化學(xué)反應(yīng)器分類及其特點(diǎn).doc

化學(xué)反應(yīng)器的分類及特點(diǎn)秦財(cái)?shù)拢ㄖ心洗髮W(xué)、化學(xué)化工學(xué)院、化工1002班）摘要: 反應(yīng)器的應(yīng)用始于古代，制造陶器的窯爐就是一種原始的反應(yīng)器。近代工業(yè)中的反應(yīng)器形式多樣?；瘜W(xué)反應(yīng)器，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)械攪拌、氣流攪拌等）裝置。本文主要介紹化學(xué)反應(yīng)器的分類和特點(diǎn)關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)器 特點(diǎn) 典型反應(yīng) 現(xiàn)在的化工反應(yīng)器在向高精端方向發(fā)展，在化工反應(yīng)中處于主要地位，化學(xué)反應(yīng)器是化學(xué)反應(yīng)的載體,是化工研究、生產(chǎn)的基礎(chǔ),是決定化學(xué)反應(yīng)好壞的重要因素之一,因此反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、選型是十分重要的。 反應(yīng)器的種類很多，設(shè)計(jì)和選型很重要，座椅應(yīng)該按照實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)制造。一釜式反應(yīng)器 （一）反應(yīng)器的簡(jiǎn)介一種低高徑比的圓筒形反應(yīng)器，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過(guò)程中物料需加熱或冷卻時(shí)，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。 （二）反應(yīng)器的特點(diǎn)反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，存在不同停留時(shí)間物料的混合，即返混程度最大。 反應(yīng)器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時(shí)間變化，從而不存在時(shí)間這個(gè)自變量。 優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易，可以方便地改變反應(yīng)內(nèi)容。缺點(diǎn)：換熱面積小，反應(yīng)溫度不易控制，停留時(shí)間不一致。絕大多數(shù)用于有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。（三）典型反應(yīng)：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：CH3COOC2H5+NaOH CH3COONa+ C2H5OH二管式反應(yīng)器 （一）反應(yīng)器的簡(jiǎn)介管式反應(yīng)器一種呈管狀、長(zhǎng)徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。這種反應(yīng)器可以很長(zhǎng)，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長(zhǎng)以公里計(jì)。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)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(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)行多相催化反應(yīng)，如列管式固定床反應(yīng)器。通常，反應(yīng)物流處于湍流狀態(tài)時(shí)，空管的長(zhǎng)徑比大于50；填充段長(zhǎng)與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動(dòng)可近似地視為平推流.（二）反應(yīng)器的特點(diǎn)（1）由于反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等，所以在反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)上的反應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時(shí)間而變化，只隨管長(zhǎng)變化。（2）管式反應(yīng)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(yīng)較大的反應(yīng)。（3）由于反應(yīng)物在管式反應(yīng)器中反應(yīng)速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。（4）管式反應(yīng)器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。（5）和釜式反應(yīng)器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。（6）管式反應(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。用于加壓反應(yīng)尤為合適。（三）典型反應(yīng)：（1）將乙烷熱裂解以生產(chǎn)乙烯：（2）二氟一氯甲烷分解反應(yīng)為: 三塔式反應(yīng)器（一）反應(yīng)器的簡(jiǎn)介 (1)填料塔 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐腐蝕，適用于快速和瞬間反應(yīng)過(guò)程，軸向返混可忽略。能獲得較大的液相轉(zhuǎn)化率。由于氣相流動(dòng)壓降小，降低了操作費(fèi)用，特別適宜于低壓和介質(zhì)具腐蝕性的操作。但液體在填料床層中停留時(shí)間短，不能滿足慢反應(yīng)的要求，且存在壁流和液體分布不均等問(wèn)題，其生產(chǎn)能力低于板式塔。填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蝕性強(qiáng)及強(qiáng)度和潤(rùn)濕等性能優(yōu)良。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍等，材質(zhì)有陶瓷、不銹鋼、石墨和塑料。(2)板式塔 適于快速和中速反應(yīng)過(guò)程。具有逐板操作的特點(diǎn)，各板上維持相當(dāng)?shù)囊毫?、以進(jìn)行氣液相反應(yīng)。由于采用多板，可將軸向返混降到最低，并可采用最小的液流速率進(jìn)行操作，從而獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率。氣液劇烈接觸，氣液相界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱系數(shù)大，是強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程的塔型，因此適用于傳質(zhì)過(guò)程控制的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。板間可設(shè)置傳熱構(gòu)件，以移出和移入熱量。但反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣相流動(dòng)壓降大，且塔板需用耐腐蝕性材料制作，因此大多用于加壓操作過(guò)程。(3)噴霧塔 噴霧塔是氣膜控制的反應(yīng)系統(tǒng)，適于瞬間反應(yīng)過(guò)程。塔內(nèi)中空，特別適用于有污泥、沉淀和生成固體產(chǎn)物的體系。但儲(chǔ)液量低，液相傳質(zhì)系數(shù)小，且霧滴在氣流中的浮動(dòng)和氣流溝流存在。氣液兩相返混嚴(yán)重。(4)鼓泡塔 儲(chǔ)液量大，適于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)。掖相袖向返混嚴(yán)重，連續(xù)操作型反應(yīng)速率明顯下降。在單一反應(yīng)器中，很難達(dá)到高的液相轉(zhuǎn)化率，因此常用多級(jí)鼓泡塔串聯(lián)或采用間歇操作方式。（二）典型反應(yīng)：全回流塔式反應(yīng)器制備二氫月桂烯醇四 固定床反應(yīng)器 （一）反應(yīng)器的簡(jiǎn)介固定床反應(yīng)器又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過(guò)程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑215mm左右,堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動(dòng)，流體通過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過(guò)床層，呈氣液固相接觸。（二）反應(yīng)器的特點(diǎn) 固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。催化劑機(jī)械損耗小。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是：傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過(guò)允許范圍）。操作過(guò)程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。（三）典型反應(yīng)：乙苯脫氫制苯乙烯主反應(yīng)： 主反應(yīng)：副反應(yīng)：五流化床反應(yīng)器（一）反應(yīng)器的簡(jiǎn)介流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱沸騰床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化；但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應(yīng)器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。 （二）反應(yīng)器的特點(diǎn)流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) ： （1）由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大（可高達(dá) 328016400m/m），有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。 （2）由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高200400W/（mK），全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。這是許多工藝過(guò)程的反應(yīng)裝置選擇流化床的重要原因之一。 流化床內(nèi)的顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中移出、引入，并可以在兩個(gè)流化床之間大量循環(huán)。這使得一些反應(yīng)再生、吸熱放熱、正反應(yīng)逆反應(yīng)等反應(yīng)耦合過(guò)程和反應(yīng)分離耦合過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。使得易失活催化劑能在工程中使用。 流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn) （1）氣體流動(dòng)狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸向沒(méi)有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過(guò)床層，使氣固接觸不良，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 （2）催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。 （3）由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。 雖然流化床反應(yīng)器存在著上述缺點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)是主要的。流態(tài)化操作總的經(jīng)濟(jì)效果是有利的，特別是傳熱和傳質(zhì)速率快、床層溫度均勻、操作穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于熱效應(yīng)很大的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程特別有利（三）典型反應(yīng)：自由流化床合成乙酸乙烯：乙烯氣相水合后與氣化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯。此反應(yīng)的反應(yīng)式：CH2CH2+CH3COOHCH3COOCH2CH3六、結(jié)束語(yǔ)：化學(xué)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金、輕工等工業(yè)部門。化學(xué)反應(yīng)工程以工業(yè)反應(yīng)器中進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型方法建立反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，研究反應(yīng)器傳遞過(guò)程對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響以及反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性和反應(yīng)器參數(shù)敏感性，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)器的可靠設(shè)計(jì)和操作控制。化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)選擇十分重要，它關(guān)系到生產(chǎn)的吃呢公共與否和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與否。所以應(yīng)該慎重選擇化學(xué)反應(yīng)器?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】SmithJM. 化工動(dòng)力學(xué)，王建華，許學(xué)書，黃世英譯。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988余國(guó)琮，化工容器及設(shè)備，北京：化工工業(yè)出版社，1980李紹芬,高文新,廖暉;內(nèi)循環(huán)式無(wú)梯度反應(yīng)器的研究J;化工學(xué)報(bào);1980年01期范正,黃安吉,陳家鏞;氣體提升攪拌反應(yīng)器的研究J;化工學(xué)報(bào);1980年02期梁美基,陸乃宸;乙苯、丙烯共氧化中環(huán)氧化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的分析J;化學(xué)工程;1980年01期張華麗，流化床化學(xué)反應(yīng)器的模擬與專家系統(tǒng)D;大連理工大學(xué);2002年何