反应器的结构
绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。
（1）轴向反应器

轴向反应器一般为 空心的圆筒体，在器 内下部装有栅板，催 化剂均匀堆置其上形 成床层；物料进口处 有保证气流均匀分布 的气体分布器，预热 到一定温度的反应气 体自上而下通过床层 进行反应。
固定床反应器
（2）径向反应器 径向反应器的结构较 轴向反应器复杂，催化剂装 载于两个同心圆筒构成的环 隙中，流体沿径向通过催化 剂床层，可采用离心流动或 向心流动，中心管和床层环 隙中流体的流向可以相同， 也可以相反。
对 外 换 热 式 固 定 床 反 应 器
固定床反应器
换热式 固定床 反应器 (列管式)
① 管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。 ② 催化剂粒径：应小于管径的1/8倍，通常固定床用的粒 径约为2～6mm，不小于1.5mm。 ③ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分能 用于200～350℃的范围。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用于 300～400℃的情况。 对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为热 载体。
流化床反应器 （一）流态化的形成 （二）散式流化和聚式流化 （三）结构 （四）床型
（一）流态化的形成
（二）散式流化和聚式流化
散式流化
聚式流化
（二）散式流化和聚式流化
三、流化床类似液体的特性
1）腾涌或节涌 空穴在上升过程中会合并增大， 如果床层直径较小而浓相区的 高度较高，则空穴可能大至与 床层直径相等的程度。此时空 穴将床层分节，整段颗粒如活 塞般的向上移动，部分颗粒在 空穴四周落下（图3-37a），或 者在整个截面上均匀洒落（图 3-37b）。这种现象称为腾涌或 节涌。流化床在操作时一旦发 生腾涌，较多的颗粒被抛起和 跌落造成设备震动，甚至将床 内构件冲坏，流体动力损失也 较大，一般应尽量予以避免。 图3-37 腾涌现象
缺点:
① 固定床中的传热性能较差； ②不能使用细粒催化剂,催化剂的更换必 须停产进行。
固定床反应器的重要工业应用
间歇反应器和平推流反应器的比较
间歇反应器 ↓ 有辅助时间 ↓ 劳动强度大； 更换产品灵活 ↓ 反应时间t 平推流反应器 ↓ 稳定流动 ↓ 适于大规模生产 ↓ 空间时间τ
1-加料口 2-气固分离装置 3-壳体 4-换热器 5-内部构件 6-卸料口 7-气体分布装置
1—旋风分离器 2—筒体扩大段 3—催化剂入口 4—筒体 5—冷却介质出口 6—换热器 7—冷却介质进口 8—气体分布板 9—催化剂出口 10—反应气入口图
8-6流化床反应器