1、化工设计化工反应器设计,郭俊杰 2013.4.20,反应器设计内涵,一个典型的化工生产过程大致有三个组成部分： 原料预处理 化学反应 产物分离很显然，化学反应是化工生产过程的核心，化学反应器是化工生产装置中的关键设备。反应器选择、设计与操作，涉及如何在工业规模上实现化学反应过程，以期最有效地把化工原料转化为尽可能多的目的产品，实现经济效益，以满足国民经济需要。,2,3,反应器选择,反应器设计与优化,反应器操作与控制,化工反应器设计,1,内容根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择工业反应器的类型 例子 均相反应器：常见的有釜式反应器、管式反应器等。 气固反应器：常用的有固定床反应器、流化床反应
2、器，其他的如移动床反应器和滴流床反应器等。 气液相反应器反应器：常用的有鼓泡塔反应器、填料塔反应器，此外还有板式塔反应器、喷雾塔反应器和降膜反应器等。 其他：气液固三相反应器，生化反应器，电化学反应器，聚合反应器。,反应器选择,反应器选择（气固相催化反应器为例）,气固相催化反应器的选择：一般从反应特点、反应热、工艺要求、反应器特点、催化剂性能等方面综合考量。 反应器选择举例,反应器设计与优化,内容根据化工产品的生产条件和工艺要求进行反应器的工艺设计 工艺计算（以提升管式流化床反应器的设计为例）首先是选型，再就是确定床高和床径、内部构件，并计算内部压力降等。 具体选型主要应根据工艺过程的特点来考
3、虑，即化学反应的特点、颗粒或催化剂的性能、对产品的要求及生产规模。,反应器设计与优化,反应器选择：循环流化床反应器 反应器选型：提升管式流化床反应器设计考虑因素： 1、操作条件 A、根据所需的气体处理量，确定操作气速及反应器直径 （操作气速需满足快速流态化的要求，同时又能保证所必需的气、固接触时间）,反应器设计与优化,B、根据停留时间的要求，确定反应器高度 C、由催化剂失活特性和传热量要求，确定催化剂颗粒循环速率2、化学反应特性床层结构及所选定的操作条件应适应化学反应的要求。例如，对以中间产物为目的产品的快速反应，应当使气固流动接近平推流，尽量减少催化剂颗粒返混。因此，应避免使用带有气垫弯头的
4、出口结构，尽量不使用内置构件等。,反应器设计与优化,3、颗粒循环装置装置目的在于调节和控制颗粒循环，以达到所要求的颗粒循环速率，并能帮助防止气体从提升管向伴床“反窜”流动。4、出口结构对于催化反应，由于必须严格控制反应时间，需要在出口采用能快速对气固两相进行分离的惯性分离器。,反应器的实际操作通过安装在反应器上的各种测量仪表了解流化床中的各项指标，以便采取正确的控制步骤，达到反应器的正常工作。 我们只做理论设计，如仪表控制部分。,反应器的操作与控制,举例：MTO流化床反应器的设计,设计的基础数据： 流化床反应器的操作工艺参数为：反应温度为450，反应压力为0.12MPa（绝压），甲醇操作空速1
5、5h-1。MTO成型催化剂粒径范围为30140m，平均粒径为80m，颗粒密度为1200kg/m3，堆密度为700kg/m3。 甲醇在450下的粘度查得为2.4310-5Pa/s。 甲醇在450下的密度根据理想气体状态方程估算为0.54kg/m3，甲醇原料含水量为5%。 之前已确定流化床反应器直径（外径为63 mm，内径为56 mm）、操作条件（T：450 ，P：0.12 MPa）、反应器内气体原料和固体催化剂物化性质。,举例：MTO流化床反应器的设计,流化床催化反应器主要包括：反应器壳体尺寸、气体分布装置、换热装置、气固分离装置、内部构件、以及催化剂颗粒的加入和卸出装置。MTO反应为放热反应，
6、工业装置中为避免反应器床层温度过高，需设置内取热或外取热器，由于小型固定流化床反应器尺度较小，散热效应较大，应考虑在反应器外设置加热炉保持MTO反应温度恒定，不必设置取热器。,举例：MTO流化床反应器的设计,操作气速 最小流化速度Umf计算 假设Rep20，将已知数据代入公式中 Umf=0.0066m/s，校核Rep（20）。 将Umf代入Fr准数公式作为判断流化形式的依据。 散式流化，Frmf0.13； 聚式流化，Frmf0.13。,举例：MTO流化床反应器的设计,代入已知数据求得Frmf=0.055，可判别流化形式为散式流化。 颗粒带出速度Ut流化床正常操作时不希望夹带，即 床内最大气速不
7、能超过床层平均粒径 颗粒的带出速度Ut。带入数据求得Ut=0.458m/s 校核Rep=1.94（0.4500之间）。,举例：MTO流化床反应器的设计,流化床操作气速操作速度U0 表示流化床在正常操作时流体的速度，一般UmfU0Ut。根据MTO流化床操作速度范围为0.0066U00.458，两个速度之比为69.4。所选气速不应太接近这一允许气速范围的任一极端。选择实际操作速度U0 为0.12 m/s。,举例：MTO流化床反应器的设计,甲醇处理能力根据工况下（450、0.12MPa）的理想气体方程计算可知甲醇的处理量为574g/h。 催化剂装填量根据反应动力学，为了确保MTO在一定时间内保持10
8、0%转化率，需控制甲醇空速为15h-1。根据甲醇处理量及反应空速计算得到催化剂装填量为115574g。根据最小操作空速为1h-1得催化剂最大装填量为574g。,举例：MTO流化床反应器的设计,流化床反应器尺寸 静止床层高度H的确定根据床层催化剂的藏量和催化剂的堆积密度（700kg/m3），催化剂体积为Vcat=0.574/700=0.00082m3。根据催化剂体积及反应器直径，由右式可计 算出催化剂静床层高度为0.25 m。 流化床层高度的确定床层的膨胀比R 为床层正常流化时床层高度Hf 与床层处于起始流化状态时的床层高度Hmf 之比。,举例：MTO流化床反应器的设计,对于粗颗粒床（dp100
9、m），R1.11.2，而对于细粒床（dp 100m），R1.21.7。本文假定床层的膨胀比为1.5。由于缺乏Hmf 数据，本文采用催化剂的静床高H 替代Hmf，可计算得到催化剂正常流化时的床层Hf 高度为0.37 m。 扩大段（自由沉降）直径的确定在流化过程中，小颗粒容易被流体夹带，当气速较大时，被气体带走的固体颗粒数量较大，为回收这部分颗粒，在流化床中须设有气固分离装置。在中试和工业流化床反应器中气固分离装置一般采用内置或外置的高效旋风分离。在小型流化床反应器的气固分离装置的设计采用的是在反应器上部连接一个扩大段作为自由沉降段，使气速降低，部分颗粒自由沉降分离。扩大段直径D 由最小颗粒的带出速度确定。,举例：MTO流化床反应器的设计,举例：MTO流化床反应器的设计,扩大段的高度取其直径的34 倍，本文取扩大段高度为直径的3 倍，因此扩大段高度为420 mm。 过渡段高度的确定固定流化床反应器反应段与扩大段之间为过渡段，过渡段锥体角度为120。根据密相段和扩大段直径，根据下式计算可得到过渡段高度。计算可知，流化床过渡段高度为240 mm。,个人总结,网上资源很丰富 结合工业生产实际 多查文献和专著,致学弟学妹：,用心去做，收获很大； 坚持下去，肯定获奖。 预祝各位学弟学妹 在第七届全国大学生化工设计竞赛中取得满意的成绩！,Thank You !,
