化工工艺学 第三章

应用：适用于反应热效应不大的放热反应， 热效应较大的，但对反应温度不很敏感或 是反应速率非常快的过程也可适用。
反应过程允许温度有较宽变动范围的反应；
1-矿渣棉2-瓷环3-催化剂
多段绝热式
(a)、(b)、(c)中间换热式；(d)、(e)冷激式
中间间接换热式 特点：催化剂床层的温度波动小。 缺点：结构较复杂，催化剂装卸较困难 应用：适用于放热反应
立式容器中心 搅 拌反应器 1—搅拌器 2—罐体； 3—夹套； 4—搅拌轴； 5—压出管； 6—支座； 7—人孔； 8—轴封； 9—传动装置
传动装置
搅拌反应器传动装 置
1—电动机； 2—减速器； 3—联轴器； 4—机座； 5—轴封装置； 6—底座； 7—封头； 8—搅拌轴；
釜式反应器的传热
据各种因素和条件的变化作相应的修正，以使它仍能处
于最优的条件下操作
第一节 反应过程
一、化学反应过程的分类
简单反应
一步完成的反应 复杂反应
按 反 应 机 理
经二步或两步以上的简单反应 组成的反应
可逆反应
吸热反应
不可逆反应 零级反应 一级反应 二级反应
放热反应 均相反应
非均相反应
等温过程
绝热过程 非绝热过程
颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最 大流化速度。

流化床中常见的异常现象ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
沟流 定义：气体通过床层时，其流速虽超过umf，但床内只形 成一条狭窄，大部分庆层仍处于固定状态，这种现象称为沟 流。沟流分局部沟流和贯穿沟流。 危害：产生死床，造成催化剂烧结，降低催化剂使用寿 命，降低转化率和生产能力。 造成原因： 颗粒太细、潮湿、易粘结；床层薄；气速过 低或气流分布不合理；气体分布板不合理。 消除方法：加大气速；干燥颗粒；加内部构件；改善分 布板。
冷激式 特点：反应器结构简单，便于装卸催化剂，催化剂床层的
温度波动小。
缺点：操作要求较高
应用：适用于放热反应，能做成大型催化反应器
列管式
特点：传热面积大，传热效果好，易控制
催化剂床层温度，反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。
列管式固定床反应器
载热体的选择： 一般反应温度在240℃以下宜采用加压热水作 载热体；反应温度在250℃～300℃可采用挥发性 低的导热油作载热体；反应温度在300℃的则需用 熔盐作载热体，如KNO353%，NaNO37%，
回流冷凝式:反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合。
冷、热源的选择

低温冷源的选择

冷却用水 ：水的冷却效果好，最为常用。随水 的硬度不同，对换热后的水出口温度有一定限制， 一般不宜超过60℃，在不宜清洗的场合不宜超过 50℃，以免水垢的迅速生成。
空气：在缺乏水资源的地方可采用空气冷却，其 主要缺点是给热系数低，需要的传热面积大。

根据温度条件和传热方式分类
根据温度条件分：等温、非等温式反应器 根据传热方式分
绝热式：不与外界进行热交换
外热式：由热载体供给或移走热量，
有间壁、直接、外循环传热式
蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂
的蒸发移除热量。
按操作方式分
分批(或称间歇)式操作
一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一 定的反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部 物料的生产过程。属非定态过程，反应器内参数随 时间而变。适用：小批量、多品种的生产过程。

据反应器结构分
（a） 管式反应器； （b）釜式反应器；
（c）板式塔；
（d）填料塔； （e）鼓泡塔； （f）喷雾塔； （g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i）移动床反应器；
（j）滴流床反应器
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具有 相同流动、混和、传质、传热等特征。
反应器选型原则
0.6MPa。当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较
高时，夹套必须采取加强措施。分支撑短管加强的 “蜂窝夹套”，冲压式蜂窝夹套，角钢焊在釜的外 壁上夹套。
蛇管式
当工艺需要的传热面积大，单靠夹套传热不能 满足要求时，或者是反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等 非金属材料时，可采用蛇管、插入套管、插入D形管 等传热。 蛇管浸没在物料中，热量损失少，且由于蛇管 内传热介质流速高，它的给热系数比夹套大很多。 对于含有固体颗粒的物料及粘稠的物料,容易引 起物料堆积和挂料,影响传热效果.
搅拌器的选型
按搅拌目的选型
（1）对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，各 种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡 轮式、桨式。 （2）对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用， 同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的剪切作用按 从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。
三、搅拌附件 ◆ 挡板
③结构简单。
缺点
①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式 反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，
急剧上升，超过允许范围）。 ②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁
再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应 器或移动床反应器。
二、固定床反应器的基本形式
绝热式
特点：反应器结构简单，生产能力大。 缺点：反应过程中温度变化较大。
流化床阶段：umf≤u0≤ut时,固体粒子悬浮湍动,床层分
为浓相段和稀相段，u增大而床层压降不变。 输送床阶段：u0 ＞ ut 时,粒子被气流带走,床层上界面消
失,u增大而压降有所下降。

umf——临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流 化起来的气体空床流速度，也称最小流化速度。

ut­——带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体
挡板的作用是避免旋 涡现象，增大被搅拌液体 的湍流程度，将切向流动 变为轴向和径向流动，强 化反应器内液体的对流和 扩散，改善搅拌效果。
搅拌反应器的挡板结构
◆ 导流筒
导流筒示意图
● 导流筒的作用---提高混合效率
一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅 拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于 限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型， 使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区， 减少了走短路的机会。 ● 导流筒的组成 导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。 常用于推进式和涡轮式搅拌器。
第三章 反应过程和过程优化
任何化学品的生产，都离不开三个阶段： 原料预处理、化学反应、产品精制。 化学反应过程是化工生产过程的核心
研究目的：使化学工业生产中的反应过程最优化。
（1）设计最优化：由给定的生产任务，确定反应器的
型式和适宜的尺寸及其相应的操作条件
（2）操作最优化：在反应器投产运行之后，还必须根
结构型式主要有
夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等

夹套式
夹套是套在反应器筒体外面能形成密封 空间的容器，既简单又方便。 夹套的高度取决于传热面积，而传热面 积由工艺要求确定。夹套高度一般应高于 料液的高度，应比釜内液面高出50－ 100mm左右，以保证传热。
夹套内通蒸汽时，其蒸汽压力一般不超过
流动、传递过程对反应的影响
处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识
（三传一反）： a.化学反应的规律（反应动力学）； b.传递过程的规律（质量、热量和动量的传递）； c.上述两者的结合。
数学模型法

数学模型方法的一般过程:
基本特征是过程的分解和过程的简化
将化学反应器内进行的过程分解为化学反应过
程和物理传递过程，然后分别研究化学反应规律和
传递过程规律。 经过合理简化，这些子过程都能建立数学方程 表述，化学反应过程的性质、行为和结果通过方程 的联立求解获得。
数学模型方法的实质
将复杂的实际过程按等效性原则做出合理的简
化，使之易于数学描述。实验是基础，数学方法和
计算技术是成功的关键。
第三节 釜式和鼓泡反应器
一、搅拌 搅拌目的 制备均匀混合物; 促进传质; 促进传热;
上述三种目的之间的组合
◆ 搅拌器
典型搅拌器结构示意
旋桨式搅拌器
涡轮式搅拌器
斜桨式搅拌器 锚式搅拌器
搅拌器的选型
主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特 征来进行。
按物料粘度选型
对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如 推进式、涡轮式； 对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如 锚式、框式和桨式。
高压汽水混合物
个别设备需高温加热时，较经济可行。可用于温度为 200-250℃的加热要求。
有机载热体
利用某些有机物常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高 温的热源。它的突出优点是能在较低的压力下得到较高的加热温度。 当加热温度在250℃时，可采用液体联苯混合物加热，可有三种加 热方案：自然循环加热法、强制循环加热法、夹套浴热法。 当加热温度超过250℃时，可采用联苯混合物的蒸汽加热，根据其 冷凝液回流方法的不同，也可分为自然循环与强制循环。
高温热源的选择
一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能达到150-160℃， 需要更高温度时则需考虑高温热源的选择问题。化工厂常 用的高温热源有以下几种：
压力高的饱和水蒸汽
压力可达一至数MPa，来源有高压蒸汽锅炉、利用反应 热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平。 缺点:需高压管道输送蒸汽，费用高，且远距离输送时热 损失大。
低温冷却剂
有些化工生产过程采用一般冷却方法难以达到，必须采用 特殊的制冷装置进行人工制冷。 一般多采用直接冷却方式，即利用制冷剂的蒸发直接冷却 冷间内的空气，或直接冷却被冷却物体。制冷剂一般有液 氨、液氮等。成本较高。 有些情况下则采用间接冷却方式，即被冷却对象的热量是 通过中间介质传送给在蒸发器中蒸发的制冷剂。中间介质 起传送和分配冷量的媒介作用，称为载冷剂。常用的载冷 剂有三类，即水、盐水及有机物载冷剂。
◆ 蛇管
蛇管结构
列管式
对于大型反应釜，需高速传热时，可在釜内 安装列管式换热器。
外部循环式
当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工 艺要求，或由于工艺的特殊要求无法在反应器 内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺 要求时，可以通过泵将反应器内的料液抽出， 经过外部换热器换热后再循环回反应器内。

三、反应器的开发与放大
从实验室开发到工业生产存在放大效应。 在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化
学反应，还伴随有各种物理过程，如热量的传递、
物质的流动、混和和传递等，所有这些传递过程
使得反应器内产生温度分布和浓度分布，从而影
响反应的最终结果。

化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反
应器内进行，完全排除传递过程的影响。
常压过程
负压过程 加压过程
间歇过程 连续过程 流动状况
理想置换 理想混合 中间型
半连续过程
第二节 反应器的基本研究
一、反应器的基本要求
足够的反应体积 保证良好接触 热量输入引出 足够的机械强度等等
二、反应器类型和造型原则
化学反应器的分类

按物料的聚集状态分
均相： 气相：如石油烃管式裂解炉 液相：如乙酸丁酯的生产 g-l相：如苯的烷基化 非均相： g-s相：如合成氨 l-l相：如已内酰胺缩合 l-s相：如离子交换 g-l-s相：如焦油加氢精制
按操作方式分
半分批(或称半连续)式操作
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。属于非 定态过程，反应器内参数随时间而变，也随反 应器内位置而变。
按操作方式分
连续式操作
连续加入反应物料和取出产物的生产过程。 属定态过程，反应器内参数不随时间而改变， 适于大规模生产。
NaNO240%的混合物。
第六节 流化床反应器
细小的固体颗粒被流动着的流体携带，具有像流体一样 自由流动的性质，此种现象称为固体的流态化。
流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状
固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行
气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。
流态化的形成：
流体自上而下流过催化剂床层时，根据流体流速的不 同，床层经历三个阶段： 固定床阶段：u0＜umf时，固体粒子不动，床层压降随u 增大而增大。
电加热 是一种操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控的一种高温加
热方法。有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型。
烟道气加热 用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟 道气作热源加热设备，可用于300℃以上的高温加热。缺点是热 效率低，给热系数小，温度不易控制。可用于300℃以上的高温 加热。
釜式反应器的设计
鼓泡反应器及其他
第四节 管式反应器
第五节 固定床反应器
一、固定床反应器的特点
凡是流体通过静止不动的固体催化剂或固体 反应物所形成的床层而进行反应的装置即为 固定床反应器。
优点
①返混小，流体同催化剂可进行有效接触， 当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。 ②催化剂机械损耗小。