反应器讲义.pptx

1反应器简介反应器简介反应器简介反应器简介2010201020102010年年年年9 99 9月月月月 概述化工过程：一个特定的化工产品,从原料到产品的生产过程。原料预处理化学反应后处理产品 化学反应这一步是化工过程的核心，起是化工过程的核心，起着主导作用着主导作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置。开始课程之前，请大家谈一谈自己对反应器的直观和感观上的了解开始课程之前，请大家谈一谈自己对反应器的直观和感观上的了解对反应器的要求对反应器的要求1 反应器反应器 要有足要有足 够的体够的体 积积2 反应器反应器 要有适要有适 宜的结宜的结 构构4 反应器反应器 要有足要有足 够的机够的机 械强度械强度 和耐腐和耐腐 蚀能力蚀能力3 反应器反应器 要有足要有足 够的传够的传 热面积热面积5 反应器要反应器要 易操作、易操作、易制造、易制造、易安装、易安装、易维修易维修均相反应器：气相（石油气裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应）非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯）气固相、液固相 液液相、固固相 气液固三相按物料的聚集状态一、化学反应器的分类什么叫均相？什么叫非均相？举例说明按反应器的结构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间间歇歇操操作作反反应应器器反应器反应器按操作方式连连续续操操作作反反应应器器电机电机电机：三相异步电机。试问我们使用的额定电压是多少？频率是多少？电机的转速是多少？减速机电机电机电机：三相异步电机。在我国，使用的电的频率为50Hz电机的额定电压为380V？如果是同步电机，电机的转速应该是50Hz*60s/min/磁极对数=3000/磁极对数转/min。因为是异步电机，所以电机的输出转速为1440转/min。减速机 为什么电机的输出转速为1440r/min；而搅拌转速只有不到100r/min？我们通过什么方式降低搅拌转速？减速机：减速机是一种动力传达机构，传统意义上利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构减速机变频器搅拌转速=电频率60（1+转速差率）电极对数减速比电频率：可以用变频器调整转速差率：设备固有的（不可能改变）电极对数：自然数，电机固有数（不可能改变）减速比：减速机固有数，（也有可变减速比的减速机）。能通过调节变频器，使搅拌转速提高吗？温度计套管 温度计套管一般安装在垂直的手孔（为什么？），常用的温度计有玻璃温度计，双金属温度计，热电偶、电阻温度计、红外感应温度计等。1）玻璃温度计使用时，应防止水银球破裂。一旦破裂，洒出的水银应用硫粉覆盖。2）双金属温度计：是利用不同金属加热时，形变不一样来测量温度。所以需要有一个固定的受热长度。釜式反应器的搅拌器 搅拌目的搅拌目的 使物料混和均匀,强化传热和传质。包括均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等 换热装置换热装置 反应釜材质一般有内壁衬搪瓷、碳钢、白钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。三、反应釜的材质：搪瓷釜搪瓷釜：搪玻璃设备是将含硅量高的资釉喷涂于金属铁胎表面，通过900左右的高温焙烧，使瓷釉密着于金属铁胎表面而制成。因此，它具有类似玻璃的化学稳定性和金属强度的双重优点。对于各种浓度的无机酸、有机酸、有机溶剂及弱碱等介质均有极强的抗腐性。但对于强碱、氢氟酸及含氟离子介质以及温度大于180，浓度大于30%的磷酸等不适用。使用压力：搪瓷釜夹套一般不超5个压力,夹套的设计压力为-0.1，内筒设计压力为0.3 碳钢在中性或碱性条件下使用白钢在碱性和弱酸性条件下使用 白钢和碳钢中的铁与氯离子易形成络合物，所以在氯离子的存在的条件下，极易被腐蚀。固定床反应器自热式固定床反应器固定床反应器流态化的形成流化床反应器流态化的形成流化床反应器（二）散式流化和聚式流化（三）流化床反应器的结构流化床反应器1-加料口2-气固分离装置3-壳体4-换热器5-内部构件6-卸料口7-气体分布装置（四）流化床反应器的床型流化床反应器流化床反应器四、四、微通道反应器微通道反应器 下面我以颜料的重氮偶合反应作例子，设计一个连续的微通道反应器。加以说明。如下图：外套降温管外设控温系统此部分详细的资料见邮箱附件三通混合元件三通混合元件管式反应器基本结构主要用于气固相反应由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于。几种典型甲醇合成塔一：三套管并流合成塔如图所示：就结构来说，分成外筒和内件两部分组成，现将结构简单说明。1.外筒外筒是一个多层卷焊或锻造的高压圆筒1，最高操作压力为32MPa,筒体内径为8001000mm左右，高达12I4m。2.内件 图8-16所示的内件上部为催化剂筐2，框的中心管19内，垂直悬挂了电加热器4，下部为热交换器3，中间为分气盒21。催化剂筐由合金钢板(或低碳钢、纯铁)焊接而成，外包石棉(或玻璃纤维）保温。催化剂筐下部与热交换器3之间采用了活动的端面密封连接，但主要并不依靠螺栓的力量，而是由催化剂筐的重力保证了两个锥面间紧密结合。催化剂筐中心管中的电加热器4,系由8mm-10mm直径镍铬合金制成的电热丝和瓷绝缘子等组成。这种塔型是由双管并流式稍加改进而成，显而易见，将内冷管抽去衬管，取消了气体不流动层，即是长期习用的双套管并流合成塔，但改为三套管并流内件后，催化剂层的温度分布得到了较好的改善，热点较双套管并流上移，有利于提高净值和催化剂生产强度，在高负荷下操作稳定。其缺点是由于冷管传热能力强，在催化剂还原时，下层温度不易提高。长期生产证明，这种内件结构比较简单，技术成熟，操作稳定可靠。但从气体并流换热的特点出发，能起冷管作用的仅是外管，而内管只担负了输送气体的任务。如果能有几根总管输送气休、则不再需要内管了，这样，外管的直径可以缩小，既节省了管材，又可以多装一部分催化剂。这就成了单管并流合成塔。三套管并流合成塔优缺点(二)单管并流合成塔单管并流冷管的结构基本上有两种型式，一单管并流冷管的结构基本上有两种型式，一种是取消了分气盒，出热交换器的气体，直种是取消了分气盒，出热交换器的气体，直接由输气总管引至催化剂层的上部，然后在接由输气总管引至催化剂层的上部，然后在冷管内由上而下经过催化剂层，进入中心管，冷管内由上而下经过催化剂层，进入中心管，一种是仍采用分气盒。如图一种是仍采用分气盒。如图8-188-18所示的冷管所示的冷管结构，当气体出热交换器后，进入分气盒的结构，当气体出热交换器后，进入分气盒的下室，由输气总管送至催化剂层上部之环形下室，由输气总管送至催化剂层上部之环形分布管分布管4 4内，因为输气总管根数很少，传热内，因为输气总管根数很少，传热面积很小，所以气体温升并不显著。然后，面积很小，所以气体温升并不显著。然后，气体由环管分配至密布的许多根冷管气体由环管分配至密布的许多根冷管2 2，由，由上而下通过催化剂层，根据催化剂层温度理上而下通过催化剂层，根据催化剂层温度理想状况分布的需要，接受了催化剂层内的反想状况分布的需要，接受了催化剂层内的反应热，而后进入分气盒的上室，再进入中心应热，而后进入分气盒的上室，再进入中心管。管。(三）1.C.1.四段冷激式合成塔冷管式甲醇合成塔多用于高压法小型合成塔，甲醇合成装置大型化后，均为单系列机组，为保证长周期运转，要求结构简单可靠，采用多段冷激式。I.C.I.公司针对51-1型铜基催化剂的空时产率不很高，催化剂用量较大，反应温度范围较窄，又易超温的特点，成功地研究出了带有菱形分布器的四段冷激式合成塔，其结构简单，与高压法合成塔相比，具有以下特点:(l.)塔内不要催化剂筐内件，免除为吊装催化剂筐而设置的框架和重型吊车;(2)塔内不设置电加热器和换热器，可充分利用高压空间，(3)塔内压力降小;(4)塔内催化剂装卸既方便又迅速。(四)三菱瓦斯的四段冷激式合成塔常见的冷激分布器分为两类:一类是催化剂不分层，催化剂层内直接埋设冷激分布器，如上述I.G.I合成塔。另一类是催化剂分层，在层间设冷激分布器。由于前一类整个催化剂是连续的，高压空间利用较充分，装卸催化剂较方便，但气体分布均匀性较后者差些。后一类整个催化床是间断的，气体分布容易均匀，但结构较前者复杂，装卸催化剂较麻烦，且占了一定高压空间，减少了催化剂装量。无论哪种型式的气体分布器，为了使气体分布、混合均匀，设计时都应考虑以下两个方面，首先是冷激气通过冷激管上小孔时，使冷气分布均匀，其次应有足够的空间和重分布装置，使冷激气体得到良好的混合，然后进入下一层催化剂。(五)多段径向甲醇合成塔日本TEC公司(Togo Engineering Corporation的简称)开发了一种新的甲醇合成反应器，它是多段、间接冷却、径向流动反应器，简称MRF反应器，如图8-23所示。MRF反应器由外筒、催化剂筐以及许多垂直的沸水管，即反应器的冷管所组成，冷管埋于催化剂层中，合成气由中心管进入，然后径向流动通过催化剂层进行反应，反应后的气体汇集于环形空间，由上部出口。冷管吸收反应放出的热量转变为蒸气，根据反应的放热速率及移热速率，合理地选择冷管的数量和间距，则反应过程能按最佳温度线进行。六)Lurgi式甲醇合成塔LurgiLurgi式甲醇合成塔的优点在流程部式甲醇合成塔的优点在流程部分已提到过，合成塔既是反应器又分已提到过，合成塔既是反应器又是废热锅炉，合成甲醇所产生的反是废热锅炉，合成甲醇所产生的反应热由管外的沸腾水带走，管外沸应热由管外的沸腾水带走，管外沸腾水与锅炉汽包维持自然循环，汽腾水与锅炉汽包维持自然循环，汽包上装有压力控制器，以维持恒定包上装有压力控制器，以维持恒定的压力，因此管外沸水温度是恒定的压力，因此管外沸水温度是恒定的，于是管内催化层的温度也几乎的，于是管内催化层的温度也几乎是恒定的。温度恒定的好处一是有是恒定的。温度恒定的好处一是有效地抑制了副反应，二是催化剂寿效地抑制了副反应，二是催化剂寿命长，由于温度比较恒定，因此当命长，由于温度比较恒定，因此当操作条件发生变化时操作条件发生变化时(如循环机故障如循环机故障等等)，催化剂也没有超温危险，仍可，催化剂也没有超温危险，仍可安全运转。利用反应热产生的中压安全运转。利用反应热产生的中压蒸汽蒸汽4.5-5MPa,4.5-5MPa,经过热后可带动透经过热后可带动透平压缩机平压缩机(即甲醇合成气压缩机及循即甲醇合成气压缩机及循环气压缩机环气压缩机)，压缩机用过的低压蒸，压缩机用过的低压蒸汽又送至甲醇精制部分使用，因此汽又送至甲醇精制部分使用，因此整个系统热的利用很好。整个系统热的利用很好。七)改进的Lurgi式甲醇合成塔日本的MHI和MGC 两公司联合开发了超大型反应器，如图8-26所示。这是一个垂直的简单的双套管换热器，催化剂装在内管和外管之间，沸水则在管壳间循环，原料气从下面进入内管，被加热后的气体进入催化床，反应器被外面的沸水冷却，同时被里面的气体冷却，催化床的温度在进口处较高而近出口处较低，这就有可能使操作温度接近最佳温度线。该反应器与Lurgi式反应器类似，不同点仅在催化管内设置气体内冷管，是单管逆流与Lurgi式的混合结构。该反应器的特点是(1）单程转化率高，例如在5000h-1空速，8MP压力下可得14%的出口甲醇浓度，(2)能量回收好，每吨甲醇可产生1吨(4MPa）压力的蒸汽，（3)气体在反应器内预热相当于一个换热器。绝热管壳复合型甲醇合成反应器 华东理工大学在“九五”期间研发了“绝热管壳复合型”甲醇合成反应器，并成功用于兖矿鲁南化肥厂年产10万吨低压甲醇合成装置上，形成了具有我国自主知识产权的专有技术，其设计结构合理，便于制造，能量利用率高，操作控制简捷。二：甲醇反应器的优点1、催化剂床层基本均温控制，催化剂使用寿命长 兖矿鲁南化肥厂第一次装填的催化剂使用周期达三年零一个月现在我们装填的第一炉催化剂已经运行了一年半，现在催化剂床层热点温度仍控制在241，预计再正常运行一年没问题 2、对反应器进口温度和组成适应性强，操作弹性大进口温度控制在195225，完全适应催化剂各个活性阶段的生产需要进口气体组份范围较宽，CO含量根据催化剂活性的不同，可以控制在815之内 3、高压空间催化剂填充系数高；全塔阻力0.15MPa。我公司运行一年半以来，现合成塔阻力为0.05MPa 4、催化剂生产强度大；催化剂利用系数最高：12.1吨甲醇/吨天5、副产高位能中压蒸汽，1吨蒸汽/吨甲醇6、催化剂床层温度易控制；操作简便直观正常生产时操作人员主要监控好合成塔汽包蒸汽压力及系统循环量的稳定即可基本保证系统的整体稳定运行6、催化剂易于装填和卸出装填催化剂除部分耐火球从下部封头装填外，其它大部分耐火球和全部催化剂都由上部人孔直接装填，并且由于列管直径较大，装填时架桥现象非常少卸催化剂时只要打开下部卸料孔，耐火球、催化剂极易从上部落下与一般管壳型甲醇反应器结构的主要区别（1）在上管板上部有一绝热层，绝热层中的催化剂体积为整个催化剂体积的1/81/7单塔生产能力大，由于上部有绝热层，因此在同等生产能力下，相对反应器直径不致于太大，同时管板与上下封头的直径也不致于太大，这样也易于设备加工并且当入塔气含有毒成份时，中毒的是绝热层催化剂，并且因绝热层直径大，中毒区的床层不会很高（2）催化剂列管规格为442mm，使列管内床层内径与催化剂颗粒直径之比为8，且管子根数与382mm相比，减少20以上，设备制造方便减少因架桥原因导致的壁效应出现，减少对反应造成的不良影响（3）气体入口处设有气体分布器，催化剂床层气体分布均匀，避免偏流现象的出现，催化剂活性使用地均匀彻底