管式反應器與釜式反應器

1、關于管式反應器和釜式反應器第一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器第二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器的概念 管式反應器一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應器。這種反應器可以很長，如丙烯二聚的反應器管長以公里計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。通常，反應物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動可近似地視為平推流.第三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 管式反應器的特點管

2、式反應器有以下幾個特點。 （1）由于反應物的分子在反應器內停留時間相等，所以在反應器 內任何一點上的反應物濃度和化學反應速度都不隨時間而變化，只隨管長變化。 （2）管式反應器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應較大的反應。 （3）由于反應物在管式反應器中反應速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。 （4）管式反應器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。 （5）和釜式反應器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內流體流型接近與理想流體。 （6）管式反應器既適用于液相反應，又適用于氣相反應。用于加壓反應尤為合適。 此外，管式反應器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點是，反應速率很低時

3、所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。 第四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器的分類 管式反應器是應用較多的一種連續(xù)操作反應器，常用的管式反應器有以下幾種類型： (1)水平管式反應器 圖3.1給出的是進行氣相或均液相反應常用的一種管式反應器， 由無縫鋼管與U形管連接而成。這種結構易于加工制造和檢修。高壓反應管道的連接采用標準槽對焊鋼法蘭，可承受1600-10000kPa壓力。如用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達10000-20000kPa。 水平管式反應器第五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月給出幾種立管式反應器。（a）為單程式立管式反應器，（b）為帶中心插入管的立管式反應器。有時

4、也將一束立管安裝在一個加熱套筒內，以節(jié)省安裝面積，（c）所示。立管式反應器被應用于液相氨化反應、液相加氫反應、液相氧化反應等工藝中。（a）單程式 （b）中心插入管式 （c）夾套式(2)立管式反應器第六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3)盤管式反應器 將管式反應器做成盤管的形式，設備緊湊，節(jié)省空間。但檢修和清刷管道比較困難。圖3.3所示的反應器由許多水平盤管上下重疊串聯(lián)組成。每一個盤管是由許多半徑不同的半圓形管子相連接成螺旋形式，螺旋中央留出400mm的空間，便于安裝和檢修。 盤管式反應器 第七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) U形管式反應器 U形管式反應器的管內設

5、有多孔擋板或攪拌裝置，以強化傳熱與傳質過程。U形管的直徑大，物料停留時間增長，可應用于反應速率較慢的反應。例如帶多孔擋板的U形管式反應器，被應用于己內酰胺的聚合反應。帶攪拌裝置的U形管式反應器適用于非均液相物料或液固相懸浮物料，如甲苯的連續(xù)硝化、蒽醌的連續(xù)磺化等反應。圖3.4是一種內部設有攪拌和電阻加熱裝置的U形管式反應器U形管式反應器第八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（）多管并聯(lián)管式反應器 多管并聯(lián)結構的管式反應器一般用于氣固相反應，例如氣相氯化氫和乙炔在多管并聯(lián)裝有固相催化劑的反應器中反應制氯乙烯，氣相氮和氫混合物在多管并聯(lián)裝有固相鐵催化劑的反應器中合成氨。多管并聯(lián)管式反應器第

6、九張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器的加熱或冷卻可采用各種方式(1)套管或夾套傳熱反應器，均可用套管或夾套傳熱結構。 (2)套筒傳熱反應器可置于套筒內進行換熱。 (3)短路電流加熱，將低電壓、大電流的電源直接通到管壁上，使電能轉變?yōu)闊崮?。這種加熱方法升溫快、加熱溫度高、便于實現(xiàn)遙控和自控。短路電流加熱以應用于鄰硝基氯苯的氨化和乙酸熱裂解制乙烯酮等管式反應器的反應上。第十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 (4)煙道氣加熱，利用氣體或液體燃料 燃燒產(chǎn)生的煙道氣輻射直接加熱管式反應器，可達數(shù)百度的高溫，此法在石油化工中應用較多。圖3.5表示一種采用煙道氣加熱的圓筒式管子爐

7、。 圖3.5 圓筒式管子爐 第十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應。例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高壓聚合、對苯二甲酸酯化、鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨、氯乙醇氨化制乙醇胺、椰子油加氫制脂肪醇、石蠟氧化制脂肪酸、單體聚合以及某些固相縮合反應均已采用管式反應器進行工業(yè)化生產(chǎn)。 第十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器 第十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器的概念一種低高徑比的圓筒形反應器，用于實現(xiàn)液相單相反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應過程。器內常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌

8、等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內設置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱。 第十四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器的分類按照反應器的構造可分為：第十五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月按操作方式可分為： 間歇釜式反應器,或稱間歇釜。 操作靈活，易于適應不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質量也不易穩(wěn)定。但有些反應過程，如一些發(fā)酵反應和聚合反應，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。 間歇操作反應器系將原料按一定配比一

9、次加入反應器，待反應達到一定要求后，一次卸出物料。連續(xù)操作反應器系連續(xù)加入原料，連續(xù)排出反應產(chǎn)物。當操作達到定態(tài)時，反應器內任何位置上物料的組成、溫度等狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化。半連續(xù)操作反應器也稱為半間歇操作反應器，介于上述兩者之間，通常是將一種反應物一次加入，然后連續(xù)加入另一種反應物。反應達到一定要求后，停止操作并卸出物料。 間歇反應器的優(yōu)點是設備簡單，同一設備可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品，尤其適合于醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門小批量、多品種的生產(chǎn)。另外，間歇反應器中不存在物料的返混，對大多數(shù)反應有利。缺點是需要裝卸料、清洗等輔助工序，產(chǎn)品質量不易穩(wěn)定。 第十六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 連續(xù)

10、釜式反應器,或稱連續(xù)釜。 可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯(lián)副反應的場合，釜式反應器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時可采用多釜串聯(lián)反應器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。 大規(guī)模生產(chǎn)應盡可能采用連續(xù)反應器。連續(xù)反應器的優(yōu)點是產(chǎn)品質量穩(wěn)定，易于操作控制。其缺點是連續(xù)反應器中都存在程度不同的返混，這對大多數(shù)反應皆為不利因素，應通過反應器合理選型和結構設計加以抑制。 半連續(xù)釜式反應器。指指一種原料一次加入，另一種原料連續(xù)加入的反應器，其特性介于間歇釜和連

11、續(xù)釜之間。 第十七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)釜式反應器的特點反應器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應器出口物料的濃度和溫度。 物料質點在反應器內停留時間有長有短，存在不同停留時間物料的混合，即返混程度最大。 反應器內物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時間變化，從而不存在時間這個自變量。 第十八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月全混流假定連續(xù)流動釜式反應器，其結構和間歇釜式反應器相同，但進出物料的操作是連續(xù)的，即一邊連續(xù)恒定地向反應器內加入反應物，同時連續(xù)不斷地把反應產(chǎn)物引出反應器，這樣的流動狀況稱之謂全混流。 這里要討論的都限于定態(tài)操作范圍，即假定反應器在穩(wěn)定操

12、作條件下，任何空間位置處物料濃度、溫度和加料速度都不隨時間而發(fā)生變化的定常狀態(tài)。 第十九張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月返混在連續(xù)釜式反應器中，反應原料以穩(wěn)定的流速進入反應器，反應器中的反應物料以同樣穩(wěn)定流速流出反應器。由于強烈攪拌的作用，剛進入反應器的新鮮物料與已存留在反應器內的物料在瞬間達到完全混合，使釜內物料的濃度和溫度處處相等。這種停留時間不同的物料之間的混合，稱為逆向混合或返混。 這里所說的逆向，是時間概念上的逆向，不同于一般的攪拌混合。 第二十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)攪拌釜中的濃度分布特征 在連續(xù)釜式反應器中，釜內的物料濃度都與出口物料的濃度相同，因

13、此反應器中反應物的濃度普遍下降，而產(chǎn)物的濃度則普遍上升。 當反應器進行復雜反應時，過程的技術指標主要是反應選擇率的高低。此時，連續(xù)釜中濃度分布對反應選擇率的影響完全取決于各類反應的動力學特征，即反應速率和選擇率的濃度效應。 第二十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)釜式反應器中的返混循環(huán)反應器中的物料混合作用是有組織的，而連續(xù)釜式反應器中的物料混合作用是由劇烈的攪拌引起設備內部強烈環(huán)流運動造成的。 間歇釜和連續(xù)釜雖然同樣存在有劇烈的攪拌與混合，但是，參與混合的物料是不相同的。前者是同一時刻進入反應器的物料之間的混合，也就是相同濃度、相同性質的物料之間的混合，并不改變原有的物料濃度；

14、后者則是不同時刻進入反應器的物料之間的混合，也就是不同濃度、不同性質物料之間的混合，這種混合，常稱之為返混，以區(qū)別于前一種混合。 第二十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月返混的原因 造成返混的原因是由于反應器內物料的環(huán)流運動，或者更一般地說由于物料在連續(xù)反應器中空間的反向運動造成的。 造成返混的另一個原因是反應器中物料不均勻的流速分布。 由此可見，返混產(chǎn)生的原因主要是二個： 設備中存在有不同尺度的環(huán)流 不均勻的速度分布 第二十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月限制返混的措施 限制返混的主要措施是分割。通常有橫向分割和縱向分割之分，其中重要的是橫向分割。 為了減少返混，工業(yè)上

15、常采用多釜串連的操作，這是橫向分割的典型例子。當串連釜數(shù)足夠多時，這種連續(xù)多釜串連的操作性能就很接近平推流反應器的性能。 為了限制返混，對高徑比較大的流化床反應器，常在其內部裝置橫向擋板以減少返混。而對高徑比較小的，則可設置垂直管作為內部構件，也就是縱向分割的一例第二十四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月多級串聯(lián)釜式反應器第二十五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月單釜和多釜串連操作時的反應物濃度水平第二十六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器的攪拌器攪拌目的 使物料混和均勻,強化傳熱和傳質。 包括均相液體混合；液-液分散；氣-液分散；固-液分散；結晶；固體溶解；

16、強化傳熱等攪拌液體的流動模型 液體在設備范圍內作循環(huán)流動的途徑稱作液體的“流動模型”，簡稱“流型”。第二十七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月常用攪拌器的型式、結構和特點 在化學工業(yè)中常用的攪拌裝置是機械攪拌裝置，典型的機械攪拌裝置包括1、攪拌器：包括旋轉的軸和裝在軸上的葉輪；2、輔助部件和附件：包括密封裝置、減速箱、攪拌電機、支架、擋板和導流筒等。 攪拌器是實現(xiàn)攪拌操作的主要部件，其主要的組成部分是葉輪，它隨旋轉軸運動將機械能施加給液體，并促使液體運第二十八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器的攪拌器(a)軸向流(b)徑向流(c)切線流打漩現(xiàn)象第二十九張，PPT共三十

17、九頁，創(chuàng)作于2022年6月槳式攪拌器 由槳葉、鍵、軸環(huán)、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或不銹鋼或有色金屬制造。槳式攪拌器的轉速較低，一般為2080rmin。槳式攪拌器直徑取反應釜內徑Di/32/3，槳葉不宜過長，當反應釜直徑很大時采用兩個或多個槳葉。 槳式攪拌器適用于流動性大、粘度小的液體物料，也適用于纖維狀和結晶狀的溶解液，物料層很深時可在軸上裝置數(shù)排槳葉。第三十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月釜式反應器圖片第三十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月管式反應器與釜式反應器的差異一般的說，管式反應器屬于平推流反應器，釜式反應器屬于

18、全混流反應器，管式反應器的停留時間一般要短一些，而釜式反應器的停留時間一般要長一些，從移走反應熱來說，管式反應器要難一些，而釜式反應器容易一些，可以在釜外設夾套或釜內設盤管解決，有時可以考慮管式加釜的混合反應進行，即釜式反應器底部出口物料通過外循環(huán)進入管式反應器再返回到釜式反應器，可以在管式反應器后設置外循環(huán)冷卻器來控制溫度，反應原料從管式反應器的進口或外循環(huán)泵的進口進入，反應完成后的物料從釜式反應器的上部溢流出來，這樣兩種反應器都用了進去。 第三十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月選型對于特定的反應過程，反應器的選型需綜合考慮技術、經(jīng)濟及安全等諸方面的因素。 第三十四張，PPT共三

19、十九頁，創(chuàng)作于2022年6月加料方式對有兩種以上原料的連續(xù)反應器，物料流向可采用并流或逆流。對幾個反應器組成級聯(lián)的設備，還可采用錯流加料,即一種原料依次通過各個反應器,另一種原料分別加入各反應器。除流向外，還有原料是從反應器的一端(或兩端)加入和分段加入之分。分段加入指一種原料由一端加入，另一種原料分成幾段從反應器的不同位置加入，錯流也可看成一種分段加料方式。采用什么加料方式，須根據(jù)反應過程的特征決定 第三十五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)Q熱方式多數(shù)反應有明顯的熱效應。為使反應在適宜的溫度條件下進行，往往需對反應物系進行換熱。換熱方式有間接換熱和直接換熱。間接換熱指反應物料和載熱

20、體通過間壁進行換熱，直接換熱指反應物料和載熱體直接接觸進行換熱。對放熱反應，可以用反應產(chǎn)物攜帶的反應熱來加熱反應原料，使之達到所需的反應溫度，這種反應器稱為自熱式反應器。 按反應過程中的換熱狀況，反應器可分為： 等溫反應器反應物系溫度處處相等的一種理想反應器。反應熱效應極小，或反應物料和載熱體間充分換熱，或反應器內的熱量反饋極大（如劇烈攪拌的釜式反應器）的反應器，這樣可近似看作等溫反應器。 絕熱反應器反應區(qū)與環(huán)境無熱量交換的一種理想反應器。反應區(qū)內無換熱裝置的大型工業(yè)反應器，與外界換熱可忽略時，可近似看作絕熱反應器。 非等溫非絕熱反應器與外界有熱量交換，反應器內也有熱反饋，但達不到等溫條件的反應器，如列管式固定床反應器。 換熱可在反應區(qū)進行，如通過夾套進行換熱的攪拌釜，也可在反應區(qū)間進行，如級間換熱的多級反應器。 第三十六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月操作條件主要指反應器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應過程的敏感因素，必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列，使反應過程在優(yōu)化條件下進行