精細(xì)化工過(guò)程與設(shè)備教案第一章緒論

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精細(xì)化工過(guò)程與設(shè)備第一章：緒論1. 1 精細(xì)化工生產(chǎn)的特點(diǎn)及其對(duì)反應(yīng)設(shè)備的要求一、精細(xì)化工生產(chǎn)的特點(diǎn)多品種化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜反應(yīng)物料相態(tài)多樣化反應(yīng)介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)高技術(shù)密集度二、精細(xì)化工對(duì)反應(yīng)設(shè)備的要求反應(yīng)器內(nèi)要有良好的傳質(zhì)和傳熱條件建立合適的濃度溫度分布體系對(duì)于強(qiáng)放熱或吸熱反應(yīng)要保證保證足夠快的傳熱速率和可靠的熱穩(wěn)定性；根據(jù)操作溫度、壓力和介質(zhì)的腐蝕性能，要求設(shè)備材料、型式和結(jié)構(gòu)具有可靠的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能。1. 2 反應(yīng)器類型管式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器板式塔填料塔鼓泡塔反應(yīng)床固定床流化床移動(dòng)床精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案滴流床( 1) 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器的特征是，長(zhǎng)度遠(yuǎn)較管徑為大，內(nèi)部中

2、空，不設(shè)置任何構(gòu)件它多用于均相反應(yīng)，例如，由輕油裂解生產(chǎn)乙烯所用的裂解爐便屬此類反應(yīng)器。 ( 2) 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器又稱反應(yīng)釜或攪拌反應(yīng)器，其高度一般與其直徑相等或稍高，釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置及擋板，并可根據(jù)不同的情況，在釜外或釜內(nèi)安裝傳熱構(gòu)件以維持所需反應(yīng)溫度。釜式反應(yīng)器是精細(xì)化工行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類反應(yīng)器、一般用于進(jìn)行均相反應(yīng)，也可用于進(jìn)行多相反應(yīng)，如氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)、液固反應(yīng)以及氣液固反應(yīng)。許多酯化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、磺化反應(yīng)以及氯化反應(yīng)等，都在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。( 3) 塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器的高度一般為直徑的數(shù)倍以至十余倍，內(nèi)部設(shè)有為了增加兩相接觸的構(gòu)件如填料、篩板等。圖12(c) 為

3、板式塔，圖 12(d) 為填料塔。塔式反應(yīng)器主要用于兩種流體相反應(yīng)的過(guò)程，如氣液反應(yīng)和液液反應(yīng)。 鼓泡塔 ( 見(jiàn)團(tuán) 12(e) 也是塔式反應(yīng)器的一種用以進(jìn)行氣液反應(yīng)、它內(nèi)部不設(shè)置任何構(gòu)件，氣體以氣泡形式通過(guò)液層。噴霧塔也屬于塔式反應(yīng)器 ( 見(jiàn)團(tuán) 12(f) ，用于氣液反應(yīng) 液體呈霧滴狀分散于氣體中，情況正好與鼓泡塔相反。無(wú)論哪一種型式的塔式反應(yīng)器，參與反應(yīng)的兩種流體可以逆流、也可以并流，視具體情況而定。( 4) 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器的特征為反應(yīng)器內(nèi)填充有固定不動(dòng)的固體顆粒，這些固體顆粒可以是固體催化劑，也可以是固體反應(yīng)物。固定床反應(yīng)器是一種被廣泛采用的多相催化反應(yīng)器，如氨合成、甲醇合成、苯

4、氧化以及鄰二甲苯氧化反應(yīng)都是在這種反應(yīng)器中進(jìn)行的。圖12(g) 所示為一列管式固定床反應(yīng)器， 管內(nèi)裝催化劑、 反應(yīng)物料自上而下通過(guò)床層，管間的載熱體與管內(nèi)的反應(yīng)物料進(jìn)行換熱，以維持所需的溫度條件。對(duì)于放熱反應(yīng)，往往使用冷的原料作為載熱體，借此將其預(yù)熱至反應(yīng)所要求的溫度，然后再進(jìn)入床層，這種反應(yīng)器稱為自熱反應(yīng)器。此外，也有在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)的精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案固定床反應(yīng)器。除多相催化反應(yīng)外，固定床反應(yīng)器還用于氣固及液固非催化反應(yīng)。( 5) 流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器是一種有固體顆粒參與的反應(yīng)器，與固定床反應(yīng)器不同這些顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且其運(yùn)動(dòng)方向是多種多樣的。流化床反應(yīng)器內(nèi)流體與固體顆粒所構(gòu)成

5、的床層猶如沸騰的液體，故又稱沸騰床反應(yīng)器。因?yàn)檫@種床層具有與液體相類似的性質(zhì)，有入又把它叫做假液化層。 圖 12(h) 是這種反應(yīng)器的示意圖， 反應(yīng)器下部設(shè)有分布板，板上放置固體顆粒，流體自分布板下送入，均勻地流過(guò)顆粒層。當(dāng)流體速度達(dá)到一定數(shù)值后，固體顆粒開(kāi)始松動(dòng)，再增大流速即進(jìn)入流化狀態(tài)。反應(yīng)器內(nèi)一般都設(shè)置有擋板、換熱器以及流體與固體分離裝置等內(nèi)部構(gòu)件以保證得到良好的流動(dòng)狀態(tài)和所需的溫度條件，以及反應(yīng)后的物料分離。流化床反應(yīng)器可用于氣固、液固以及氣液固催化或非催化反應(yīng)，是工業(yè)生產(chǎn)中較廣泛使用的反應(yīng)器，典型的例子是催化裂解反應(yīng)裝置， 還有一些氣固相催化反應(yīng)， 如萘氧化、丙烯氨氧化和丁烯氧化脫氫

6、等也采用此反波器。流化床反應(yīng)器用于固相加工也是十分典型的、如黃鐵礦和閃鋅礦、石灰石的煅燒等。( 6) 移動(dòng)床反應(yīng)器和滴流床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器也是一種固體顆粒參與的反應(yīng)器，與固定床反應(yīng)器相似，不同之處是固體顆粒自反應(yīng)器頂部連續(xù)加入，自上而下移動(dòng)，由底部卸出，如固體顆粒為催化劑，則用提升裝置將其輸送至反應(yīng)器頂部返回反應(yīng)器內(nèi)。反應(yīng)流體與顆粒成逆流、此種反應(yīng)器適用于催化刑需要連續(xù)進(jìn)行再生的催化反應(yīng)過(guò)程和固相加工反應(yīng)，圖 1 2(i) 為其示意圖。滴流床反應(yīng)器又稱涓流床反應(yīng)器，如圖 12(j) 所示。從某種意義說(shuō)， 這種反應(yīng)器也屬于固定床反應(yīng)器，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)，如石油餾分加氫脫硫用的就是此

7、種反應(yīng)器。通常反應(yīng)氣體與液體自上而下成并流流動(dòng)，有時(shí)也采用逆流操作。1. 3 反應(yīng)器操作方式間歇反應(yīng)器的特點(diǎn)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案間歇反應(yīng)器在反應(yīng)過(guò)程中既沒(méi)有物料的輸入，也沒(méi)有物料的輸出，即不存在物料的流動(dòng)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程都是在恒容下進(jìn)行的。反應(yīng)物系若為氣體則必充滿整個(gè)反應(yīng)器空間體積不變自不待言；若為液體，雖不充滿整個(gè)反應(yīng)器，由于壓力的變化而引起液體體積的改變通?？梢院雎砸蛑春闳萏幚硪沧銐驕?zhǔn)確。采用間歇操作的反應(yīng)器幾乎都是釜式反應(yīng)器，其余類型均極罕見(jiàn)。間歇反應(yīng)器適用于速率慢的化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)量小的化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)于那些批量少而產(chǎn)品的品種又多的企業(yè)尤為適宜，例如，醫(yī)藥工業(yè)往往就屬于這種情況。( 2)

8、 連續(xù)操作連續(xù)操作的特征是連續(xù)地將原料輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)地從反應(yīng)器流出。采用連續(xù)操作的反應(yīng)器叫做連續(xù)反應(yīng)器或流動(dòng)反應(yīng)器。前邊所述的各類反應(yīng)器都可采用連續(xù)操作， 對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中某些類型的反應(yīng)器，連續(xù)操作是惟一可采用的操作方式。連續(xù)操作多屬于定態(tài)操作，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系參數(shù)。如濃度、溫度等均不隨時(shí)間而改變，但卻隨位置而變，圖 1 4表示反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物系濃度隨反應(yīng)器軸向距離而變化的情況。反應(yīng)物 A的濃度從入口處的濃度 CA0沿著反應(yīng)物料流動(dòng)方向而逐漸降低至出口處的濃度 CAf。與此相反，反應(yīng)產(chǎn)物 R的濃度則從入口處的濃度 ( 通常為零 ) 逐漸升高至出口處的濃度 CRf。對(duì)于可逆反應(yīng)

9、、無(wú)論 CAf或 CRf均以其平衡濃度為極限但要達(dá)到平衡濃度反應(yīng)器需無(wú)窮長(zhǎng)。對(duì)不可逆反應(yīng)反應(yīng)物 A( 不過(guò)量 ) 雖可轉(zhuǎn)化殆盡，但某些反應(yīng)同樣需要無(wú)限長(zhǎng)的反應(yīng)器才能辦到。圖 14與因 1.3 有些類似，但一個(gè)是隨時(shí)間而變， 另一個(gè)是隨位置而變， 這反映了兩種操作方式的根本區(qū)別。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器絕大部分都是采用連續(xù)操作，因?yàn)樗哂挟a(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。這些都是間歇操作無(wú)法與之相比的。當(dāng)然連續(xù)操作系統(tǒng)一旦建成，要改變產(chǎn)品品種是十分困難的事。有時(shí)甚至要較大幅度地改變產(chǎn)品產(chǎn)量也不易辦到。( 3) 半連續(xù)操作原料與產(chǎn)物只要其中的一種為連續(xù)輸入或輸出而其余則為分批加

10、入或卸出的操作，均屬半連續(xù)操作，相應(yīng)的反應(yīng)器稱為半連續(xù)反應(yīng)器或半間歇反應(yīng)器。例如，由精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案氯氣和苯生產(chǎn)一氯苯的反應(yīng)器就有采用半連續(xù)操作方式的。苯一次加入反應(yīng)器內(nèi)，氯氣則連續(xù)通入反應(yīng)器，未反應(yīng)的氯氣連續(xù)從反應(yīng)器排出，當(dāng)反應(yīng)物系的產(chǎn)品分布符合要求時(shí)、停止通氯氣，卸出反應(yīng)產(chǎn)物。由此可見(jiàn)，半連續(xù)操作同時(shí)具有連續(xù)操作和間歇操作的某些特征。有連續(xù)流動(dòng)的物料，這點(diǎn)與連續(xù)操作相似；也有分批加入或卸出的物料，因而生產(chǎn)是間歇的，這反映了間歇操作的特點(diǎn)。由于這些原因，半連續(xù)反應(yīng)器的反應(yīng)物系組成必然既隨時(shí)間而改變，也隨反應(yīng)器內(nèi)的位置而改變。管式、釜式、塔式以及固定床反應(yīng)器都有采用半連續(xù)方式操作的。1.

11、4 反應(yīng)器計(jì)算基本方程式反應(yīng)器計(jì)算的主要任務(wù)是根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算一定條件下反應(yīng)所需要的體積，以此確定反應(yīng)器的主要尺寸。反應(yīng)器計(jì)算中所應(yīng)用的基本方程式是物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式。反應(yīng)過(guò)程如有較大的壓力降，并因而影響反應(yīng)速度時(shí)。 還要加上動(dòng)量衡算式。反應(yīng)器的計(jì)算也就是上述方程組的聯(lián)合求解。式中 F A組分 A的流量， kmol·h-1影響均相反應(yīng)速度的因素主要是溫度、壓力和反應(yīng)物濃度，表示反應(yīng)速度與影響因素間函數(shù)關(guān)系的式子稱為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式，或稱反應(yīng)速度方程式。如反應(yīng)A R為 n級(jí)不可逆反應(yīng)其動(dòng)力學(xué)方程式可寫成1. 4. 2 物料衡算式1. 4. 3 熱量衡算式1

12、. 5 理想反應(yīng)器1. 6 工業(yè)反應(yīng)器放大相似放大法逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大通過(guò)小型反應(yīng)器進(jìn)行工藝試驗(yàn)，優(yōu)選出操作條件和反應(yīng)器型式、確定所能達(dá)到的精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。據(jù)此再設(shè)計(jì)和制造規(guī)模稍大一些的裝置，進(jìn)行所謂模型試驗(yàn)。根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果，再將規(guī)模增大，進(jìn)行中間試驗(yàn)，由中間試驗(yàn)的結(jié)果，放大到工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)裝置。如果放大倍數(shù)太大而無(wú)把握時(shí)往往還要進(jìn)行多次不同規(guī)模的中間試驗(yàn)，然后才能放大到所要求的工業(yè)規(guī)模。數(shù)學(xué)模型方法其實(shí)質(zhì)是通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)反應(yīng)器，預(yù)測(cè)不同規(guī)模的反應(yīng)器工況，優(yōu)化反應(yīng)器操作條件。數(shù)學(xué)模型法一般包括下列步驟：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)，這一步驟包括新產(chǎn)品的合成、新型催化劑的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究等。這一階段的工作屑于基礎(chǔ)性的，著重過(guò)程的化學(xué)問(wèn)題。小型試驗(yàn)，仍屑于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但要比上一步實(shí)驗(yàn)來(lái)得大，且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)大體上與將來(lái)工業(yè)裝置要使用的接近，例如，采用列管式固定床反應(yīng)器時(shí)，就可采用單管試驗(yàn)。這一階段的目的在于考察物理過(guò)程及工業(yè)原料等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。大型冷模試驗(yàn)，目的是探索傳遞過(guò)程的規(guī)律。前已指出，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程總是受到各種傳遞過(guò)程的干擾，而傳遞過(guò)程的影響往往又是隨著設(shè)備規(guī)模而改變的。中間試驗(yàn)，這一階段的試驗(yàn)不但在于規(guī)模上的增大，而且在流程及設(shè)備型式上都