第三章反应过程与技术

1、第三章反应过程与技术 第三章第三章 反应过程与技术反应过程与技术 n当原料的预处理达到反应过程进行的条当原料的预处理达到反应过程进行的条 件后件后,下一步的问题是如何使反应顺利进下一步的问题是如何使反应顺利进 行达到规定的转化率行达到规定的转化率(或理论原子利用率或理论原子利用率) 和产品质量和产品质量,这从工艺上就要求我们这从工艺上就要求我们: 选用合适的反应器选用合适的反应器 确定好工艺参数确定好工艺参数(或操作条件或操作条件) 测量和控制好工艺参数测量和控制好工艺参数 第三章反应过程与技术 本章的教学目标本章的教学目标 了解反应过程和反应器的分类了解反应过程和反应器的分类,理解反应理解反

2、应 器的选型原则器的选型原则,并在此基础上根据常见反并在此基础上根据常见反 应器的特点和应用情况应器的特点和应用情况,初步选择型式合初步选择型式合 适的反应器。适的反应器。 运用反应过程的理论问题运用反应过程的理论问题,分析和确定主分析和确定主 要工艺参数要工艺参数(操作条件操作条件)。 熟悉反应条件的测量和控制技术熟悉反应条件的测量和控制技术,确保反确保反 应器的操作达到反应条件的要求。应器的操作达到反应条件的要求。 第三章反应过程与技术 本章主要讨论四个问题本章主要讨论四个问题 一、反应过程与反应器的基本研究一、反应过程与反应器的基本研究 二、常见型式的反应器二、常见型式的反应器 三、主要

3、工艺参数的确定三、主要工艺参数的确定 四、反应参数的测量与控制四、反应参数的测量与控制 第三章反应过程与技术 一、反应过程与反应器的基本研究一、反应过程与反应器的基本研究 （一）化学反应过程的分类（一）化学反应过程的分类 （二）反应过程的理论问题（二）反应过程的理论问题 （三）反应器的基本要求（三）反应器的基本要求 （四）反应器类型和选型原则（四）反应器类型和选型原则 （五）反应器的开发与放大（五）反应器的开发与放大 第三章反应过程与技术 （一）化学反应的分类（一）化学反应的分类 第三章反应过程与技术 （一）化学反应过程的分类（一）化学反应过程的分类 1、按化学反应的特性分类、按化学反应的特性

4、分类 如按反应物系的相态如按反应物系的相态,可分为可分为: 多相多相(复相复相) 单相单相(均相均相) 气相气相(G) 液相液相(L) 三相三相 两相两相 多相多相 气气-液液-固固(G-L-S) 气气-液液(G-L) 液液-液液(L-L) 气气-固固(G-S) 液液-固固(L-S) 按按 反反 应应 物物 系系 相相 态态 分分 类类 第三章反应过程与技术 （一）化学反应过程的分类（一）化学反应过程的分类 2、按反应过程进行的条件分类、按反应过程进行的条件分类 如按操作方式可分为如按操作方式可分为: 间隙间隙 连续连续反应物连续加入，产物连续排出反应物连续加入，产物连续排出 半间隙半间隙(半

5、连续半连续)部分反应物部分反应物 一次加入，另一部分反应物连续一次加入，另一部分反应物连续 加入，加入， 直至反应结束或反应器充直至反应结束或反应器充 满，经反应排出产物满，经反应排出产物 间隙间隙一次或分次加入反应一次或分次加入反应 物，反应结束排出产物物，反应结束排出产物 按按 操操 作作 方方 式式 分分 类类 第三章反应过程与技术 （二）反应过程的理论问题（二）反应过程的理论问题 1、化学热力学、化学热力学 u判断化学反应过程能否发生和进行的方向判断化学反应过程能否发生和进行的方向 化学热力学理论表明化学反应沿着自由能降低的方向进行化学热力学理论表明化学反应沿着自由能降低的方向进行 因

6、此，通过自由能的计算可确定化学反应过程进行的方向因此，通过自由能的计算可确定化学反应过程进行的方向 u确定化学反应过程进行的最大限度确定化学反应过程进行的最大限度 化学平衡原理和平衡常数的计算，为确定化学反应过程进行的最化学平衡原理和平衡常数的计算，为确定化学反应过程进行的最 大限度提供了理论依据和方法大限度提供了理论依据和方法 u化学反应过程热效应的计算化学反应过程热效应的计算 第三章反应过程与技术 （二）反应过程的理论问题（二）反应过程的理论问题 2、化学动力学、化学动力学 u化学反应过程进行的机理化学反应过程进行的机理 u建立化学动力学模型建立化学动力学模型 即确定反应过程的化学反应速率

7、与其影响因素之间的函数关系式即确定反应过程的化学反应速率与其影响因素之间的函数关系式 动量传递动量传递 热量传递热量传递 质量传递质量传递 3、传递工程学、传递工程学 q其内容包括其内容包括 第三章反应过程与技术 反应器要有足够的反应体积反应器要有足够的反应体积 反应器的结构要保证反应物之间、反应物与催反应器的结构要保证反应物之间、反应物与催 化剂之间的良好接触化剂之间的良好接触 反应器要保证及时有效地输入或引出热量反应器要保证及时有效地输入或引出热量,以使以使 反应过程在最适宜的操作温度下进行反应过程在最适宜的操作温度下进行 反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力反应器要有足够的机械强度和耐腐

8、蚀能力,以保以保 证反应过程安全可靠，经济耐用证反应过程安全可靠，经济耐用 反应器要尽量做到易操作、易控制、易制造、反应器要尽量做到易操作、易控制、易制造、 易安装、易维护检修易安装、易维护检修 （三）反应器的基本要求（三）反应器的基本要求 第三章反应过程与技术 （四）反应器类型和选型原则（四）反应器类型和选型原则 1、反应器类型、反应器类型 不同类型反应器的示意图不同类型反应器的示意图 第三章反应过程与技术 （四）反应器类型和选型依据（四）反应器类型和选型依据 1. 反应器类型反应器类型 不同类型反应器在工业生产中的应用不同类型反应器在工业生产中的应用 第三章反应过程与技术 反应器型式与特征

9、反应器型式与特征 第三章反应过程与技术 反应器型式与特征反应器型式与特征(续表续表) 第三章反应过程与技术 （四）反应器类型和选型原则（四）反应器类型和选型原则 2. 反应器选型原则反应器选型原则 反应类型和特征反应类型和特征:如是单相还是多相如是单相还是多相;反应式、反应速度等反应式、反应速度等 反应过程的特征和要求反应过程的特征和要求:如转化率和单程转化如转化率和单程转化 率、反应选择性、反应的压力降、能耗要求等率、反应选择性、反应的压力降、能耗要求等 由反应的浓度效应决定的混合要求由反应的浓度效应决定的混合要求:例如例如 若副反应级数大于主反应，应保持较低若副反应级数大于主反应，应保持较

10、低 的反应浓度，应选择混返程度大的反应器的反应浓度，应选择混返程度大的反应器 q对于平行反应对于平行反应 若主反应级数大于副反应，应保持较高的若主反应级数大于副反应，应保持较高的 反应浓度，因此要求反应器的流型为活塞流反应浓度，因此要求反应器的流型为活塞流 第三章反应过程与技术 （四）反应器类型和选型原则（四）反应器类型和选型原则 2. 反应器选型原则反应器选型原则 由反应的热负荷和温度效应所决定的热量传递由反应的热负荷和温度效应所决定的热量传递 和温度控制要求：如反应器是否需加热装置或和温度控制要求：如反应器是否需加热装置或 泠却装置泠却装置 相际传递和化学反应的相对速度相际传递和化学反应的

11、相对速度 q实例实例:对于对于 气液反应器气液反应器 若是传质控制若是传质控制,应选择气液接触面大、应选择气液接触面大、 持液量较小的反应器持液量较小的反应器,如喷雾塔、喷射如喷雾塔、喷射 反应器；反应器； 若是反应控制，则应选择持液量大的若是反应控制，则应选择持液量大的 反应器，如鼓泡塔、板式塔反应器，如鼓泡塔、板式塔 反应器的特征反应器的特征(见前述见前述) 第三章反应过程与技术 3. 各种型式反应器的特点和应用实例各种型式反应器的特点和应用实例 第三章反应过程与技术 第三章反应过程与技术 （五）反应器的开发与放大（五）反应器的开发与放大 1、反应器的开发、反应器的开发 文文 献献 预实验

12、预实验 初步决策初步决策 放大判据放大判据 判据筛选判据筛选 过程分解和简化过程分解和简化 模模 型型 检检 验验 参数估计参数估计 中中 试试 最终决策最终决策 第三章反应过程与技术 p 方法之一方法之一:逐级经验放大法逐级经验放大法 所谓逐级经验放大，就是通过小型反应器进行工所谓逐级经验放大，就是通过小型反应器进行工 艺试验，优选出操作条件和反应器型式艺试验，优选出操作条件和反应器型式,确定所能达到确定所能达到 的技术经济指标。据此再设计和制造规模稍大一些的的技术经济指标。据此再设计和制造规模稍大一些的 装置，进行所谓模型试验。根据模型试验的结果，再装置，进行所谓模型试验。根据模型试验的结

13、果，再 将规模增大，进行中间试验，由中间试验的结果，放将规模增大，进行中间试验，由中间试验的结果，放 大到工业规模的生产装置。如果放大倍数太大而无把大到工业规模的生产装置。如果放大倍数太大而无把 握时，往往还要进行多次不同规模的中间试验，然后握时，往往还要进行多次不同规模的中间试验，然后 才能放大到所要求的工业规模。才能放大到所要求的工业规模。 （五）反应器的开发与放大（五）反应器的开发与放大 1、反应器的放大、反应器的放大 第三章反应过程与技术 逐级经验放大法规定的人为决策序列为逐级经验放大法规定的人为决策序列为: 一般而言，反应结果是结构变量、操作变量、几何变量三者的函数，一般而言，反应结

14、果是结构变量、操作变量、几何变量三者的函数， 而三者之间又存在交互影响。逐级经验放大方法把这三种变量看成是相而三者之间又存在交互影响。逐级经验放大方法把这三种变量看成是相 互独立的，可以逐个依次决定的。上图认为小试中哪种反应器型式最优，互独立的，可以逐个依次决定的。上图认为小试中哪种反应器型式最优， 大型化后必定最优，小试中的最优工艺条件，在工业装置上仍是最优的。大型化后必定最优，小试中的最优工艺条件，在工业装置上仍是最优的。 由此可见，逐级经验放大方法人为地规定了决策序列，是不符合化学工由此可见，逐级经验放大方法人为地规定了决策序列，是不符合化学工 程理论的，但又是无奈的。因为不可能在大型装

15、置上大幅度地选择工艺程理论的，但又是无奈的。因为不可能在大型装置上大幅度地选择工艺 条件，即不能先建厂后试验。条件，即不能先建厂后试验。 此法的优缺点：可靠程度较高（因为它每级放大均建立在实验基础此法的优缺点：可靠程度较高（因为它每级放大均建立在实验基础 之上），但此种方法周期长、成本高、又难以做到高倍数的放大。之上），但此种方法周期长、成本高、又难以做到高倍数的放大。 第三章反应过程与技术 实验室小试实验室小试 反应动力学反应动力学 模型模型 反应器反应器 数学模型数学模型 计算机求解计算机求解工业反应器设计工业反应器设计 冷漠试验冷漠试验 反应器反应器 传递模型传递模型 中间实验中间实验

16、p方法之二方法之二:数学模型法数学模型法,其工作程序如下图其工作程序如下图 2、反应器的放大、反应器的放大 （五）反应器的开发与放大（五）反应器的开发与放大 注意注意:一个完整的反应器数学模型主要包括反应动力学方程、物料衡一个完整的反应器数学模型主要包括反应动力学方程、物料衡 算方程、热量衡算方程、动量衡算方程和参数计算式五个内容。算方程、热量衡算方程、动量衡算方程和参数计算式五个内容。 第三章反应过程与技术 二、常见型式的反应器二、常见型式的反应器 （一）釜式和鼓泡反应器（一）釜式和鼓泡反应器 （二）管式反应器（二）管式反应器 （三）固定床反应器（三）固定床反应器 （四）流化床反应器（四）流

17、化床反应器 第三章反应过程与技术 （一）釜式和鼓泡反应器（一）釜式和鼓泡反应器 1. 釜式反应器釜式反应器 2. 鼓泡反应器鼓泡反应器 3. 其它常见气液反应器其它常见气液反应器 第三章反应过程与技术 1-传动装置传动装置 2-轴封轴封 3-人孔人孔 4-支座支座 5-压料管压料管 6-搅拌轴搅拌轴 7-夹套夹套 8-釜体釜体 9-搅拌器搅拌器 1. 釜式反应器釜式反应器 第三章反应过程与技术 反应器壳体反应器壳体 搅拌器搅拌器 传动及密封装置传动及密封装置 换热装置换热装置 （1）釜式反应器基本结构）釜式反应器基本结构 壳体部分主要包括筒体、底、盖壳体部分主要包括筒体、底、盖(或称封头或称封

18、头)、 手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。 第三章反应过程与技术 筒体由钢板卷焊成圆桶再焊上钢板压筒体由钢板卷焊成圆桶再焊上钢板压 成的釜底成的釜底,配上釜盖。其釜底的形状有平面配上釜盖。其釜底的形状有平面 形、碟形、椭圆形和球形形、碟形、椭圆形和球形(见下图见下图),也有的釜也有的釜 底为锥形。底为锥形。 第三章反应过程与技术 釜式反应器安装搅拌器的作用是加强物料的均匀混釜式反应器安装搅拌器的作用是加强物料的均匀混 合，强化釜内酌传热和传质过程。常用的搅拌器有桨式、合，强化釜内酌传热和传质过程。常用的搅拌器有桨式、 框式、锚式、旋桨式、涡轮式和螺带式等框

19、式、锚式、旋桨式、涡轮式和螺带式等,如下图所示。如下图所示。 搅拌器的性能与用途如下表所示。搅拌器的性能与用途如下表所示。 第三章反应过程与技术 搅拌搅拌器器的性能与用途的性能与用途 第三章反应过程与技术 搅拌搅拌器器的性能与用途的性能与用途(续表续表) 搅拌器的选用搅拌器的选用:在一般情况下在一般情况下,对低黏性均相液体混合对低黏性均相液体混合,可选用任何型可选用任何型 式的搅拌器式的搅拌器;对非均相液体分散混合对非均相液体分散混合,选用旋桨式、涡轮式搅拌器为好；选用旋桨式、涡轮式搅拌器为好； 在有固体悬浮物存在在有固体悬浮物存在,固浓密度差较大时固浓密度差较大时,选用涡轮式搅拌器选用涡轮式

20、搅拌器,固浓密度差固浓密度差 较小时较小时,选用桨式搅拌器选用桨式搅拌器;对于物料黏性很大的液体混合对于物料黏性很大的液体混合,可选用锚式搅拌可选用锚式搅拌 器。对需要有更大搅拌强度或需使搅拌液体做上、下翻腾运动的情况，器。对需要有更大搅拌强度或需使搅拌液体做上、下翻腾运动的情况， 可根据需要在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。可根据需要在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。 第三章反应过程与技术 釜式反应器具有单釜式反应器具有单 独的传动装置独的传动装置,一般一般 包括电动机、减速器、包括电动机、减速器、 联轴器及搅拌轴等，联轴器及搅拌轴等， 如图所示。电动机经如图所示。电动机经

21、减速器将转速减至按减速器将转速减至按 工艺要求的搅拌转速工艺要求的搅拌转速 下下,再通过联轴器带再通过联轴器带 动搅拌轴旋转。动搅拌轴旋转。 传动及密封装置传动及密封装置 第三章反应过程与技术 轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。 第三章反应过程与技术 换热装置：用来加热或冷却反应物料，换热装置：用来加热或冷却反应物料， 使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结 构型式主要有：构型式主要有： 第三章反应过程与技术 各种换热装置的选择主要视传热表面是否易被污染而需要清洗各种换热装置的选择主要视传热表面是否易被污染而需要清

22、洗,所所 需传热面积的大小需传热面积的大小,传热介质的泄漏可能造成的后果以及传热介质的温传热介质的泄漏可能造成的后果以及传热介质的温 度和压力等因数来决定。一般在需要较大传热面积时度和压力等因数来决定。一般在需要较大传热面积时,采用蛇管式或列采用蛇管式或列 管式换热器管式换热器;反应在沸腾下进行时反应在沸腾下进行时,采用釜外回流冷凝器取走热量采用釜外回流冷凝器取走热量;在需在需 要较小传热面积时要较小传热面积时,传热介质压力又较低的情况下传热介质压力又较低的情况下,采用简单的夹套式换采用简单的夹套式换 热器比较适宜。热器比较适宜。 第三章反应过程与技术 主要应用于液主要应用于液-液均相反应过程

23、液均相反应过程,在气在气-液、液液、液-液非均液非均 相反应过程也有应用。在生产过程中相反应过程也有应用。在生产过程中,既可适用于间歇既可适用于间歇 操作过程操作过程,又可单釜或多釜串联适用于连续操作过程。又可单釜或多釜串联适用于连续操作过程。 其中在间歇操作过程中应用较多。它具有温度和压力其中在间歇操作过程中应用较多。它具有温度和压力 范围宽范围宽,适应性强适应性强,操作弹性大操作弹性大,连续操作时温度、浓度容连续操作时温度、浓度容 易控制易控制,产品质量均一等特点。但若应用在需要较高转产品质量均一等特点。但若应用在需要较高转 化率的工艺要求时化率的工艺要求时,有需要较大容积的缺点。通常在操

24、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操作作条件比较缓和的情况下操作,如常压、温度较低且低如常压、温度较低且低 于物料沸点时于物料沸点时,应用此类反应器最为普遍。应用此类反应器最为普遍。 （2）釜式反应器的应用与特点）釜式反应器的应用与特点 第三章反应过程与技术 2. 鼓泡反应器鼓泡反应器 （1）什么是鼓泡反应器）什么是鼓泡反应器 是指气体鼓泡通过含有反应物或催化是指气体鼓泡通过含有反应物或催化 剂的液层以实现气液相反应过程的反应器剂的液层以实现气液相反应过程的反应器 （2）鼓泡反应器的特征）鼓泡反应器的特征 之一之一,可用于慢反应及放热量较大的反应可用于慢反应及放热量较大的反

25、应 分析分析:在器内在器内,气体为分散相气体为分散相,液体为连续相液体为连续相.由于气体的由于气体的 高度分散和扰动高度分散和扰动,其相界面积很大其相界面积很大,传质与传热也相当高传质与传热也相当高; 而且液相的滞留大而且液相的滞留大,反应时间持续长反应时间持续长. 之二之二,结构较简单结构较简单,投资及维修费用低投资及维修费用低 第三章反应过程与技术 （3）鼓泡反应器的两种形式）鼓泡反应器的两种形式 鼓泡塔鼓泡塔 1-塔体塔体;2-夹套夹套;3-气体分布器气体分布器;4-塔体塔体;5-挡板挡板;6-塔外换热器塔外换热器;7-液体扑集器液体扑集器;8-扩大段扩大段 第三章反应过程与技术 鼓泡塔

26、鼓泡塔 导流筒导流筒 第三章反应过程与技术 通气搅拌釜通气搅拌釜 第三章反应过程与技术 3. 其它常见气液反应器其它常见气液反应器 填料反应器填料反应器板式反应器板式反应器降膜反应器降膜反应器喷雾反应器喷雾反应器 第三章反应过程与技术 鼓泡反应器鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器喷射或文氏反应器喷射或文氏反应器 第三章反应过程与技术 管式气液反应器管式气液反应器 第三章反应过程与技术 含义含义:一种呈管状、长径比很一种呈管状、长径比很 大的连续操作反应器。物料大的连续操作反应器。物料 的流动可近似地视为平推流的流动可近似地视为平推流 （即活塞流（即活塞流:是指液体仅在其是指液体仅在其 流动

27、方向上作一维单向的流流动方向上作一维单向的流 动动,呈活塞状向前推进）呈活塞状向前推进） 。 特征特征:沿着物料的流动方向沿着物料的流动方向,物物 料的温度和浓度不断变化料的温度和浓度不断变化,而而 垂直于物料流动方向的任一垂直于物料流动方向的任一 截面上物料的所有参数截面上物料的所有参数(如温如温 度、浓度、压力、速度度、浓度、压力、速度)都相都相 同同,因此所有物料质点在反应因此所有物料质点在反应 器中具有相同的停留时间。器中具有相同的停留时间。 （二）管式反应器（二）管式反应器 活塞流反应器的活塞流反应器的 基本方程式为基本方程式为 第三章反应过程与技术 这种反应器可以很长，如丙烯二这种

28、反应器可以很长，如丙烯二 聚的反应器管长以公里计。反应器的聚的反应器管长以公里计。反应器的 结构可以是单管，也可以是多管并联；结构可以是单管，也可以是多管并联； 可以是空管，如管式裂解炉，也可以可以是空管，如管式裂解炉，也可以 是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，是在管内填充颗粒状催化剂的填充管， 以进行多相催化反应，如列管式固定以进行多相催化反应，如列管式固定 床反应器。通常，反应物流处于湍流床反应器。通常，反应物流处于湍流 状态时，空管的长径比大于状态时，空管的长径比大于50；填充；填充 段长与粒径之比大于段长与粒径之比大于100(气体气体)或或200 （液体）。（液体）。 第三章反应过程与

29、技术 1. 管式反应器的结构型式管式反应器的结构型式 第三章反应过程与技术 2. 管式反应器的应用与特点管式反应器的应用与特点 管式反应器的几个特点管式反应器的几个特点: q易于实现自动控制易于实现自动控制 q特别适用于热效应大的反应特别适用于热效应大的反应 q生产率高生产率高 q适用于大型化和连续化化工生产适用于大型化和连续化化工生产 管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程, 亦可适用于气亦可适用于气-固、液固、液-固非均相催化反应过程。固非均相催化反应过程。 第三章反应过程与技术 （三）固定床反应器（三）固定床反应器 1. 定义与特点定义与特点 2

30、. 工业应用工业应用 3. 类型类型 第三章反应过程与技术 凡是流体通过凡是流体通过 静止不动的固体催静止不动的固体催 化剂或固体反应物化剂或固体反应物 所形成的床层而进所形成的床层而进 行反应的装置称为行反应的装置称为 固定床反应器。典固定床反应器。典 型结构如右图。型结构如右图。 （一）定义与特点（一）定义与特点 1、定义、定义 第三章反应过程与技术 2、特点、特点 主要优点：床层内流体的流动接近活主要优点：床层内流体的流动接近活 塞流，可用塞流，可用 较小量的催化剂和较小的反应较小量的催化剂和较小的反应 器容积获得较大的生产能力；当伴有串联器容积获得较大的生产能力；当伴有串联 副反应时，

31、可获得较高的选择性；结构简副反应时，可获得较高的选择性；结构简 单，操作方便，催化剂机械磨损小。单，操作方便，催化剂机械磨损小。 主要缺点主要缺点:“热点热点”，“飞温飞温”现象；现象； 不能使用过细催化剂；催化剂的再生和更不能使用过细催化剂；催化剂的再生和更 换也不便。换也不便。 第三章反应过程与技术 “热点热点”与与“飞温飞温”现象现象 由于床层内固体催化剂是静止不动的，而催化剂由于床层内固体催化剂是静止不动的，而催化剂 载体往往又是热的不良导体，这就造成了固定床传热载体往往又是热的不良导体，这就造成了固定床传热 性能较差，温度控制也较困难。尤其对于放热反应而性能较差，温度控制也较困难。尤

32、其对于放热反应而 言，在固定床气体流动方向上往往存在一个最高温度言，在固定床气体流动方向上往往存在一个最高温度 点，通常称为点，通常称为“热点热点”。 若固定床反应器设计或操作不当，以致床层内的若固定床反应器设计或操作不当，以致床层内的 “热点热点”温度超过工艺允许的最高温度，甚至失去控温度超过工艺允许的最高温度，甚至失去控 制，出现制，出现“飞温飞温”现象。此时，床层内催化剂的活性现象。此时，床层内催化剂的活性 和选择性、使用寿命、设备强度等性能也受到了严重和选择性、使用寿命、设备强度等性能也受到了严重 的危害，严重时甚至会发生生产事故。的危害，严重时甚至会发生生产事故。 第三章反应过程与技

33、术 目前，固定床反应器己成为气目前，固定床反应器己成为气固相催化反固相催化反 应的最主要型式之一，它几乎适用于所有以气应的最主要型式之一，它几乎适用于所有以气 体反应物为原料在固体催化剂作用下的催化反体反应物为原料在固体催化剂作用下的催化反 应过程，因而在化工生产中得到广泛推广与应应过程，因而在化工生产中得到广泛推广与应 用。例如，石油炼制工业中的裂化、重整、异用。例如，石油炼制工业中的裂化、重整、异 构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成氨、 合成硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的合成硫酸、天然气转化等；有机化学工业中的 乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水

34、合制乙醇、乙苯乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、乙苯 脱氢制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。脱氢制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。 （二）工业应用（二）工业应用 第三章反应过程与技术 P197-198列出了固定床的重要工业应用列出了固定床的重要工业应用 第三章反应过程与技术 第三章反应过程与技术 （三）类型（三）类型 类型类型 绝热式：绝热式： 催化剂均匀堆置于床内，床内没有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换热装置，预热到一定温度的反 应物料流过床层进行反应即可应物料流过床层进行反应即可 多段绝热式多段绝热式 由数段绝热床层组成，段间可间接由数段绝热床层组成，段间可间接 换热

35、，或直接引入气体反应物（或换热，或直接引入气体反应物（或 惰性组分）以控器内的轴向温度分布惰性组分）以控器内的轴向温度分布 列管（多管）式列管（多管）式 自热式自热式 第三章反应过程与技术 （三）类型（三）类型 绝热式固定床绝热式固定床 反应器反应器 绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 在两绝热层间加换热器来调剂温度在两绝热层间加换热器来调剂温度 1-矿渣棉矿渣棉;2-瓷环瓷环;3-催化剂催化剂 第三章反应过程与技术 （三）类型（三）类型 绝热式固定床绝热式固定床 （换热盘换热）（换热盘换热） 绝热式固定床绝热式固定床 （外加物泠激）（外加物泠激） 绝热式固定床绝热式固定床 （ 原料气泠激）

36、原料气泠激） 第三章反应过程与技术 （三）类型（三）类型 列管式固定床列管式固定床 （乙炔法合成氯（乙炔法合成氯 乙烯反应器）乙烯反应器） 第三章反应过程与技术 （三）类型（三）类型 自热式固定床自热式固定床 （氨合成塔的结构与工（氨合成塔的结构与工 况示意图）况示意图） 第三章反应过程与技术 轴向和径向合成塔轴向和径向合成塔(气体作体径向流动气体作体径向流动,因流因流 程短程短,可用较细粒子而压降不大可用较细粒子而压降不大,节省了动力节省了动力, 提高了催化剂的有效系数提高了催化剂的有效系数) 第三章反应过程与技术 （四）流化床反应器（四）流化床反应器 （一）基本概念（一）基本概念 （二）结

37、构（二）结构 （三）生产原理（三）生产原理 （四）工业应用（四）工业应用 第三章反应过程与技术 （一）基本概念（一）基本概念 所谓硫化床所谓硫化床,就是流体就是流体(气体或液体气体或液体)以较高的以较高的 流速通过床层流速通过床层,带动床内的固体颗体作迅速运动带动床内的固体颗体作迅速运动 和使之悬浮在流动的主体流中和使之悬浮在流动的主体流中,并呈现出类似流并呈现出类似流 体流动的特征状态体流动的特征状态(如下图所示如下图所示)。 床内相应的流动状态床内相应的流动状态(流流 态态)称为流化态称为流化态 特别在气特别在气固流化床中，固流化床中， 流化气体常以气泡形式流化气体常以气泡形式 通过床层，

38、犹如水的沸通过床层，犹如水的沸 腾，故流化床又常称为腾，故流化床又常称为 沸腾床。沸腾床。 第三章反应过程与技术 （二）结构（二）结构 1-壳体壳体; 2-扩大段扩大段; 3-旋风分离器旋风分离器; 4-流化气体入口流化气体入口; 5-换热管换热管; 6-催化剂入口催化剂入口; 7-催化剂排出口催化剂排出口; 8-气体分布器气体分布器; 9-冷却水进口冷却水进口; 10-冷却水排出口冷却水排出口; 11-内部构件内部构件 示意图示意图 第三章反应过程与技术 主体：浓相段和稀相段主体：浓相段和稀相段 气体分布装置：包括气体预分布器和气体分布板两部气体分布装置：包括气体预分布器和气体分布板两部 分

39、。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的初始流分。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的初始流 化条件，同时支承固体颗粒。化条件，同时支承固体颗粒。 内部构件：包括挡网、挡板和填充物等，主要用来破内部构件：包括挡网、挡板和填充物等，主要用来破 碎气体在床层中产生的大气泡，增大气碎气体在床层中产生的大气泡，增大气固相间的接固相间的接 触机会，减少返混，从而增加反应速率和提高转化率。触机会，减少返混，从而增加反应速率和提高转化率。 换热装置：其作用是用来取出或供给反应所需要的热换热装置：其作用是用来取出或供给反应所需要的热 量。根据需要分为外夹套换热器和内管换热器，也可量。根据需要分为外夹套换热器和内

40、管换热器，也可 采用电感加热或载热体换热。采用电感加热或载热体换热。 气气固分离装置：是用来回收上升的气流带走的大量固分离装置：是用来回收上升的气流带走的大量 细粒使其返回床层，避免带出的粉尘影响产品的纯度。细粒使其返回床层，避免带出的粉尘影响产品的纯度。 1. 基本结构基本结构 第三章反应过程与技术 2. 结构型式结构型式(参见参见P207图图3-50-52) 第三章反应过程与技术 第三章反应过程与技术 流化床结构型式的选择，应该根据工艺过程的特点来考虑。主要有流化床结构型式的选择，应该根据工艺过程的特点来考虑。主要有 化学反应的类型、反应级数、反应速率、副反应情况、反应热以及反化学反应的类

41、型、反应级数、反应速率、副反应情况、反应热以及反 应对温度和压力条件的要求等；催化刑使用寿命，粒度分布、强度等应对温度和压力条件的要求等；催化刑使用寿命，粒度分布、强度等 固体颗粒性质。固体颗粒性质。 多层流化床多层流化床 双器流化床双器流化床 第三章反应过程与技术 圆锥形流化床圆锥形流化床 限制流化床限制流化床 第三章反应过程与技术 （三）生产原理（三）生产原理 第三章反应过程与技术 用固体流态化技术可进行固体的物理加工、颗用固体流态化技术可进行固体的物理加工、颗 粒输送、催化和非催化化学加工。现在我国流化床粒输送、催化和非催化化学加工。现在我国流化床 催化反应器巳应用于丁二烯、丙烯脂、苯酐

42、的生产，催化反应器巳应用于丁二烯、丙烯脂、苯酐的生产， 乙烯氧氯化制二氛乙烷，气相法聚乙烯等有机合成乙烯氧氯化制二氛乙烷，气相法聚乙烯等有机合成 及石油加工中的催化裂化等。还可应用于矿石焙烧，及石油加工中的催化裂化等。还可应用于矿石焙烧， 如硫酸生产中黄铁矿的焙烧，纯碱生产中石灰石的如硫酸生产中黄铁矿的焙烧，纯碱生产中石灰石的 焙烧等。循环流化床燃烧技术是近焙烧等。循环流化床燃烧技术是近20年来发展起来年来发展起来 的新一代燃烧技术，被认为是煤炭燃烧技术的革新，的新一代燃烧技术，被认为是煤炭燃烧技术的革新， 已在得到了广泛应用，如下图所示。流化床干燥器已在得到了广泛应用，如下图所示。流化床干燥

43、器 在化工生产中被广泛使用，此外，它还常应用于冶在化工生产中被广泛使用，此外，它还常应用于冶 金工业中的矿石浮选等其他工业部门。金工业中的矿石浮选等其他工业部门。 （四）工业应用（四）工业应用 第三章反应过程与技术 循环流化床燃烧装置循环流化床燃烧装置 第三章反应过程与技术 三、主要工艺参数的确定三、主要工艺参数的确定 （一）温度（一）温度 （二）压力（二）压力 （三）原料配比（三）原料配比 （四）反应时间和转化率（四）反应时间和转化率 （五）催化剂投入量（五）催化剂投入量 第三章反应过程与技术 （一）温度（一）温度 需考虑需考虑 的因素的因素 反应平衡的温度效应与标准反应热反应平衡的温度效应

44、与标准反应热 可用可用Vant Hoff方程表示方程表示 0 2 lndKH dTRT 反应特性反应特性:反应速度的温度效应与活化能反应速度的温度效应与活化能 可用可用Arrhenius方程表达方程表达 0 exp(/)kkE RT 限制条件限制条件 催化剂使用温度范围的限制催化剂使用温度范围的限制 材质使用温度范围的限制材质使用温度范围的限制 反应物和产物的分解反应物和产物的分解 反应压力的限制反应压力的限制 加热和吸热工艺方案的限制加热和吸热工艺方案的限制 设备的条件等等设备的条件等等 第三章反应过程与技术 反应平衡的温度效应与标准反应热反应平衡的温度效应与标准反应热 0 2 lndKH

45、dTRT ；操作时应始终保持高温 ，转化率”，为“吸热，KT 0 转化率 后期接近平衡时， ； 平衡点应 ，转化率为“”，放热， 以提高平衡应采取渐降的温度序列 到反应 速度可采用高温以提高反应 较远时，初期离所以在反 0 KT 第三章反应过程与技术 反应速度的温度效应与反应活化能反应速度的温度效应与反应活化能 0 exp(/)kkE RT 低，反应容易进行。高，反应难于进行； 所需反应体积越小；越高，反应速度越快， 温度速度对活化能，是 为常数；频率因子，对具体反应式中 EE E T 敏感程度的度量。反应反应 0 但是工业上经常遇见的反应大多数伴有各种平行、串但是工业上经常遇见的反应大多数伴

46、有各种平行、串 联或并串联反应联或并串联反应,这时就不能片面追求提高温度这时就不能片面追求提高温度,加快反应加快反应 速率速率,而要根据主、副反应活化能的相对大小来选择温度。而要根据主、副反应活化能的相对大小来选择温度。 表表3-1给出了一些工业上常用反应模式的温度序列。给出了一些工业上常用反应模式的温度序列。 第三章反应过程与技术 一些工业上常用反应模式的温度序列一些工业上常用反应模式的温度序列 第三章反应过程与技术 此外，活化能的大小还影响反应速率此外，活化能的大小还影响反应速率 对温度的敏感程度。下表则给出了反应速对温度的敏感程度。下表则给出了反应速 率对温度的敏感性。率对温度的敏感性。

47、 反应温度的敏感性反应温度的敏感性 速度提高一倍所需提高的温度速度提高一倍所需提高的温度 第三章反应过程与技术 （二）压力（二）压力 需需 考考 虑虑 的的 因因 素素 对反应平衡的影响对反应平衡的影响 限制条件限制条件 设备的费用设备的费用 运行的可靠性运行的可靠性 压力对反应温度的影响压力对反应温度的影响 对原料和产物的影响等对原料和产物的影响等 n 气相反应中对于气相反应中对于 分子数增加的反应分子数增加的反应,P转化率转化率 分子数减少的反应分子数减少的反应,P转化率转化率 对反应速度的影响对反应速度的影响 对单一气相反应对单一气相反应,单位体积内分子数单位体积内分子数 和压力近似成正

48、比关系和压力近似成正比关系P,反应速反应速 度加快。度加快。 对气液反应和气液固三相反应对气液反应和气液固三相反应, P , 气相组分在液相中的溶解度增加气相组分在液相中的溶解度增加,对对 提高反应速率是有利的提高反应速率是有利的,尤其是对气尤其是对气 相传递控制的反应相传递控制的反应, P将大大提高将大大提高 反应速率。反应速率。 后续分离系统的要求后续分离系统的要求(以天然气生产合成氨为例以天然气生产合成氨为例,其其 做法是适当提高转化压力做法是适当提高转化压力) 第三章反应过程与技术 n A+BP为例为例,在选择进料组成在选择进料组成A和和B的比例时应注意以的比例时应注意以 下几方面的问

49、题。下几方面的问题。 某一反应物要求有很高的转化率。因为浓度对不同级某一反应物要求有很高的转化率。因为浓度对不同级 数反应速率的影响程度依次为二级一级零级，当数反应速率的影响程度依次为二级一级零级，当 某一反应物某一反应物(例如例如A)要求有很高的转化率，反应又是要求有很高的转化率，反应又是A 的二级反应。若要求的二级反应。若要求A的转化宰为的转化宰为99时，反应末期的时，反应末期的 反应速度仅为反应初期的万分之一，因此使反应速度仅为反应初期的万分之一，因此使A过量以提过量以提 高反应末期的反应速度；或使高反应末期的反应速度；或使B过量，过量，B将远大于残余将远大于残余 的的A，反应转化为拟一

50、级反应，从而减少了末期转化时，反应转化为拟一级反应，从而减少了末期转化时 间占总转化时间的分率。间占总转化时间的分率。 （三）原料配比（三）原料配比 第三章反应过程与技术 反应物和产物分离因难。若反应物和产物分离因难。若B和产品和产品R分离很因难，而反应是可逆分离很因难，而反应是可逆 反应或是反应或是A的反应级数大于零，这时可以采用的反应级数大于零，这时可以采用A过量的方法提高过量的方法提高B 的转化率。的转化率。 反应选择性的浓度效应。对平行反应，为提高选择性，当主反应反应选择性的浓度效应。对平行反应，为提高选择性，当主反应 级数高于副反应时，应设法在反应器中保持较高的反应物浓度：级数高于副

51、反应时，应设法在反应器中保持较高的反应物浓度： 反之，则应设法在反应器中保持较低的反应物浓度。对串联反应，反之，则应设法在反应器中保持较低的反应物浓度。对串联反应， 当主反应级数较高时，增加初始浓度有利于提高选择性。但随着当主反应级数较高时，增加初始浓度有利于提高选择性。但随着 转化率的提高，选择性将下降，这一缺点在双组分串联反应转化率的提高，选择性将下降，这一缺点在双组分串联反应 A+BR+BS中，可通过使中，可通过使A大大过量来解决，这样既可大大提大大过量来解决，这样既可大大提 高反应后期的瞬间选择件，又提高了反应的平均选择性。一般情高反应后期的瞬间选择件，又提高了反应的平均选择性。一般情

52、 况下，对串联反应不能盲目追求反应的高转化率。工业生产中经况下，对串联反应不能盲目追求反应的高转化率。工业生产中经 常是反应在低单程转化率的条件下操作，而把末反应的原料经分常是反应在低单程转化率的条件下操作，而把末反应的原料经分 离回收后再循环使用。离回收后再循环使用。 浓度对分离循环费用的影响浓度对分离循环费用的影响 。上述任何一种原料过量带来的利益。上述任何一种原料过量带来的利益 都是以过量原料的分离和循环为代价的都是以过量原料的分离和循环为代价的,因此因此,必须权衡价格和产必须权衡价格和产 品分离的难易程度以及循环费用品分离的难易程度以及循环费用,址行参数优化后来确定配比。址行参数优化后

53、来确定配比。 第三章反应过程与技术 p反应时间反应时间 定义：亦称停留时间，也称接器接定义：亦称停留时间，也称接器接 触时间，指的是原料在反应区或在催化触时间，指的是原料在反应区或在催化 剂层的停留时间。剂层的停留时间。 确定依据：反应时间与化学平衡的确定依据：反应时间与化学平衡的 关系；反应时间与反应速度的关系；关系；反应时间与反应速度的关系； 达到适当高的转化率所需的时间；达到适当高的转化率所需的时间； 催化剂的性能。催化剂的性能。 （四）反应时间与转化率（四）反应时间与转化率 第三章反应过程与技术 p转化率转化率 对于非零级反应对于非零级反应, 转化率转化率 单位产品所需的反应单位产品所

54、需的反应; 对有串联副反应系统对有串联副反应系统,转化率转化率 选择性选择性,所以不能盲目所以不能盲目 选择高的转化率。选择高的转化率。 但低转化率则增加原料消耗量但低转化率则增加原料消耗量,或增加分离并循环或增加分离并循环 回用的费用。回用的费用。 需考虑的因数：转化率和所需反应时间的关系；需考虑的因数：转化率和所需反应时间的关系； 各种转化率下的产品分布；各种物料主副产品和公各种转化率下的产品分布；各种物料主副产品和公 用工程的价格；反应系统和分离系统的设备价格用工程的价格；反应系统和分离系统的设备价格; 回收的物能消耗等。回收的物能消耗等。 （四）反应时间与转化率（四）反应时间与转化率

55、第三章反应过程与技术 1.与催化剂本身的时空率（与催化剂本身的时空率（WWH）有关；）有关； 2.与放热量、反应温度、反应速度有关；与放热量、反应温度、反应速度有关； 3.直接影响到固定床和流化床的直径、长直接影响到固定床和流化床的直径、长 径比、体积和操作参数；径比、体积和操作参数； 4.直接影响到反应温度和原料配比。直接影响到反应温度和原料配比。 （五）催化剂的投入量（五）催化剂的投入量 第三章反应过程与技术 p 我们知道我们知道,在选定的反应器型式上进行反应操作在选定的反应器型式上进行反应操作,实际上实际上 主要是如何测量和控制那些可以调节的反应条件主要是如何测量和控制那些可以调节的反应

56、条件,如如 温度温度直接可调直接可调:温度计及温度变送器温度计及温度变送器 压力压力直接可调直接可调:压力表及压力变送器压力表及压力变送器 浓度浓度间接调节间接调节,通过物料配比或流量调节通过物料配比或流量调节 反应时间反应时间间接调节间接调节,通过流量调节通过流量调节 物料加入量物料加入量间接调节间接调节,通过液位或流量调节通过液位或流量调节 n 所以所以,下面我们主要介绍压力、温度、流量、液位的测下面我们主要介绍压力、温度、流量、液位的测 量与变送。量与变送。 四、反应参数的测量与控制四、反应参数的测量与控制 第三章反应过程与技术 温度的测量是用温度计。工业上常用温度计的测量原理、温度的测

57、量是用温度计。工业上常用温度计的测量原理、 测量范围和适用场合见教材测量范围和适用场合见教材P228表表3-12 1、温度的测量与变送、温度的测量与变送 第三章反应过程与技术 1、温度的测量与变送、温度的测量与变送 从化工自控角看从化工自控角看,电阻温度计电阻温度计 和热电偶温度度计是最广泛、和热电偶温度度计是最广泛、 最有前途的应用最有前途的应用 其中热电偶温度计是最常用其中热电偶温度计是最常用 的的,原理如右图原理如右图 用气动或电动温度变送器用气动或电动温度变送器(将将 感受的物理量、化学量等信感受的物理量、化学量等信 息按一定规律转换成便于测息按一定规律转换成便于测 量和传输的标准化信

58、号的装量和传输的标准化信号的装 置置,如热电偶如热电偶:把把mv信号转换信号转换 为标准电流输出为标准电流输出)可实现自动可实现自动 调节调节 第三章反应过程与技术 例如，例如，HAKK-WB系列系列 温度变送器为温度变送器为24V供电、供电、 二线制的一体化变送器。二线制的一体化变送器。 产品采用进口集成电路，产品采用进口集成电路， 将热电阻或热电偶的信号将热电阻或热电偶的信号 放大，并转换成放大，并转换成4-20mA或或 0-10mA的输出电流的输出电流,或或0 5V的输出电压。其中铠装的输出电压。其中铠装 变送器可以直接测量气体变送器可以直接测量气体 或液体的温度特别适用于或液体的温度特

59、别适用于 低温范围测量，克服了冷低温范围测量，克服了冷 凝水对测温所带来的影响凝水对测温所带来的影响 特点。特点。 第三章反应过程与技术 2、压力的测量与变送、压力的测量与变送 常用的常用的 工业压力表工业压力表 (见见P229 表表3-3) 液柱式压力计液柱式压力计:液体静力平衡原理液体静力平衡原理 弹性元件弹性元件 式压力计式压力计 压力校验仪压力校验仪 电气式压力计和真空计电气式压力计和真空计(多用于科研等场所多用于科研等场所) 弹簧管压力表弹簧管压力表 波纹管压力表波纹管压力表 膜片压力表膜片压力表 膜盒压力表膜盒压力表 活塞式压力计活塞式压力计 真空校验仪真空校验仪 第三章反应过程与

60、技术 一般意义上的压力变送器主一般意义上的压力变送器主 要由测压元件传感器（也称作要由测压元件传感器（也称作 压力传感器）、测量电路和过压力传感器）、测量电路和过 程连接件三部分组成。它能将程连接件三部分组成。它能将 测压元件传感器感受到的气体、测压元件传感器感受到的气体、 液体等物理压力参数转变成标液体等物理压力参数转变成标 准的电信号（如准的电信号（如420mADC 等），等）， 以供给指示报警仪、记以供给指示报警仪、记 录仪、调节器等二次仪表进行录仪、调节器等二次仪表进行 测量、指示和过程调节。测量、指示和过程调节。 压力变送器压力变送器 n压力变送器（压力变送器（pressure tr