化工反应器教案

化工反应器
主讲：沈书群
1.主要工作：工艺控制和生产管理 2.工作单位：南通江山农药化工股份有限公司 3.职称：工艺工程师、全国注册安全工程师。现任农药二厂副厂长 4.联系方式：
Email：ssqaym@sina.com Tel： 13862920532 qq： 462619056
教学目标
掌握各种主要反应器的基本结构、特点，初步 掌握各种反应器的基本操作和基本维护方法，能判 断和排除反应器的不正常工况，能初步对反应器进 行优化，能简单进行一些反应器模型的计算、设计。
固定床反应器的结构和类型
多段绝热式反应器 为了保持绝热式反应器结构简单等优点，又能在一定程度上调 节反应温度，在段间进行反应物料的换热，根据换热要求，可在反 应器外另设换热器，也可以在反应器段间设置换热构件、在段间用 喷水或补充原料气等的直接换热方法，称为冷激法。 2、换热式 当反应热效应较大时，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，可分为对外换热式和自身 换热式（自热式）。 a、对外换热式反应器多为列管式结构 ，类似于管壳式热交换 器。 b、自热式 以原料气为换热介质，通过管壁与自身反应物料换 热，以维持反应温度的反应器。
三、气固相催化反应器的选择
一般从反应特点、反应热、工艺要求、反应器特点、催化剂性能
等方面综合考虑反应器的选择。
型式 固定床
适用的反应
气固（催化或 非催化）相
应用的特点
应用举例
返混小，高转化率，催
化剂用量少，不易磨损， 乙苯脱氢制苯乙烯、
但传热控温不易，催化
合成氨
剂装卸麻烦
流化床
气固（催化或 非催化）相
稳定性； 4、根据操作温度、压力和介质的腐蚀性能，要求设备材料、形
式和结构具有可靠的机械强度和抗腐蚀性能。
反应器类型
化工反应设备复杂而多样化，根据反应器的不同特性，有不同 的分类方法，其中按结构形式的特点分成如下几种形式：
1、管式反应器 2、釜式反应器 3、塔式反应器 4、固定床反应器 5、流化床反应器 6、移动床反应器
{微元时间内进入微元体积物料所带进的热量} — {微元时间内离开微元体积物料带走的热量
} +{微元时间、微元体积反应产生的热量} -{微元时间内微元体积传递至环境或载体的热量} ={微元时间、微元体积热量的积累}
反应器计算的基本方程式
3、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
精细化工生产的特点及其对反应设备的要求
精细化学品工业简称精细化工，包括医药、兽药、农药、染料、涂 料、有机颜料、油墨、催化剂、试剂、香料、粘合剂、表面活性剂、 合成洗涤剂、化妆品、感光材料、橡胶助剂、增塑剂、稳定剂、塑料 添加剂、石油添加剂、饲料添加剂、高分子凝结剂、工业杀菌防霉剂、 芳香消臭剂、纸浆及纸化学品、汽车化学品等各个行业。这些精细化 学品的生产涉及的化学反应多、工艺流程复杂，是高技术密集行业、 其主要特点如下：
移动床反应器
移动床反应器 由固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器相似 ，不同之处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。适用于催化剂需连续进行再生的催化反应过程和固相加工 反应。 滴流床反应器，又称涓流床反应器 也属于固定床反应器，用于使用固体催化剂的气液反应，通常气 体于液体自上而下形成并流流动，有时也采用逆流操作。如石油馏 分加氢脱硫就是使用该反应器。
流化床反应器的特点
缺点： 1、气体流动状态与理想转换偏离较大，气体与颗粒返 混，没有温度差和浓度差，气体可能以气泡通过，气固接触不良， 反应转化率降低。
2、催化剂颗粒间碰撞剧烈，造成破碎，增加损失和除尘困难； 3、颗粒磨蚀作用，管道和设备腐蚀严重 流化床优点是主要的，流化态操作的经济效果不错，特别是传热 和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定，对于热效应很大的大规 模生产特别有利。比较适用于热效应很大的放热或吸热过程、要求 有均一催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较 短、操作较短时间需更换（活化）的反应；一般不适用于要求高转 化率和要求催化剂层有温度分布的反应。
反应器的设计、优化
1、气固相反应器的选择 1.1固定床反应器的特点和结构
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。主要应用在气态的反应物料通过由固体催化剂构成 的床层所进行的气固相催化反应器。气固相固定床反应器的主要优 点： a、床层内气体流动大都可以视为理想置换流动；
1、多品种 2、化学反应复杂 3、反应物料相态多样化 4、反应介质腐蚀性强 5、高技术密集
精细化工生产的特点及其对反应设备的要求
精细化工的这些特点，对反应设备的选型和设计提出如下基本要求： 1、反应器要有良好的传质和传热条件 2、建立何时的浓度、温度分布体系 3、对于强放热和吸热反应要保证足够快的传热速率和可靠的热
流化床反应器的类型和结构
流化床结构形势较多，一般由流化床反应器主体、气体分布装置 、内部构件、换热装置、气体分离装置等组成。
1、流化床反应器主体 按床层中的介质密度分为浓相段（有效体积）和稀相段，底部设 有锥底，有些床的上部有扩大段，用以增强固体颗粒的沉降。 2、气体分布装置 包括设置在锥底的预分布器和气体分布板。 3、内部构件 一般布置在浓相段，破碎气体在床中产生的气泡， 增大气固相间的接触机会，减少返混，增加反应数量和提高转化 率。主要包括挡板、挡网和填充物。 4、换热装置 常见的有单管式、套管式、列管束式、横列管束 式、U形管式、蛇管式（盘管） 5、气固分离装置 主要有旋风分离器和过滤管（网）
化学反应通常需要适宜的反应条件，如温度、压力、反应物组成 等，特别是温度较为重要。因此反应器内的过程不仅具有化学反应 特征、而且具有传递过程的特征，除了考虑遵循化学反应动力学外， 还必须考虑流体动力学、传质、传热，以及宏观动力学因素对反应的 影响，只有综合考率反应器内流动、混合、传热、传质和反应等诸多 因素，才能做到反应器的准确选型、合理设计、有效放大和最佳控制 等。
b、气体的停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利 于提高化学反应的转化率和选择性；
c、催化剂不易磨损，可以较长时间使用； d、适宜在高温、高压条件下操作； 缺陷：a、催化剂导热性不太好，床层中传热性能较差；b、不能 使用细粒催化剂；c、催化剂的再生、更换均不方便
固定床反应器的结构和类型
1、绝热式固定床反应器 可分为单段绝热式和多段绝热式 单绝热式如图，缺点反应过程中温度变化较大。
理想混合是指反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温 度完全均一。釜式反应器内，物料经强烈搅拌，可以看成达到了 理想混合。
理想置换是指在与流动方向垂直的界面上，各点的流速和流 向完全相同，即流体的浓度和温度在与流动方向垂直的界面上处 处相等，不随时间改变。
由于理想反应器计算比较简单，工业生产中许多装置可近似按理 想状况处理。理想反应器的设计计算作为实际反应器设计的基础。
传热好、温度均匀，易 控制，催化剂有效系数 大，粒子输送容易，但 损耗大，返混大，对高 转化率不利，操作条件 限制较大
苯氧化制苯酐、石油 催化裂化
移动床
气固（催化或 非催化）相
固体返混小，固气比可 变性大，但粒子传输较 易，床内温差大，调节 困难
石油催化裂化、矿物 的培烧冶炼
四、固定床反应器设计
一、固体催化剂的基础知识 工业上使用的气固相反应绝大多数都是在固体催化剂作用下的催
反应器操作方式
3、半连续操作
原料和产物只要有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，均属于半连续操作，相应的反应器称为半连续反应器 或半间歇反应器。
半连续操作同时具有连续操作和间歇操作的某些特征，半连续 反应器的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。
反应器计算的基本方程式
工业反应器的放大
原来反应器的放大采取的是逐级经验放大法，目前采用数学 模型法，实质通过数学模型来设计反应器，预测不同的反应器工 况，优化反应器操作条件。
工业反应器的设计应以经济效益和社会效益最大化为前提，对 反应器进行投入产出分析，建立经济衡算式，对投资、原料成本 、操作费用、产品成本及利润等作核算。
化反应，首先介绍固体催化剂的基础知识。 化学催化分为均相催化和非均相催化，当催化剂与反应物处于同
一相，没有相界面存在时，其催化系统称为均相催化；当催化剂与 反应物处于不同相中，催化反应在相界面进行的催化称为非均相催 化（或多相催化），在非均相催化中最重要的也是工业中应用最广 泛的就是使用固体催化剂的系统。
绪论（1课时）
ຫໍສະໝຸດ Baidu 精细化工反应器的特点及其对反应设备 的要求
反应器类型 反应器的操作方式 反应器计算基本方程式 理想反应器 工业反应器的放大
绪论（1课时）
反应器是化工生产过程中的关键设备。工业生产中的精细有机合成 反应不可能百分之百地完成，也不可能只生成一种产物。但人们通 过各种手段加以控制，在尽可能抑制副反应的前提下，努力提高转 化率，提高转化率、减少副反应，不仅可以提高反应器的生产能力 、降低反应过程中的能量消耗，而且可以充分有效地利用原料，减 轻分离装置负荷、降低分离所需能量。一个好的反应器能保证实现 这些要求，并能为操作控制提供方便。
流化床反应器的特点和结构
一、流化床反应器的特点 流化床内的固体像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，
主要适用于气－固、液－固以及气－液－固催化或非催化反应，典 型的是催化裂解装置。具有的优点：
1、有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率 2、颗粒在床内混合激烈，颗粒在全床内温度和浓度均匀一致， 有利于强放热反应的等温操作。 3、床内颗粒可大量移出或引入，并在两个床间大量循环，使得 一些反应－再生、吸热－放热、正－逆等反应得以实现，尤其催化 剂再生容易； 4、传热、传质速率较其他接触方式高 5、操作弹性范围宽，单位设备能力大、设备结构简单、造价低
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 将进行反应所需的原料一次性加入反应器内， 然后在其中反应，经过一定时间后达到所要求的反应程度后卸出 全部反应物料，接着清理反应器，继续进行下一批原料反应。
反应器操作方式
2、连续操作 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连续反应器或流动反应器。 连续操作多属于定态操作，反应器内任何部位的物系参数，如浓度、 温度 等均不随时间而改变，但却随位置而变
通式为：
{微元时间内进入微 —{微元时间内离开微 ——{微元时间、微元体积 ={微元时间、微元体积内
元体积的反应物量} 元体积的反应物量} 内转化掉的反应物量 }
反应物的积累量}
反应器计算的基本方程式
2、热量衡算式
反应均有显著的热效应，因此随着时间的进行，物系的温度也有所 变化，而温度又会影响反应速度。选取温度和浓度等参数不变的微元时 间和微元体积为基准，热量衡算通式为：
1、物料衡算式 对于简单化学反应，如
aA + bB = l L + m M
只需要对我们所着眼的一个反应物列出物料衡算式，其余的反应物
和产物的量就可由化学计量关系确定。由于反应器内温度和反应物浓度
等参数随空间或时间而变化，化学反应速度也随之改变，因而必须选择
上述参数不变的微元体积dVR和微元时间dτ作为物料衡算的空间基准和 时间基准，对于一个反应物写出任何型式和操作方式的反应器物料衡算
存在扩散阻 力，这时反应过程的速度只取决于化学反应速度。
rA _ dnA VRdt
其中
rA---以组分A表示的化学反应速度，kmol.m-3.h-1 VR—反应器有效体积，m3；
nA——组分A的物质的量，kmol
τ——反应时间，h
理想反应器
理想反应器是指流体的流动混合处于理想状态的反应器。对于 流动混合，有两种理想极限情况，即理想混合和理想置换。
（一）、催化作用与催化剂 催化既能提高反应速率，又能对反应方向进行控制，且原则上 催化剂不消耗，因此应用催化剂是提高化学反应速率与控制反应方 向较为又有效的方法。
四、固定床反应器设计
1、催化作用的定义与基本特征 （1）、定义 催化剂是一种物质，能够加速化学反应速率而不改 变反应的标准自由焓变化，这种作用称为催化作用。 （2）、催化剂基本特征