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管式反應器ppt

這是管式反應器ppt,包括了管式反應器的概念,管式反應器的特點,管式反應器的加熱或冷卻可采用各種方式,釜式反應器的概念等內容,歡迎點擊下載。

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管式反應器和釜式反應器 管式反應器 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;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. 管式反應器的特點 管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,所以它的生產能力高。 (4)管式反應器適用于大型化和連續化的化工生產。 (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,管式反應器可實現分段溫度控制。其主要缺點是,反應速率很低時所需管道過長,工業上不易實現。 管式反應器的分類 管式反應器是應用較多的一種連續操作反應器,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。 (2)立管式反應器 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。有時也將一束立管安裝在一個加熱套筒內,以節省安裝面積,(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。 (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Φ400mm的空間,便于安裝和檢修。 (4) U形管式反應器 U形管式反應器的管內設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,如甲苯的連續硝化、蒽醌的連續磺化等反應。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 (5)多管并聯管式反應器 多管并聯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裝有固相鐵催化劑的反應器中合成氨。 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,使電能轉變為熱能。這種加熱方法升溫快、加熱溫度高、便于實現遙控和自控。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。 (4)煙道氣加熱,利用氣體或液體燃料 燃燒產生的煙道氣輻射直接加熱管式反應器,可達數百度的高溫,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。 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化生產。 釜式反應器 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,也可通過外循環進行換熱。 釜式反應器的分類 按操作方式可分為:   ②連續釜式反應器,或稱連續釜。 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副反應的場合,釜式反應器中的返混現象是不利因素。此時可采用多釜串聯反應器,以減小返混的不利影響,并可分釜控制反應條件。   大規模生產應盡可能采用連續反應器。連續反應器的優點是產品質量穩定,易于操作控制。其缺點是連續反應器中都存在程度不同的返混,這對大多數反應皆為不利因素,應通過反應器合理選型和結構設計加以抑制。  、郯脒B續釜式反應器。指指一種原料一次加入,另一種原料連續加入的反應器,其特性介于間歇釜和連續釜之間。 連續釜式反應器的特點 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,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。 全混流假定 連續流動釜式反應器,其結構和間歇釜式反應器相同,但進出物料的操作是連續的,即一邊連續恒定地向反應器內加入反應物,同時連續不斷地把反應產物引出反應器,這樣的流動狀況稱之謂全混流。 這里要討論的都限于定態操作范圍,即假定反應器在穩定操作條件下,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生變化的定常狀態。 返混 在連續釜式反應器中,反應原料以穩定的流速進入反應器,反應器中的反應物料以同樣穩定流速流出反應器。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。 連續攪拌釜中的濃度分布特征 在連續釜式反應器中,釜內的物料濃度都與出口物料的濃度相同,因此反應器中反應物的濃度普遍下降,而產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。 連續釜式反應器中的返混 循環反應器中的物料混合作用是有組織的,而連續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流運動造成的。 間歇釜和連續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;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,以區別于前一種混合。 返混的原因 造成返混的原因是由于反應器內物料的環流運動,或者更一般地說由于物料在連續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,返混產生的原因主要是二個: 設備中存在有不同尺度的環流 不均勻的速度分布 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,工業上常采用多釜串連的操作,這是橫向分割的典型例子。當串連釜數足夠多時,這種連續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 單釜和多釜串連操作時的反應物濃度水平 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;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流動的途徑稱作液體的“流動模型”,簡稱“流型”。 常用攪拌器的型式、結構和特點 釜式反應器的攪拌器 槳式攪拌器 由槳葉、鍵、軸環、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20~80r/min。槳式攪拌器直徑取反應釜內徑Di/3~2/3,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排槳葉。 釜式反應器圖片 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。 選型 對于特定的反應過程,反應器的選型需綜合考慮技術、經濟及安全等諸方面的因素。 加料方式  對有兩種以上原料的連續反應器,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,須根據反應過程的特征決定 換熱方式  多數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:  、佟〉葴胤磻鳌》磻锵禍囟忍幪幭嗟鹊囊环N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。  、凇〗^熱反應器 反應區與環境無熱量交換的一種理想反應器。反應區內無換熱裝置的大型工業反應器,與外界換熱可忽略時,可近似看作絕熱反應器。  、邸》堑葴胤墙^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。   換熱可在反應區進行,如通過夾套進行換熱的攪拌釜,也可在反應區間進行,如級間換熱的多級反應器。 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,使反應過程在優化條件下進行。例如對可逆放熱反應應采用先高后低的溫度序列以兼顧反應速率和平衡轉化率。   反應器可在常壓、加壓或負壓(真空)下操作。加壓操作的反應器主要用于有氣體參與的反應過程,提高操作壓力有利于加速氣相反應,對于總摩爾數減小的氣相可逆反應,則可提高平衡轉化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度,故許多氣液反應過程、氣液固相反應過程采用加壓操作,以提高反應速率,如對二甲苯氧化等。 反應過程的基本特征決定了適宜的反應器形式。例如氣固相反應過程大致是用固定床反應器、流化床反應器或移動床反應器。但是適宜的選型則需考慮反應的熱效應、對反應轉化率和選擇率的要求、催化劑物理化學性態和失活等多種因素,甚至需要對不同的反應器分別作出概念設計,進行技術的和經濟的分析以后才能確定。   除反應器的形式以外,反應器的操作方式和加料方式也需考慮。例如,對于有串聯或平行副反應的過程,分段進料可能優于一次進料。溫度序列也是反應器選型的一個重要因素。例如,對于放熱的可逆反應,應采用先高后低的溫度序列,多級、級間換熱式反應器可使反應器的溫度序列趨于合理。反應器在過程工業生產中占有重要地位。就全流程的建設投資和操作費用而言,反應器所占的比例未必很大。但其性能和操作的優劣卻影響著前后處理及產品的產量和質量,對原料消耗、能量消耗和產品成本也產生重要影響。因此,反應器的研究和開發工作對于發展各種過程工業有重要的意義。

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