反应器.ppt

1、化学反应器发展动态,J化工0801,概述,反应器实现反应过程的设备，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。化学反应工程以工业反应器中进行的反应过程为研究对象，运用数学模型方法建立反应器数学模型，研究反应器传递过程对化学反应的影响以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，以实现工业反应器的可靠设计和操作控制。 反应器作为化工生产的核心设备, 其技术先进程度对化工生产有重要影响, 尤其是在化学品制备和工程放大方面。,概述,反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。,反

2、应器,石化反应器是进行化学反应的关键设备，而化学反应过程又是原料转化为目的产品的主要过程。因为反应过程是一个极其复杂的过程，不仅要遵守化学热力学和化学反应动力学的规律，还要受到能量传递和热量传递过程的制约，特别指出的是各个过程之间相互影响，使得反应过程极其复杂，所以反应器与其他石化单元设备（如塔、冷换设备、泵、压缩机等）不同。反应器的设计都要单独进行，没有系列可言，设备制造一定要完全满足设计要求，才能保证生产的顺利进行。,一、化工反应器分类,化工反应种类繁多，性质各异、化学反应器的一个特点是具有相差甚远的构性和尺寸，如窑炉、锅炉、斧、塔、混合器、高炉、回转炉，甚至简单的管子。实现化学反应为其共

3、同点，但特殊性的考虑十分重要。化工反应器的种类可从可从影响反应的几个重要的方面进行大致区分。,1、按反应器中的物相分类： 反应器可分为单（均）相和多（复）相。单相可分为单气相或者单液相。多相可分为气液相（G-L），液液相(L-L)，气固相（G-S），液固相（L-S）和气液固相(G-L-S),也可有两种以上流体相和固相的反应。 2、按操作方式分类 反应器可分为间歇操作、连续操作和半连续操作。 3、按物料流动状态分类 连续反应器的流动状态（如返混）影响反应器中反应物的浓度分布和温度分布，也影响反应物通过反应器的停留时间的分布，对反应结束有重要效应。平推流型和全混流型是返混为零或无穷大的两种极限流型

4、。实际工业反应器中物料流型只可能趋近于前者（统称管式反应器）或后者（通称搅拌釜式反应器或者釜式反应器），不可能完全一致。应根据反应特征选择反应器的流动形态。为了限制返混可以采用多级串联搅拌釜是反应器。,表为不同类型反应器在工业生产中的使用程度。,4、按传热特征分类 化学反应不可避免的伴有热效应。捂热交换的反应器为绝热反应器。热交换能力极强（或热效应可以忽略）以致可视为等温的反应器为等温反应器。工业上常见的是非等温非绝热反应器。后者有一定的换热能力，既不同于绝热型，也不同于等温型。 除以上分类以外，尚可按物料的流向等特点分类。 各种反应器适用于不同反应、间歇反应器操作灵活，适用于多品种生产和产量

5、小、反应时间长的情形，但操作控制不便，产品质量不易稳定。连续反应器适用于大生产量品种的生产。管式反应器由于体积限制，适用于快速反应。较慢的反应由于其对停留时间的要求，常考虑用复式反应器。,二、反应器的选型判别,1、反应类别 反应类别即反应介质类别，例如气液相或者气固相或气相反应。这是最简单却是应首先使用的判据。 2、催化剂的失活速度 对于催化反应，应判别催化剂的失活速度。如催化剂失活速度很快，床层的操作周期很短，例如几秒钟、几分钟或者几小时，则应采用流化床等床型，否则应采用其它形势的反应器用来减少投资和操作费用。 3、有反应的浓度效应决定的混合要求 反应器中的物流混合按照尺度可分为宏观混合和微

6、观混合两种。微观混合是指大尺度的混合现象，如在搅拌釜式反应器中由于机械搅拌反应物流发生设备尺度的循环流动。在连续流动反应器中，宏观混合就是返混，返混使反应物的平均浓度降低产物的平均浓度升高。 4、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应该按照反应系统的绝热温升和过程温度控制的要求，由简到繁选择反应器的形式。,常见反应器的类型,管式反应器 釜式反应器 固定床与流化床反应器 塔式反应器 喷射反应器 其他多种非典型反应器,管式反应器,一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管

7、，以进行多相催化反应。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流 。管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。,管式反应器,釜式反应器,由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机搅拌或气流搅拌装置，可用于反应器外型液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆

8、态反应器。釜式反应器属于全混流反应器，,釜式反应器,釜式反应器的高径比为1-2，在石化行业中，除用于液相均相、液相非均相或气相反应外，主要用于聚合反应，即将小分子变为大分子，使反应物具有可塑、成纤、成膜、高弹等特性。很多釜内含有搅拌器和换热装置。大部分反应釜由釜体、搅拌器、减速器、密封装置、换热装置和挡板组成。,釜式反应器,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。 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。,固定床反应器,又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应

9、器。固体物通常呈颗粒状，粒径215mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。,固定床反应器,固定床反应器,固定床反应器有三种基本形式：轴向绝热式固定床反应器流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管

10、径通常在2550mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。,固定床反应器优缺点,固定床反应器优点: 1、床层极薄，流体流速很低； 2、床层内的流体轴向流动可看成是理想置换流动，因而化学反应速度较快； 3、流体停留时间可严格控制，温度分布可以适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性； 4、催化剂不易磨损； 5、可在高温下操作。 固定床反应器缺点: 催化剂颗粒不能太大，不能使用细粒催化剂; 催化剂导热性较差，催化剂的再生、更换不方便。,流化床反应器,流体自下而上通过固体颗粒床层, 当流体速度

11、增加到一定程度时, 颗粒被流体拖起作悬浮运动, 这种现象叫固体流态化。利用流态化技术进行化学反应的装置叫流化床反应器。 传统流化床反应器的应用始于1922 年, 经过近100 a 的发展, 流化床反应器以其独特优势在化学工业中得到了广泛应用。,流化床反应器,这也是一种气-固相反应的一种反应器。气体从反应器底部的气体分布板、分布管进入，将反应器床层上固体催化剂颗粒流化如液体沸腾状，在流化状态中进行反应。 按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。,流化床反应器

12、,流化床反应器优缺点,流化床反应器优点: 1、床层温度分布均匀，可避免局部过热或局部反应不完全现象。 2、可利用循环颗粒作为传热介质，大大简化了反应器结构。 3、流化床单位体积内气固相之间接触面积很大，提高了界面的传热、传质速率。 4、催化剂内孔表面利用率高，加速气固相间的反应。 5、反应过程及再生过程连续化。 6、流化床中换热器所需面积较小。 7、设备生产强度大，适于大规模生产。,流化床反应器优缺点,流化床反应器缺点: 1、反应的转化率低，流化床一般达不到固化床的转化率。 2、催化剂损失率高，防尘比较困难。 3、流化床的管子和容器磨损非常严重。,塔式反应器,塔式反应器高径比很大，常用于气-液

13、反应和液-液反应，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。常用的有鼓泡式反应器（鼓泡塔），其中又可分为简单鼓泡塔和气升式鼓泡塔。,塔式反应器,简单鼓泡塔 鼓泡塔为盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器。气体通过分布器上小孔均匀以鼓泡形式进入液相，液相间歇或连续加入反应器，液体和气体可以并流或逆流（并流常见）。为了提高气体的分散程度，减少液位纵向循环，在反应器中安置水平多孔隔板进行时，往往有热效应，常采用夹套或其他外部散热方式。,塔式反应器,气升式鼓泡塔 气升式鼓泡塔塔内装有一根或几根气升管，气体从下部的气体分布器进入气升管。在气升管中，气液混合物密度比环形空间中的液体密度小得多，引起液体在环形空间和气升管

14、内做循环流的，故称为气升式鼓泡反应器。苯乙烯装置中的烃化/烃化转移反应器就是这种结构。,喷射反应器,利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。 喷射反应器是近几十年迅速发展起来的多相反应器，多用于气液两相反应，也可用于含催化剂等悬浮颗粒的气液固三相反应。其原理是利用高速流动相去 卷吸其他相，使各相密切接触，继而在反应器内均匀 分散或悬浮，并完成反应。喷射反应器是一大类反应 器的总称，其主体部分一般由一个反应釜和一个射流 喷嘴所组成，根据需要还可加入其他附件。,喷射反应器分类,根据射流喷嘴在反应器内的不同位置上，有上喷式、下喷式及水平式喷射反应器分。 而

15、根据反应工艺过程的不同，有一次喷射反应式，也有利用循环泵将物料多次循环的所谓喷射环路反应器(有时简称为环路、环流或回路反应器)。,喷射反应器性能,喷射反应器作为一类新型反应器，有许多独特、优异的性能：多相传质性能好；传热能效大；密封性能好，便于高压反应；单位体积输入功率大；工作体积大，操作弹性好； 反应器结构简单，无动件，节约能耗且便于反应过程的连续化；传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度小，便于工程放大；用途广泛。,喷射反应器研究现状及进展,喷射反应器的研究起步相对较晚，但其发展迅速，种类越来越多，性能也不断得到完善，并越来越受到国际学术和工程界的关注。1939年，Flugel最早提出了可

16、适用于描述单相物质系统中喷射反应器实验结果的基本理论概念。Blenkel J在1985年对喷射环路反应器作了较为全面的综述，并划分了反应器性能的不同方面及其表征参数。随后，Dirix等对反应器的各种性能作了大量研究，并提出不少理论模型。Van Dierendonck从工作特性、设计放大及应用等方面对比分析了喷射反应器和机械搅拌釜反应器，阐明了喷射反应器的优异性能，并指出喷射反应器极有可能取代搅拌釜反应器成为多相反应器的首选。,喷射反应器研究现状及进展,Duveen在此基础上详细总结了喷射反应器的各种性能，认为喷射反应器作为高性能反应器即将成为气液反应器的设计标准。在国际上，有不少公司对喷射反应

17、器进行了研究开发，如瑞士Buss、EC Chem公司及美国Chemithon公司等。Buss和EC Chem公司的喷射反应器起初多应用于催化加氢反应，后又应用于烷氧基化反应。而Chemithon公司的喷射反应器则主要应用于磺化反应。,喷射反应器研究现状及进展,我国对喷射反应器的研究相对较为滞后，20世纪六七十年代开始有文献报道，当时的喷射反应器多应用于除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷等化工单元操作中，而真正作为强化多相反应的反应器则起步更晚。但其在石蜡氧化、乙醇氯化等实际工业生产中所取得的显著效果。进入90年代后，我国对喷射反应器的研究又掀起了一股热潮，成为多相反应器的研究热点之一，尤其是在

18、反应器的工程开发和工业应用上不断取得新进展。,环流反应器,环流反应器借助于搅拌推进器或喷射器的推动，使反应物沿着规定的路线循环流动，在流动中边混合边发生化学反应。 环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优良性能, 具有反应速度快、结构简单、无机械传动部件以及易于工程放大等优点, 是一类高效的气液接触反应设备。,环流反应器,环流反应器包括上升管、下降管、气液分离器和底部连接段4 部，这种反应器适用于处理高粘物料。 其优点是： 1、流向确定，流动损失少，混合均匀； 2、结构简单，无运动密封件； 3、气液接触良好，能耗低； 4、便于改善工艺条件。,环流反应器,环流反应器分类,按流动形式, 环流反应器分

19、为内环流、外环流反 应器; 按导流筒组成, 环流反应器分为单级、多级环 流反应器; 按流体驱动方式, 环流反应器分为气升式、喷射式和推进式环流反应器。,环流反应器应用,环流反应器不仅可以应用于常温常压下的反应过程, 而且可以用于高温高压的反应过程, 环流反应器以其较高的传质速率、良好的多相混合优势, 在能源化工、水处理及生物工程等领域发挥着巨大作用。,多种非典型反应器,现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。 现在比较常见的反应器有：浆态床反应器,滴流

20、床反应器,移动床反应器,旋流反应器,催化与蒸馏结合的反应器,微反应器，膜化学反应器。,微反应器,微反应器是一个比较广泛的概念，并有很多种形式，既包括传统的微量反应器， 也包括聚合微反应器、反相胶束条纹反应器、微聚合反应器和固体模板微反应器等。 这些微反应器的对化学反应的共同特点是将其控制在极其微小的空间内，反应通道的平均尺寸一般为微米甚至纳米。 微通道狭窄而规整、反应空间非常狭小且比表面积非常大。规整的结构方便于模拟和放大。通道的规整性是微反应技术的重要优点之一。小的通道尺寸是一个重要的安全因子，因为在微构造反应器中火焰的扩展会受到抑制。因此这些反应器可以在爆炸范围内操作，而不需附加任何特殊的

21、安全措施。,微反应器的分类,微反应器的类型按照不同的分类方法有多种类型。首先根据操作模式微反应器可分为半连续式微反应器、间歇微式微反应器和连续式微反应器；根据不同的能量输入源，可将其分为主动微混合器和被动微混器。其次根据用途的不同又可将微反应器分为实验型微反应器和生产型微反应器两大类；根据反应过程的相态的不同，又可以将微反应器分为气固相催化微反应器、气液相微反应器、气液固三相催化微反应器和液液相微反应器等。,微反应器的优缺点,优点：1 温度可控， 2 时间可控 ，3 转化率和收率高，4 安全性能好，5 微反器可以实现从实验室到工业过程的直接放大，6 有很多材料可以用来制造微反应器 缺点：固体物

22、料无法通过微通道，如果反应中有大量固体产生，微通道极易堵塞，导致生产无法连续进行。,微反应器研究现状,目前微反应器在化工工艺过程的研究与开发中已经得到广泛的应用，商业化生产中的应用正日益增多。其主要应用领域包括有机合成过程，微米和纳米材料的制备和日用化学品的生产。对于石油化学下游产品而言，特别对精细化学品和制药以及生物技术等有着越来越大的影响。在国内，微反应技术处于研究与开发阶段。虽然有很多高校从事微反应技术研究，尚没有成熟的国产设备面世。,膜反应器的应用,膜活性污泥处理技术通常称之为“膜生物反应器”（MBR），是活性污泥处理工艺与膜分离技术相结合的一种新型水和废水处理工艺，其中所用膜为典型孔

23、径为10nm0.5m的微滤膜或超滤膜。该技术于20世纪60年代初开始得到研究和应用，并在上世纪得到了快速的发展，是废水处理领域的一项重要发展。,该反应技术源自日本，旨在降低成本来处理废弃物特别是废水，通过一系列的努力，开发了一系列的废水再处理工艺，其中有使用至今的Kubota的平板膜组件、Mitsubishi Rayon的中空纤维膜组件等，使MBR工艺技术得到了重要的突破 ，自此膜反应器进入了长足的发展，而对于该工艺最重要的是其可以降低成本使废水进行再生。,MBR的优点,首先，工艺紧凑，无需常规活性污泥处理工艺中的污泥回流系统和二次沉淀池。其次，膜系统可在高达2025gTS/L的污泥浓度下运行

24、（而常规处理工艺中，为维持污泥良好的沉降性能，一般将污泥浓度控制在5 gTS/L以内），第三，与常规活性污泥工艺不同，MBR工艺可在更宽的运行条件（如污泥浓度、污泥龄和有机负荷等）下运行，并对进水负荷的变化具有更强的适应能力,此外，MBR工艺可获得稳定而高质量（无固体颗粒，得到有效除菌）的处理出水，且无丝状菌污泥之虞。因而，该工艺尤其适用于对处理要求较高或进行废水再用的场合，也可以作为纳滤或反渗透工艺极好的预处理工艺。,MBR的缺点,由于膜组件较易发生堵塞问题及其较高的运行能耗，其建设投资和运行成本仍然相对较高，尤其是因运行和控制不当而发生膜污染问题，不仅将缩短膜的使用寿命，同时将提高其运转费用。,迄今为止，在MBR工艺的应用中，有两大类型的淹没式膜组件技术、即Kubota的平板膜组件和Zenon中空纤维膜组件。他们均以由外而内渗透为特征，实际应用个分析表明，平板膜组件适用于小规模（1000020000人口当量）处理的场合，而中空纤维膜组件则适用于较大规模的污水处理厂。,总之，对于膜反应器及上述所说的MBR技术，目前还是不成熟的，原因在于其成本太高，而对于一些小规模的厂家来说不必要对此有很高的要求，所以其还处于开发阶段，而对于该技术，其前景很广阔，原因在于其可以把废水处理的相当干净，对于高要求的行业是一个很好的选择！,关于平推流反应器的计算,对于平推流反应器，如果是等