管式反应器和釜式反应器.ppt

1、管式反应器和釜式反应器，管式反应器，管式反应器的概念，管式反应器是一种长径比大的连续操作反应器。反应器可以很长，例如，用于丙烯二聚的反应器管的长度是以千米为单位测量的。反应器的结构可以是单管或并联的多管。它可以是空管，例如管式裂解炉，或者是填充有粒状催化剂以进行多相催化反应的填充管，例如管式固定床反应器。通常，当反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填料段长度与颗粒尺寸之比大于100(气体)或200(液体)，物料的流动可近似视为活塞流。管式反应器的特点如下。(1)因为反应物分子在反应器中的停留时间相等，所以反应物的浓度和反应器中任何点的化学反应速度不随时间而变化，而只随管的长度而变化。

2、(2)管式反应器体积小、比表面积大、单位体积传热面积大，特别适用于热效应大的反应。(3)由于管式反应器中反应物的快速反应和流速，其生产能力高。(4)管式反应器适用于大规模连续化工生产。(5)与釜式反应器相比，返混较小，在低流量条件下，管内流体流动形态接近理想流体。(6)管式反应器适用于液相反应和气相反应。特别适合压力反应。另外，管式反应器可以实现分段温度控制。其主要缺点是当反应速率很低时，所需的管道太长，这在工业上很难实现。管式反应器的分类，管式反应器是一种应用广泛的连续操作反应器。常用的管式反应器有几种类型：(1)卧式管式反应器图3.1显示了一种常用于气相或均相液相反应的管式反应器，它是由无

3、缝钢管和U形管连接而成。这种结构易于制造和维修。高压反应管道的连接采用标准坡口对焊钢法兰，可承受1600-10000千帕的压力。如果使用透镜表面钢法兰，轴承压力可达10000-20000千帕。给出了卧式管式反应器和几种立式管式反应器。(a)是单模垂直管式反应器，和(b)是具有中心插入管的垂直管式反应器。有时，一束垂直管道安装在加热套管中，以节省安装面积，如(c)所示。立式管式反应器用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等过程。(a)单一程序，(b)中心插入管，(c)夹套式，(2)垂直管式反应器和(3)盘管式反应器。管式反应器制成盘管式，设备紧凑，节省空间。然而，修复和清洁管道是困难的。图

4、3.3所示的电抗器由多个水平线圈重叠并串联组成。每个线圈由许多不同半径的半圆管连接成螺旋形，螺旋中心留有400毫米的空间，便于安装和维护。(4) U型管式反应器，其管内装有多孔挡板或搅拌装置，以增强传热传质过程。u型管直径大，停留时间长，可用于慢反应。例如具有多孔挡板的u形管式反应器，应用于己内酰胺的聚合。带搅拌装置的u型管式反应器适用于多相液体物料或液固悬浮物料，如甲苯的连续硝化和蒽醌的连续磺化。图3.4示出了具有内部搅拌和电阻加热装置的U形管式反应器，U形管式反应器，()多管平行管式反应器，多管平行结构的管式反应器通常用于气固相反应，例如，气相氯化氢和乙炔在具有固相催化剂的多管平行反应器中

5、反应生成氯乙烯，气相氮气和氢气混合物在具有固相铁催化剂的多管平行反应器中合成氨。多管平行管式反应器，管式反应器可以各种方式加热或冷却(3)短路电流加热，将低压大电流电源直接连接到管壁，将电能转化为热能。这种加热方式具有升温快、加热温度高的优点，便于实现远程控制和自动控制。短路电流加热用于管式反应器反应，例如邻硝基氯苯的氨化和乙酸热裂解成乙烯酮。(4)烟气加热气体或液体燃料燃烧产生的烟气辐射用于直接加热管式反应器，管式反应器可达到几百度的高温。该方法广泛应用于石油化工行业。图3.5显示了由烟气加热的圆柱形管式炉。图3.5管式炉，管式反应器可用于气相、均相液相、非均相液相、气液相、气固相和固相反应

6、。例如，乙酸裂解成乙烯酮、乙烯高压聚合、对苯二甲酸酯化、邻硝基氯苯氨化成邻硝基苯胺、氯乙醇氨化成乙醇胺、椰子油氢化成脂肪醇、石蜡氧化成脂肪酸、单体聚合和一些固相缩合反应都已在管式反应器中工业化生产。罐式反应器，简称罐式反应器，是一种低高径比的圆柱形反应器，用于实现液-液、气-液、液-固、气-液-固等液相单相反应过程和多相反应过程。搅拌装置(机械搅拌、气流搅拌等)。)永久安装在设备中。当高径比大时，可以使用多层搅拌叶片。当物料在反应过程中需要加热或冷却时，可以在反应器壁上设置夹套，或者在反应器内设置换热面，或者通过外部循环进行换热。根据反应器的结构，可分为：根据操作模式，可分为：间歇反应器或间歇

7、反应器。操作灵活，易于适应不同的操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、长反应时间的产品生产。间歇釜的缺点是需要装卸等辅助操作，产品质量不稳定。然而，在一些反应过程中，例如发酵和聚合，仍然难以实现连续生产，迄今为止，仍然使用间歇反应器。间歇操作反应器是将原料按一定比例一次性加入反应器中，反应达到一定要求后一次性出料。连续操作反应器连续加入原料并连续排出反应产物。当操作达到稳定状态时，状态参数如反应器中任何位置的材料成分和温度不会随时间变化。半连续操作反应器，也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间。通常，一种反应物被加入一次，然后另一种反应物被连续加入。反应达到一定要求后，停止操作，卸料。间

8、歇反应器的优点是设备简单，同样的设备可以生产多种产品，特别适合制药、染料等工业部门的小批量、多品种生产。此外，在间歇反应器中没有物料的返混，这有利于大多数反应。缺点是辅助程序如装卸、清洗等。且产品质量不稳定。连续釜反应器或连续釜。间歇釜的缺点是可以避免的，但搅拌会造成釜内流体的返混。在剧烈搅拌、液体粘度低或平均停留时间长的情况下，釜内的物料流型可视为全混合流，因此反应釜称为全混合釜。当转化率高或存在串联副反应时，釜式反应器中的返混现象是一个不利因素。此时，可以使用多个串联的反应器来减少返混的不利影响，并且可以通过不同的反应器来控制反应条件。大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产

9、品质量稳定，易于操作和控制。它的缺点是有不同的反应器中物质的所有参数，如浓度和温度，都不随时间而变化，因此不存在时间的独立变量。假设连续流釜式反应器的结构与间歇釜式反应器的结构相同，但是进料和出料的操作是连续的，即反应物连续不断地加入到反应器中，同时反应产物连续地导出反应器。这种流动状态称为完全混合流动。这里的所有讨论都限于稳态操作范围，即在反应器的稳定操作条件下，任何空间位置的材料浓度、温度和进料速度不随时间变化的稳态。在连续釜式反应器中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器中的反应原料以相同的稳定流速流出反应器。由于强烈的搅拌作用，刚进入反应器的新鲜物料和已经进入反应器的物料瞬间完全混合

10、，使得釜内物料的浓度和温度处处相等。具有不同停留时间的材料之间的混合被称为反向混合或反向混合。这里的逆是时间概念的逆，它不同于一般的搅拌和混合。在连续搅拌釜式反应器中，釜中物料的浓度与出口中的浓度相同，因此反应器中反应物的浓度通常会降低，而产物的浓度通常会增加。当反应器进行复杂反应时，工艺的技术指标主要是反应选择性。此时，连续釜中浓度分布对反应选择性的影响完全取决于各种反应的动力学特性，即反应速率和选择性的浓度效应。连续釜式反应器中的返混和循环反应器中的物料混合是有组织的，而连续釜式反应器中的物料混合是由强烈搅拌引起的设备中的强烈循环运动引起的。尽管在间歇釜和连续釜中有强烈的搅拌和混合，但是混

11、合所涉及的材料是不同的。前者是同时进入反应器的物料混合物，即具有相同浓度和性质的物料混合物，且不改变原物料浓度；后者是在不同时间进入反应器的物料混合物，即具有不同浓度和性质的物料混合物，通常称为返混，以区别于前者。返混是由反应器中物料的圆周运动引起的，或者更一般地说，是由连续反应器空间中物料的反向运动引起的。返混的另一个原因是反应器中物料的速度分布不均匀。可以看出返混的主要原因有两个：设备中不同尺度的循环速度分布不均匀，限制返混的措施，限制返混的主要措施是分段。通常有水平分割和垂直分割，其中水平分割很重要。为了减少返混，工业上经常使用多个串联釜的操作，这是水平分段的典型例子。当串联反应器的数量

12、足够时，这种连续串联多反应器的操作性能非常接近活塞流反应器。为了限制返混，通常在高径比大的流化床反应器中安装横向挡板以减少返混。对于那些高度和直径较小的管道，可以将垂直管道设置为内部组件，这是纵向划分的一个示例。多级串联反应器，单个和多个反应器串联时的反应物浓度水平，反应器的搅拌器，搅拌目的是使物料混合均匀，强化传热传质。包括均匀的液体混合；液-液分散；气液分散；固液分散；结晶；固体溶解；搅拌液体的流动模型，如强化传热等。液体在设备范围内循环的方式称为液体的“流动模型”，简称“流型”。常用搅拌器的类型、结构和特点。化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置。典型的机械搅拌装置包括1。搅拌器：搅拌器

13、是实现搅拌操作的主要部件，其主要部件是叶轮，叶轮随着转轴的运动向液体施加机械能，促进液体的输送。釜式反应器的搅拌器，(a)轴向流，(b)径向流，(c)切向流，旋涡现象，桨式搅拌器，由桨、键、轴环和立轴组成。桨叶通常由扁钢、不锈钢或有色金属制成。桨式搅拌器转速低，一般为2080转/分。桨叶式搅拌器的直径应为反应釜内径的1/32/3，桨叶不应太长。当反应釜的直径较大时，应使用两个或多个桨叶。桨式搅拌器适用于高流动性、低粘度的液体物料，也适用于纤维状和结晶性溶液。当材料层较深时，可以在轴上安装几排桨叶。管式反应器与釜式反应器的区别一般来说，管式反应器属于活塞流反应器，釜式反应器属于全混流反应器。管式

14、反应器的停留时间一般较短，而釜式反应器的停留时间一般较长。管式反应器更难去除反应热，而釜式反应器更容易，可以通过釜外夹套或釜内盘管解决。有时可以考虑进行管式釜的混合反应，即釜式反应器底部的出口物料通过外循环进入管式反应器，然后返回釜式反应器，在管式反应器后面可以设置外循环冷却器来控制温度。反应原料从管式反应器的入口或外循环泵的入口进入，反应后的物料从釜式反应器的上部溢出，两个反应器均可使用。对于特定的反应过程，在选择反应器时应考虑技术、经济和安全因素。对于含有两种以上原料的连续反应器，物料流动方向可以是顺流或逆流。横流进料也可用于具有几个反应器的级联设备，即一种原料依次通过每个反应器，另一种原

15、料分别加入每个反应器。除了流动方向之外，原料从反应器的一端(或两端)加入，并分阶段加入。分段进料是指一种原料从一端加入，另一种原料从反应器的不同位置分几段加入。横流也可被视为一种分段进料方式。加料方式应根据反应过程的特点来确定，换热方式在大多数反应中都有明显的热效应。为了在合适的温度下进行反应，经常需要与反应物系统进行热交换。有间接传热和直接传热。间接换热是指反应物料与热载体之间通过隔墙进行的换热，而直接换热是指反应物料与热载体之间的直接接触。对于放热反应，反应产物携带的反应热可用于加热反应原料，以达到所需的反应温度。这种反应器被称为自热反应器。根据反应过程中的传热情况，反应器可分为：等温反应

16、器反应物体系温度处处相等的理想反应器。具有最小反应热效应、反应材料和热载体之间充分热交换或反应器(如搅拌釜反应器)中大量热反馈的反应器可近似视为等温反应器。绝热反应器是一种理想的反应器，反应区与环境之间没有热交换。当与外界的热交换可以忽略不计时，在反应区没有热交换装置的大型工业反应器可视为绝热反应器。非等温和非绝热反应器与外界有热交换，反应器内有热反馈，但不能满足等温条件，如管式固定床反应器。热交换可以在反应区中进行，例如通过夹套进行热交换的搅拌釜，或者在反应区中进行，例如具有级间热交换的多级反应器。操作条件主要指反应器的操作温度和压力。温度是影响反应过程的敏感因素，因此有必要选择合适的操作温度或温度加压反应器主要用于气体参与的反应过程。提高操作压力有利于加速气相反应。对于总摩尔数减少的气相可逆反应，可以提高平衡转化率，如合成氨和甲醇合成。增加操作压力也可以增加气体在液体中的溶解度，因此许多气-液反应过程和气-液-固反应过程都采用加压操作来提高反应速率，如对二甲苯的氧化。反应过程的基本特征决定了合适的反应器形式。例如，气固相反应过程通常使用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。然而，合适的类型选择需要考虑许多因素，例如反应的热效应、对反应转化率和选择性的要求、催化剂的物理和化学行为以及失活等。甚至需要对不同的反应堆进行概念设