管式反应器 精选文档.ppt

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1、管式反应器 本讲稿第一页，共二十三页v管式反应器问题为化学反应工程学科中的中心问题之一。管式反应器问题为化学反应工程学科中的中心问题之一。20 世纪世纪40 年代起开始开发应用，反应器呈管状，长径比很年代起开始开发应用，反应器呈管状，长径比很大，属于连续操作反应器。研究本问题的主要目的在于探大，属于连续操作反应器。研究本问题的主要目的在于探求管式反应器内物理因素和化学因素的相互作用求管式反应器内物理因素和化学因素的相互作用,寻找最适寻找最适宜的设计方法和最佳的操作条件。宜的设计方法和最佳的操作条件。本讲稿第二页，共二十三页发展情况发展情况v根据管式反应器内流体的流动特性,麦克莫林（R.B.Ma

2、cmullin）等首先引出了理想管式反应器的概念,认为其管道轴向不存在流体的混和,而其径向发生着流体的完全混和。实际管式反应器与理想管式反应器有一定的出入,波司岛斯(R.Bosworth)考虑到管道径向速度梯度和扩散过程的影响,提出著名的管式反应器的修正模型,并由此得到滞流型管式反应器和湍流型管式反应器的停留时间的分布函数。1951年丹雷（K.G.Denligh）在波司岛斯停留时简的统计分析的基础上,得到了进行着二级反应的滞流型管式反应器的特殊解。本讲稿第三页，共二十三页v 泰勒，莱文斯彼尔、蒂却赛克等认为流体流经管道时存在着泰勒，莱文斯彼尔、蒂却赛克等认为流体流经管道时存在着逆向混和现象（或

3、称纵向混和、纵向扩散等）：逆向混和现象（或称纵向混和、纵向扩散等）：v（1）造成这种现象的原因为轴向的分子扩散和湍动扩散。）造成这种现象的原因为轴向的分子扩散和湍动扩散。v（2）流体微团在不同的轴向位置作相对的朝向运动。其中前者与后者）流体微团在不同的轴向位置作相对的朝向运动。其中前者与后者相比相比,其影响常可忽略。后者则大大取决于速度分布的形状和径向其影响常可忽略。后者则大大取决于速度分布的形状和径向的扩散速率。他们认为滞流型的速度分布能产生大的逆向混和的扩散速率。他们认为滞流型的速度分布能产生大的逆向混和,而湍流型的速度分布则反有较小程度的逆向混和发生。当雷诺而湍流型的速度分布则反有较小程

4、度的逆向混和发生。当雷诺准数为无穷大时准数为无穷大时,管道截面的速度趋于均一管道截面的速度趋于均一,此时此时,管道内已无逆向管道内已无逆向混和产生。这样的流型称作为活塞式。活塞式流动即为推演理想混和产生。这样的流型称作为活塞式。活塞式流动即为推演理想管式反应器方程的基本假定。管式反应器方程的基本假定。本讲稿第四页，共二十三页v与一般类型的连续反应器相比与一般类型的连续反应器相比,管式反应器的其它特点为管式反应器的其它特点为其单位反应空间的传热面积较大其单位反应空间的传热面积较大,流体与器壁间的给热流体与器壁间的给热系数高，管式反应器还便于进行分段控制系数高，管式反应器还便于进行分段控制,创造最

5、适宜的创造最适宜的温度梯度、压力梯度和浓度梯度温度梯度、压力梯度和浓度梯度,从而使管式反应器具从而使管式反应器具有较高的转化程度和选择性。有较高的转化程度和选择性。本讲稿第五页，共二十三页v常用的管式反应器有以下几种类型：常用的管式反应器有以下几种类型：v1.水平管式反应器水平管式反应器v 如右图所示为一种进行气相如右图所示为一种进行气相v或均液相反应常用的水平管或均液相反应常用的水平管v式反应器，它由无缝管与式反应器，它由无缝管与Uv形管连接而成。这种结构易形管连接而成。这种结构易v于加工制造和检修，高压反应管道的连接采用榫槽面整体对于加工制造和检修，高压反应管道的连接采用榫槽面整体对焊法兰

6、，可承受焊法兰，可承受1.610MPa压力，如用透镜面钢法兰，承压力，如用透镜面钢法兰，承受压力可达受压力可达1020MPa.本讲稿第六页，共二十三页图2.水平管式反应器本讲稿第七页，共二十三页v2.立管式反应器立管式反应器v 如下图所示为立管式反应器，它主要用于液相氨化如下图所示为立管式反应器，它主要用于液相氨化反应，液相加氢反应，液相氧化反应等工艺中，它包反应，液相加氢反应，液相氧化反应等工艺中，它包括单程式立管反应器，和带中心插入管的立式反应器，括单程式立管反应器，和带中心插入管的立式反应器，有时也将一束立管安装在一个加热套筒内以节省地面。有时也将一束立管安装在一个加热套筒内以节省地面。

7、本讲稿第八页，共二十三页图4.立管式反应器本讲稿第九页，共二十三页v3.盘管式反应器盘管式反应器v 如下图，将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，如下图，将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间，但检修和清刷管道比较麻烦。节省空间，但检修和清刷管道比较麻烦。本讲稿第十页，共二十三页v4.U形管式反应器形管式反应器v如图如图6所示，所示，U形管式反应器形管式反应器v的管内设有多孔挡板或搅拌装置，的管内设有多孔挡板或搅拌装置，v以强化传热与传质过程。以强化传热与传质过程。U形管形管v的直径大，物料停留时间长，可的直径大，物料停留时间长，可v应用于反应速率较慢的反应，如应用于反应速率较慢的反应

8、，如v带多孔挡板的带多孔挡板的U 形管反应器被应形管反应器被应v用于己内酰胺的聚合反应。带搅用于己内酰胺的聚合反应。带搅v拌装置的拌装置的U 形管式反应器适用于形管式反应器适用于v非均相物料或液固相悬浮物料，非均相物料或液固相悬浮物料，v如甲苯的连续硝化，蒽醌的连续磺化等反应器。如甲苯的连续硝化，蒽醌的连续磺化等反应器。本讲稿第十一页，共二十三页管式反应器在电化学中的应用v随着世界各国工业的迅猛发展，废水的排放量急剧增加，随着世界各国工业的迅猛发展，废水的排放量急剧增加，目前有机废水的处理方法大致可分为物化法、生物法、目前有机废水的处理方法大致可分为物化法、生物法、化学法等。在这些处理方法中，

9、高级氧化技术以有效的化学法等。在这些处理方法中，高级氧化技术以有效的促使这类难降解有机物无害化而受到了广泛的关注。与促使这类难降解有机物无害化而受到了广泛的关注。与其他废水处理方法相比具有：多功能性、高度的灵活性、其他废水处理方法相比具有：多功能性、高度的灵活性、无污染或少污染性、易于控制性等许多优点，已受到国无污染或少污染性、易于控制性等许多优点，已受到国内外的广泛关注。随着电极材料的开发、反应器的研制内外的广泛关注。随着电极材料的开发、反应器的研制及对传统电化学工艺的改进，电化学水处理技术必将得及对传统电化学工艺的改进，电化学水处理技术必将得到广泛的应用到广泛的应用。电化学处理有机废水是管

10、式电化学反。电化学处理有机废水是管式电化学反应器最广泛和最成功的应用领域。应器最广泛和最成功的应用领域。v 本讲稿第十二页，共二十三页v如深圳的许多具有排污及排洪双重作用的河流，由于沿如深圳的许多具有排污及排洪双重作用的河流，由于沿岸污水不断排入而受到严重污染，给附近居民的工作、岸污水不断排入而受到严重污染，给附近居民的工作、生活带来很大不便，甚至危及健康，同时严重影响了流生活带来很大不便，甚至危及健康，同时严重影响了流域周围环境和城市市容。采用管式电反应系统对这些河域周围环境和城市市容。采用管式电反应系统对这些河流污水进行了处理研究，流污水进行了处理研究，COD、TP、SS 的去除率分别达的

11、去除率分别达到了到了81%、91%和和89%。此外，还有人利用管式电反。此外，还有人利用管式电反应系统对五金加工废水进行了处理，污染物种类为应系统对五金加工废水进行了处理，污染物种类为COD、磷酸盐、色度、总锌，经处理、磷酸盐、色度、总锌，经处理COD、TP、SS、Zn 和色度的去除率分别达到了和色度的去除率分别达到了94%、99.9%、89%、83%、和、和90%。本讲稿第十三页，共二十三页v在磷复肥行业中，通常所说的管式反应器是指十字管在磷复肥行业中，通常所说的管式反应器是指十字管反应器，磷酸和硫酸分别进入十字管反应器相对两支反应器，磷酸和硫酸分别进入十字管反应器相对两支管中，在这里二者充

12、分混合后，再与中心管来的气氨管中，在这里二者充分混合后，再与中心管来的气氨（或液氨有时加水）、进行反应。进入的氨量应使磷（或液氨有时加水）、进行反应。进入的氨量应使磷酸硫酸全部中和，反应生产的料浆通过一肘型管喷到酸硫酸全部中和，反应生产的料浆通过一肘型管喷到造粒机中。它主要用于磷酸一铵、磷酸二铵的生产，造粒机中。它主要用于磷酸一铵、磷酸二铵的生产，在其返料系统中添加钾盐，则生产在其返料系统中添加钾盐，则生产NPK产品。十字管产品。十字管反应器通常采用耐蚀镍基合金反应器通常采用耐蚀镍基合金C-276制造。制造。本讲稿第十四页，共二十三页管式反应器在聚乙烯醇生产中的应用v 在高碱法的聚乙烯醇生产过

13、程中在高碱法的聚乙烯醇生产过程中,每生产一吨聚乙烯每生产一吨聚乙烯醇将产生醇将产生8.8 吨的醇解废液吨的醇解废液,其中约含有其中约含有2%的醋酸钠，的醋酸钠，工业上把这些醋酸钠用硫酸进行酸解以回收醋酸和硫酸钠，工业上把这些醋酸钠用硫酸进行酸解以回收醋酸和硫酸钠，每生产一吨聚乙烯醇可从中回收每生产一吨聚乙烯醇可从中回收110-120 公斤醋酸公斤醋酸,约占回约占回收醋酸量的收醋酸量的 8%，回收的醋酸可用于醋酸乙烯的合成，回收的醋酸可用于醋酸乙烯的合成，生生成的硫酸钠成的硫酸钠(芒硝芒硝)经提纯以后可用于维尼纶生产经提纯以后可用于维尼纶生产,因此因此,酸酸解反应在聚乙烯醇生产中有着重要的意义解

14、反应在聚乙烯醇生产中有着重要的意义,反应的好坏反应的好坏不仅影响回收醋酸的质量和聚乙烯醇的成本不仅影响回收醋酸的质量和聚乙烯醇的成本,而且还而且还影响设备的腐蚀。影响设备的腐蚀。本讲稿第十五页，共二十三页v 醋酸钠和硫酸进行酸解反应生成醋酸和硫酸钠醋酸钠和硫酸进行酸解反应生成醋酸和硫酸钠,其反其反应式如下：应式如下：v 2CH3COONa+H2SO4=2CH3COOH+Na2SO4 本讲稿第十六页，共二十三页革新前后流程对比这项工艺上的革新 图图7.槽式酸解反应槽槽式酸解反应槽本讲稿第十七页，共二十三页图9.管式酸解反应槽本讲稿第十八页，共二十三页v这一革新大大简化了流程和设备这一革新大大简化

15、了流程和设备,其有占地面积小、基建其有占地面积小、基建投资省、动力消耗低的特点，投资省、动力消耗低的特点，并在生产能力与质上超并在生产能力与质上超过了原引进装置的水平。过了原引进装置的水平。两者的质量和技木经济指标两者的质量和技木经济指标分别见表分别见表1.本讲稿第十九页，共二十三页本讲稿第二十页，共二十三页v 硫酸含量为反应液的主要控制指标，福建维尼纶厂在硫酸含量为反应液的主要控制指标，福建维尼纶厂在无自动调节的工业酸度计情况下无自动调节的工业酸度计情况下,采用管式酸解反应采用管式酸解反应,其其反应液中的硫酸含量也比北京有机化工厂的低得多，反应液中的硫酸含量也比北京有机化工厂的低得多，而后者

16、则带有自动调节的工业酸度计，这说明管式酸而后者则带有自动调节的工业酸度计，这说明管式酸解反应比槽式的要完全。由表解反应比槽式的要完全。由表1 的技术经济指标来看的技术经济指标来看,管式反应比槽式反应优越，管式反应比槽式反应优越，其中福建维尼纶厂管式反应器其中福建维尼纶厂管式反应器的生产能力很大的生产能力很大,其最大生产能力尚未得到考核。其最大生产能力尚未得到考核。本讲稿第二十一页，共二十三页管式反应器的展望v人们发现采用常规的化学反应已难于再大幅度提高反应人们发现采用常规的化学反应已难于再大幅度提高反应速率，特别是对于一些难反应的液固相系统。当把化学速率，特别是对于一些难反应的液固相系统。当把

17、化学反应置于如电磁、超声、辐射等外场中时，将对反应和反应置于如电磁、超声、辐射等外场中时，将对反应和结晶产生很大的影响，加速或者阻尼反应与结晶的进行，结晶产生很大的影响，加速或者阻尼反应与结晶的进行，而特殊设计的管式反应器则为外场的引入提供了有效的而特殊设计的管式反应器则为外场的引入提供了有效的场合。长期来的生产实践和理论研究场合。长期来的生产实践和理论研究,虽然逐渐揭露了虽然逐渐揭露了按照近于活塞式流动的管式反应器的本质按照近于活塞式流动的管式反应器的本质,但是对它的但是对它的了解还是不够深入的。迄今为止了解还是不够深入的。迄今为止,有关管式反应器的文有关管式反应器的文章仅散见于化学反应工程的论文中章仅散见于化学反应工程的论文中,而很少有专文发表。而很少有专文发表。今后有关这方面的研究工作今后有关这方面的研究工作,还亟待深入开展。还亟待深入开展。本讲稿第二十二页，共二十三页v谢谢谢谢本讲稿第二十三页，共二十三页