化工反应设备

模块二典型化工设备项目二化工反应设备第一节概述反应设备的应用◆反应设备在化工生产过程中，为化学反应提供反应空间和反应条件的装置.◆反应设备的应用*通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混合均匀；*强化传热效果和相间传质；*使气体在液相中作均匀分散；*使固体颗粒在液相中均匀悬浮；*使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化。•化学反应通常要求适宜的反应条件：•例如：温度、压力、反应物组成等•特别是温度条件较为重要•温度过低，反应速度慢；•温度过高会使反应失去控制，使副反应增多，收率下降。•但要维持最适宜的温度条件并不是一件容易的事，因为化学反应一般均伴随有热效应，必须采取有效的换热措施，及时移出或加入热量，才能维持既定的温度水平。•因此，反应器内的过程不仅具有化学反应的特征，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、传热和传质以及这些宏观动力学因素对反应的影响。•只有综合考虑反应器内流动、混合、传热、传质和反应诸因素，才能做到反应器的正确选型、合理设计、有效放大和最佳控制等。按结构型式分类，可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。◆1、釜式反应器釜式反应器也称槽式、锅式反应器。◆2、管式反应器管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。第二节反应器结构型式及分类管式反应器结构示意图◆3、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◆4、固定床反应器固定床板反应器是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。以气-固反应的固定床反应器最常见。◆5、流化床反应器细小的固体颗粒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。把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反应器多用于气-固反应过程。一、鼓泡式反应器•特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相际接触面大、传质和传热效率高，适用于缓慢反应和大量放热情况）；•结构简单，操作稳定，费用低。缺点：气相压降较大。第三节气液相反应器1．简单鼓泡塔•结构见图10一1(a)•鼓泡塔为内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器，气体通过分布器上小孔鼓泡进入，液体可以间歇或连续加入反应器，连续加入的液体可以和气体并流或逆流（并流较为常见）。•气体在鼓泡塔中为分散相，液体为连续相。•为了提高气体分散程度，减少液体纵向循环，可以在反应器中安置水平多孔隔板。吸收和反应进行时，往往有热效应。•当热效应较小或设备尺寸不大时，采用设备外壳夹套即可满足传热要求；•在大型鼓泡塔中，进行强放热反应时，除利用外壳夹套换热外，还需要在反应器内加设蛇管，或采用器外换热器，使反应液体在反应器和外部换热器间循环，有时也可以利用反应液体蒸发带走热量，简单鼓泡塔中气体空塔速度不超过10cm／s。•气速太高，反应液中气量增加，使反应器处理的液体量减少，并可能引起液面及压力脉动，严重时导致设备振动。•简单鼓泡塔结构简单、运行可靠，易于实现大型化，适宜于加压操作。•但在简单鼓泡塔内不能处理密度不均一的液体，例如悬浊液等。2．气升管式鼓泡塔•其结构见图10—1(b)•在塔内装有一根或几根气升管，气体由下部气体分布器通入气升管。•气升管中气液混合物密度比环形空间中液体密度小得多，引起液体在环形空间和气升管内作循环流动，所以称为气升式鼓泡反应器。•气体在气升管内最大速度为2m／s，换算至整个塔截面空塔气速其值小于1m／s。液体循环速度可达1～2m／s。•气液的搅动比简单鼓泡塔激烈得多，因此，它能处理不均一的液体。有时把气升管壁做成夹套式；内通热载体，使气升管兼有换热的作用。二、具有搅拌器的槽式反应器◆主要包括搅拌罐、搅拌装置、密封装置搅拌罐—由罐体和传热装置组成。作用是提供反应空间和反应条件。搅拌装置—由搅拌器、搅拌轴、传动装置组成。传动装置又由电动机、减速器、联轴器及机座等组成。密封装置—防止罐内介质泄漏或外界空气进入罐内。•具有搅拌器的槽式反应器在槽下部装有搅拌器，主要作用是用于分散气体，并使液体达到充分混合。•槽式反应器搅拌器型式很多，常用的有平桨、涡轮桨。其中尤以圆盘涡轮桨为最好。•进气的方式可以是单管，放置在涡轮桨圆盘下方的中心处，并接近桨翼。•由于圆盘的存在，气体不致短路而必须通过桨翼被桨翼所击碎。•气量较大时，可采用环形多孔管分布器，环的直径不大于桨翼直径的80%，反应器气泡喷出后就能被转动桨翼刮碎并卷到翼片后面的涡流中而被粉碎，同时被沿着半径方向迅速甩出，碰壁后又折向搅拌器上下两处循环旋转。•气液混合物在离桨翼不远处含气量最高，传质速率也最快，反应器内的传质主要靠这局部区域。当液层高度与槽直径之比大于1.2以上时，反应器一般需要两层或多层桨翼，有时桨翼间还要安置多孔挡板。•气体在搅拌槽中的通过能力受液泛限制，超过液泛的气体不能在液体中分散，它们只能沿槽壁纵向上升。液体流量由化学反应时间决定，搅拌槽中的气泡由于浮力关系，其运动和液体并不完全相同。•液泛•在逆流接触的气-液反应器或传质分离设备中，气体从下往上流动。当气体的流速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出，称为液泛。•产生液泛时的气体速度或连续相速度称为液泛速度；这种操作状态称为液泛点。在设计设备时，必须使设备的操作不致发生液泛。第四节气固相固定床催化反应器•反应物料呈气态，通过由静止的催化剂颗粒构成的床层进行反应的装置，称为气固相固定床催化反应器，简称固定床反应器。•固定床反应器的结构型式，主要是为了适应不同的传热要求和传热方式，可分为绝热式和换热式。•一、绝热式•绝热式又可分为单段绝热式和多段绝热式。•单段绝热式反应器一般为一高径比不大的圆筒体，内部无换热构件，只在圆筒体下部装有栅板等构件，其上面均匀堆置催化剂。•反应气体预热到适当温度，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过床层进行反应，反应后气体经下部引出，如图10—3所示。一段反应器结构示意图•绝热式反应器结构简单、造价便宜、反应器内体积得到充分利用。•但只适用于反应热效应较小、反应温度允许波动范围较宽、单程转化率较低的场合。•如乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇，工业上采用单段绝热式反应器。•多段绝热式－－在段间进行反应物料的换热，根据换热要求，可以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，此称之为冷激式。•多段绝热各种换热方式的反应器示意图见图10—4。•在基本有机化工中，如环己醇脱氢制环己酮，换热要求不高，故采用段间设换热构件的多段绝热式反应器。一氧化碳和氢合成甲醇采用多段绝热式反应器时，在段间通原料气进行急冷。•二、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。按换热介质的不同，又可分为对外换热式和自身换热式。•1．对外换热式•以各种载热体为换热介质，称为对外换热式。基本有机化工中应用最多的是换热条件较好的列管式反应器。其结构类似管壳式热交换器。通常在管内充填催化剂，反应气体自上而下通过催化剂床层进行反应。管间通载热体，管径一般为20~50mm。列管管径的选择与反应热效应有关。热效应愈大，为使径向温度比较均匀，就应采用较小的管径。根据生产规模，列管数可从数百根到数千根。•为使气体在各管内分布均匀，以达到反应所需停留时间和温度条件，催化剂的填充十分重要。必须做到填充均匀，各管阻力力求相等。为了减少流动压降，催化剂粒径不宜过小，一般在2~6mm左右。载热体可以根据反应温度范围进行选择。•常用的有：冷却水、加压水(373~573K)、导生液(联苯和二苯醚混合物473~623K)、熔盐(如硝酸钠、硝酸钾和亚硝酸钠混合物，573~773K)、烟道气(873～973K)等。•载热体温度与反应温度之差不宜太大，以免造成靠近管壁的催化剂过冷或过热，过冷时，催化剂不能充分发挥作用；过热时，可能使催化剂失活。载热体必须循环，以增强传热效果。•采用不同载热体和载热体循环方式的列管式固定床反应器如图10一5所示。•图10一5(a)为沸腾式，其特点是整个反应器内载热体温度基本恒定。例如乙炔与氯化氢合成氯乙烯，采用沸腾水为载热体，反应热使沸腾水部分汽化，分离出蒸汽后，冷凝液补加部分软水循环使用。•图10一5(b)为内部循环式，例如生产丙烯腈和苯酐的反应器，以熔盐为载热体，用旋桨式搅拌器强制熔盐循环，并使熔盐吸收的热量传递给水冷换热构件，设备结构比较复杂。图10—5C为外部循环式，例如乙烯氧化制环氧乙烷，以导生液为载热体，用泵进行外部强制循环。•2．自身换热式•在反应器内，以原料气为换热介质，通过管壁与反应物料换热，以维持反应温度的反应器称之为自身换热式。一般都用于热效应不太大的高压反应。既能做到热量自给，又不需另设高压换热设备。•主要用于合成氨和甲醇的生产。•固定床反应器发展了径向反应器。工业上甲苯歧化制苯和二甲苯就采用径向反应器。径向反应器中的流体流动如图10一6所示。•径向反应器气体流通路径短、压降小、可使用小颗粒催化剂等优于传统固定床反应器的技术特征，在苯乙烯、催化重整、芳烃异构和歧化等领域上被广泛应用，但技术十分复杂。3.2汽油加氢反应器•3.2.1典型汽油加氢反应器的情况介绍•3.2.1.1反应器类型•常用的反应设备主要有固定床反应器、流化床反应器和搅拌反应器，典型汽油加氢反应器均为固定床反应器，主要类型特征见表3-9。固定床反应器多用于大规模气相反应，参加反应的气体通过静止的催化剂进行反应。反应流体的组成沿流动方向而变化，在与流动垂直的方向上组成也可能由于温度梯度而变化。表3-9典型汽油加氢反应器的类型特征名称传热特点结构型式集聚状态操作方式一段反应器绝热型单层固定床气固液非均相连续式二段反应器绝热型单层固定床气液固非均相连续式•广石化化工一部汽油加氢反应器第五节流化床反应器•不同的反应过程采用的流化床反应器，结构各有差异。•我们以丙烯氨氧化流化床反应器为示例。原料混合气以一定速度通过底部气流分布板而急剧上升时，将反应器床层上堆积的固体催化剂细粒强烈搅动，上下浮沉，看起来非常像沸腾的液体，故称之为沸腾床，如图10—7所示。•流化床的下部为浓相段，化学反应主要在此段进行。在浓相段中装有冷却水管和导向挡板。冷却水管是为了控制反应温度，回收反应热。导向挡板是为了改善气固接触条件。•上部为稀相段。在稀相段也装有冷却水管，目的是将反应温度降至规定的温度以下，以便中止反应。稀相段之上为扩大段。扩大段内装有内旋风分离器，以分离并回收被反应气夹带的催化剂细粒。•流化床反应器比较适用于下述过程：•①热效应很大的放热或吸收过程；•②要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应；•③催化剂寿命比较短，操作较短时间就需要更换(或活化)的反应；•④有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高浓度下操作的氧化反应，可以提高生产能力，减少分离和精制的负担。•流化床反应器一般不适用如下情况：•①要求高转化率的反应；•②要求催化剂层有温度分布的反应。第六节管式裂解炉管式加热炉•烃类进行裂解反应的设备称为裂解炉。•由于管式炉设备有比较简单，连续操作，动力消耗小，裂解气质量好以及便于大型化等优点，因此已被广泛应用于烯烃生产(乙烯和丙烯)。•是国内外烯烃工业生产装置中最成熟、最实用和操作较稳定的装置。•管式炉的炉型种类很多，分类的方法也很多。按炉型分类，有方箱式炉、立式炉、梯台炉、门式炉等。按炉管布置方式分类，有水平管式和垂直管式(或称横管式和竖管式)。•按燃烧方式分类，有直焰式和无焰辐射式等。•方箱式炉•管式炉系由辐射室和对流室两部分组成，燃料燃烧所在区域称辐射室。辐射室和对流室均装有炉管，炉管材质按温度进行选择。高温段(1173～937K)采用Cr23Nil8合金钢，中温段(973～773K)采用Cr5Mo合金钢，低温段(