化工生产过程论文

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第一章化工生产过程 第一节 概述 第二节 化工生产过程工序 第三节 单元操作及分类 第四节 化工生产中的传递过程 第一节 概述 化工生产过程是指化学工业的生产过程， 它的特点之一是操作步骤多， 原料在各步骤中 依次通过若干个或若干组设备， 经历各种方式的处理之后才能成为产品。 由于不同的化学工 业所用的化学原料与所得的产品不同，所以各种化工过程的差别很大。 第二节 化工生产过程工序 化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制三大步骤。 一 原料预处理工序 主要目的是使初始原料达到反应所需要的状态和规格。例如固体需破碎、过筛；液体需 加热或气化；有些反应物要预先脱除杂质，或配制成一定的浓度。在多数主产过程中，原料 预处理本身就很复杂， 要用到许多物理的和化学的方法和技术， 有些原料预处理成本占总生 产成本的大部分。 二 化学反应 通过该步骤完成由原料到产物的转变， 是化工生产过程的核心。 反应温度、 压力、 浓度、 催化剂 （多数反应需要） 或其他物料的性质以及反应设备的技术水平等各种因素对产品的数 量和质量有重要影响，是化学工艺学研究的重点内容。 化学反应类型繁多，若按反应特性分，有氧化、还原、加氢、脱氧、歧化、异构化、烷基化、 化学反应类型 脱基化、分解、水解、水合、偶合、聚合、缩合、酯化、磺化、硝化、卤化、重氮化等众多 反应；若按反应体系中物料的相态分，有均相反应和非均相反应（多相反应） ；若根据是否 使用催化剂来分，有催化反应和非催化反应。 实现化学反应过程的设备称为反应器。工业反应器的类型 工业反应器的类型众多，不同反应过程，所用的反应 工业反应器的类型 器形式不同。反应器若按结构特点分；有管式反应器（装填催化剂，也可是空管） 、床式反 应器（装填催化剂，有固定床、移动床、流化床及沸腾床等） 、釜式反应器和塔式反应器等； 若按操作方式分，有间歇式、连续式和半连续式三种；若按换热状况分，有等温反应器、绝 热反应器和变温反应器，换热方式有间接换热式和直接换热式。 三 产品分离及精致 目的是获取符合规格的产品；并回收、利用副产物。在多数反应过程中，由于诸多原因，致 使反应后产物是包括目的

产物在内的许多物质的混合物， 有时目的产物的浓度甚至很低， 必 须对反应后的混合物进行分离、 提浓和精制才能得到符合规格的产品。 同时要回收剩余反应 物， 以提高原料利用率。分离和精制的方法和技术 分离和精制的方法和技术是多种多样的， 通常有冷凝、 吸收、吸附、 分离和精制的方法和技术 冷冻、闪蒸、精馏、萃取、渗透膜分离、结晶、过滤和干燥等，不同生产过程可以有针对性 地采用相应的分离和精制方法。分离出来的副产物和“三废’也应加以利用或处理。 第三节 单元操作及分类 传递基 础 流体流 动 动量 （ 单元操作名 称 流体输送 沉降 目的 以一定流量将流体从一处送到另一处 从液体或气体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。 从液体或气体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。
传递） 传递）
过滤 搅拌 流态化 换热 蒸发 吸收 蒸馏 萃取 浸取 吸附 离子交换 离子交换 膜分离 干燥 增（减）湿 结晶
从液体或气体中分离悬浮的固体颗粒。 从液体或气体中分离悬浮的固体颗粒。 使物料混合均匀或使过程加速 用流体使固体颗粒悬浮并使其具有流体状态的特性 使物料升温、降温或改变相态。 使物料升温、降温或改变相态。 使溶液中的溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离， 使溶液中的溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离， 达到溶液浓缩 液体吸收剂分离气体混合物。 液体吸收剂分离气体混合物。 利用均相液体混合物中各组分挥发度不同使液体混合物分离 利用均相液体混合物中各组分挥发度不同使液体混合物分离 液体萃取剂分离均相液体混合物。 液体萃取剂分离均相液体混合物。 液体浸渍固体物料，将其中的可溶组分分离出来。 液体浸渍固体物料，将其中的可溶组分分离出来。 固体吸附剂分离气体或液体混合物 离子交换剂从液体中提取或出去某些离子 固体膜或液体膜分离气体、 固体膜或液体膜分离气体、液体混合物 加热固体使其所含液体汽化除去。 加热固体使其所含液体汽化除去。 调节气体中的水汽含量。 调节气体中的水汽含量。 是溶液中的溶质变成晶体析出 变成晶体析出。 是溶液中的溶质变成晶体析出。
热量传 递
质量传 递
质传 热、 递
第四节 化工生产中的传递过程 传递过程（从物理本质上说有下列三种 理本质上说有下列三种） 传递过程（从物理本质上说有下列三种） 1.动量传递过程（单相或多项流动） 动量传递过程（ 动量传递过程 单相或多项流动） ； 2.热量传递过程——传热 热量传递过程—— 热量传递过程——传热 3.质量传递过程——传质 质量传递过程—

— 质量传递过程——传质 第二章 反应器之反应釜 第一节 反应器 第二节 反应釜 第一节 反应器 一 化学反应器的分类 1 按反应物料的聚集状态分类 按反应物料的聚集状态可将反应器分为均相反应器和非均相反应器。 2 按反应器的结构分类 （1）釜式反应器 （2）管式反应器 （3）塔式反应器 （4）固定床反应器 （5）流化床反应器 3 按操作方式分类 （1）间歇操作 （2）连续操作 二 对反应器的要求 1 反应器要有足够的反应体积，以保证反应物在反应器中有充分的反应时间， 来达到规定的转化率和产品的质量指标。 2 反应器的结构要保证反应物之间、反应物与催化剂之间有良好的接触。 3 反应器要有足够的传热面积， 保证及时有效地输入或引出热量， 使反应能在 最适宜的温度下进行。
4 反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力， 以保证反应过程安全可靠， 反应 器经济耐用。 5 反应器要尽量做到易操作，易制造，易安装和易维护检修。 第二节 反应釜 反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、 氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等； 材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔、因康镍）合金及其它复合材料。反 应釜可采用SUS304、SUS316L 等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式， 刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、可满足各种物料的特殊反应要求。无级 变速减速机，密封装置可采用机械密封， 加热冷却可采用夹套、半管、盘管、 米勒板等结构， 加热方式有蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境 的工艺需要。可根据用户工艺要求进行设计、制造。 一、结构形式： 反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有 锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也 可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环 进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热 等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座 等。 转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、 规格或其它要求可根据用户要求设计、 制作。 聚合反应釜是用于制造有机聚合物球体， 具有一个瘦长型的釜体以及一组插设在釜体内的可 替换的框式或桨式搅拌器。 在聚合搅拌过程中聚

合反应釜内流体位于各轴向不同点处的线速 度差异较小， 从而可以获得粒度较为均一的聚合单体， 同时采用本实用新型所设计的搅拌器 也使聚合反应釜内各介质流层的流速更趋均匀。 聚合反应釜具有一个轴线直立的圆筒形反应 釜体， 釜体的内壁对称设有三根可向心调节移动的阻尼棒， 釜体外壁自上而下套设有三段夹 套，其特征在于釜体的内壁直径为0.8~1.0m，釜体高度与内壁直径比为2.6~4.5:1，釜内插设 长轴搅拌器，搅拌直径与釜体直径比为0.4~0.6:1。 二、常见类型 根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、 开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜 三大类，每一种结构都有他的适用范围和优缺点。反应釜按材质及用途可有以下几种： 1、不锈钢反应釜 不锈钢反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。材质一般 有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料；根据反应釜的制造结 构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类.不锈钢反应釜搅 拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层 搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配.不锈钢反应釜的密封型式不同可分为：填料密封 机械密封和磁力密封。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、外(内)盘管加热等， 冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却.不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、 染料、医药、食品，用来完成硫化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如 反应器、反应釜、分解锅、聚合釜等。
搪玻璃反应釜
2、搪玻璃反应釜 搪玻璃反应釜是将含高二氧化硅的玻璃， 衬在钢制容器的内表面， 经高温灼烧而牢固地密着 于金属表面上成为复合材料制品。 因此搪玻璃反应釜具有玻璃的稳定性和金属强度的双重优 点，是一种优良的耐腐蚀设备。
磁力搅拌反应釜
3、磁力搅拌反应釜 采用静密封结构，搅拌器与电机传动间采用磁力偶合器联接，由于其无接触的传递力矩，以 静密封取代动密封， 能彻底解决以前机械密封与填料密封无法解决的泄漏问题， 使整个介质 各搅拌部件完全处于绝对密封的状态中进行工作，因此，更适合用于各种易燃易爆、剧毒、 贵重介质及其它渗透力极强的化学介质进行反应，是石油、化工、有机合成、高分子材 料聚合、食品等工艺中进行硫化、氟化、氢化、氧化等反应最理想的无泄漏反应设备。
不饱和聚酯树脂设备
4、不饱和聚酯树脂全套设备 不饱和聚脂树脂设备由立式

冷凝器、卧式冷凝器、反应釜、储水器、分馏柱五部分组成 适用范围：用于生产不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、ABS 树脂、油漆的关键设备。 根据反应釜的密封型式不同可分为：填料密封，机械密封和磁力密封。
蒸汽加热反应釜
5、蒸汽反应釜 使用的前提是用户本身备有外加入源（如蒸汽）或冷却源（如自来水） 。必须注意，蒸汽加 热方式为上进下出液体加热或冷却为下进上出。在各种方式出口管路无阀门，保证畅通。 三、注意事项： 1、维护及安全 1〉应严格按产品铭牌上标定的工作压力和工作温度操作使用，以免造成危险。2〉严格遵守 产品使用说明书中关于冷却、注油等方面的规定，做好设备的维护和保养。3〉所有阀门使 用时，应缓慢转动阀杆（针） ，压紧密封面，达到密封效果。关闭时不易用力过猛， 以免损 坏密封面。4〉电气控制仪表应由专人操作，并按规定设置过载保护设施。 四、常见故障现象及原因 1、故障现象：密封面处出现泄漏。故障原因：螺杆螺纹松动；密封面损伤。排除方法：将 螺杆重新上紧；重新修磨抛光密封面。 2、故障现象：阀门处出现泄漏。故障原因：阀杆（针） 、阀口密封面损伤。排除方法：维修、 更换阀杆（针） 、阀口。 3、故障现象：外磁钢旋转，内磁钢不转，电机电流减小。故障原因：釜内温升过高，冷却 循环不畅，内磁钢因高温褪磁。加氢反应，内磁钢套有裂纹，内磁钢膨胀。排除方法：通知 供货商，重新更换内磁钢。 4、故障现象：磁力耦合传动器内有摩擦的噪音。故障原因：轴套、轴承磨损，间隙过大， 内磁钢转动出现跳动。排除方法：与供货商联系，更换轴承、轴套。 五、反应器的初步探究
1 关于搅拌型式
就反应釜内物料相态而言，有液、液相反应，气、液相反应，气、固相反应，液、固相反应，气、固、
液相反应，以及伴有形态转换的反应。比如初始物料为气、液两相，反应生成固体产物后，逐步转变 成气、液、固三相反应。为保证各种反应物料充分混合接触，满足传质要求，应选择相应的搅拌器。 通过对叶片式搅拌器的形式及物料流动场的研究分析，涉及如下问题： (1)各相物质密度差：基本物料(连续相)和加人物料(分散相)的密度顺序差别， 当分散相密度小于连
续相密度时，选择下搅拌(如图1)； 当分散相密度大于连续相密度时，选择上搅拌(如图2)。上搅拌 又称无重力搅拌或太空搅拌，在气、液、固3相反应器中，有气、固2个密度差别很大的分散相，搅拌 器的设计较复杂；
下搅拌
下搅拌
(无重力搅拌、太空搅拌）
(2)各

相物质的比例和所占用釜体空问的大小，以及各相界面的形式，可通过变换搅拌器结构和转速 来达到物料分散的要求； (3)各相物质的粘度及粘度的变化，要以相应的叶片角度和相应的转速来达到物料分散的要求； (4)釜体的长径比：以单层叶片或多层叶片的形式来达到物料分散的要求； (5)叶片的直径与釜体直径比：在满足物料分散均匀的前提下，选择较小的比值； (6)轴功率：达到物料分散要求的前提下使轴功率最小；
(7)分散相物料的形态(形状和尺寸)：当分散相为气体时，可改变搅拌器设计来满足对汽泡尺寸的要求。
当分散相为固体颗粒时改变搅拌器设计，可满足颗粒尺寸和形状的要求。以上7个方面的问题都与叶 片的形式有关，通过透明试验釜的观察研究得到证实，叶片的片形是关键，国际上通称“叶片技术”， 我国对搅拌釜叶片技术的研究落后于发达国家，也是某些化学品品质落后于发达国家的原因之一，制 约了我国化学工业的发展。 2 关于强化釜壁传热 无论吸热反应和放热反应，都对反应器的传热速率有一定要求，一是化学反应条件，二是安全方面的 要求，三是节约能源的要求。有些反应过程要求反应器的总传热系数达到4170kJ／m2·h·℃ 以上， 而釜壁的厚度是制约 值提高的主要因素。同时釜壁厚度又是压力容器强度的重要因素，并且大多数 反应釜都属疲劳容器(间歇生产、交变压力)，使得传热的研究和设计复杂化，必须解决好传热( 值)、 强度(安全)、疲劳(设备寿命)三者之间的矛盾。传热要求壁薄，强度要求壁厚，疲劳还需补强。有些 特殊要求的反应釜，不允许在夹套传热的基础上再加上内盘管传热，只能靠釜壁传热，因此釜壁传热 技术的研究是反应釜的关键技术之这方面的技术与发达国家相比，仍然差距甚大，目前国内一般的夹 套传热技术 值都在2500kJ／m ·h·℃ 以下。 3 关于轴系及机械密封 这里只介绍一下动力下搅拌悬臂支撑轴系的开发，轴系的回转精度及动、静平衡直接影响所建立流动 场的效果，也影响机械密封的寿命及密封效果，因此对轴系上的所有回转体都得作动静平衡试验，并 达到设计要求。机械密封的摩擦面都是高精度超镜面的加工面，间隙要求在0．O02nun以内， 般都需
一
要液体介质进行润滑和冷却， 有毒介质一般不允许向外泄漏， 所以必须向密封处注入不污染物料的介质， 并建立一定压力的平衡，以维系釜内介质不向外泄漏。反之无毒但又不允许被污染的物料，可利用与 釜内相同的介质进行润滑和冷却，所建立的压力平衡以维系釜内介质微细的向外泄漏。机械密封一般
都采

用双端面平衡型机封，维系润滑和冷却的介质都在釜外通过一平衡罐进行平衡和循环，以减少机
封的温升。过去对有颗粒状固相的物质，在机封上面都增加了一级填料函密封，以防止固体物料进入机
封。但填料函的磨损往往也污染釜内的物料，我们研究了一种只对固体料起到密封作用，不承受釜内
压力的机械密封，釜内压力由下面的双端面机械密封去承担，这样就形成上下三级机械密封，从根本上
解决了釜内物料的污染问题，提高了产品的质量。 4 关于流动场与传热关系 釜壁的传热主要与夹套结构有关外，建立必要的流动场也是重要的因素，夹套里冷媒的流动状况，包 括物性、流速、流动方式都与传热有关，釜内物料沿釜壁流动的速度(即周向流)、流动的方式也与传 热有关。 如果是高放热的反应， 釜壁内外的流动场都应处于非常可靠的运动状态， 任何一方突然停止， 传热速率将急剧下降，釜内气相空间也急剧升温和升压，这是产生事故危险的诱因，因此如何保证釜 内搅拌器及轴系的正常运行，是反应釜设计及制造的重要课题。轴系在高热、高压、或交变压力的情 况下，因机封和轴承的选择设计不当、制造装配不够精确等原因，轴系无法适应热力和压力的变化， 突然造成抱轴(或死机)，而物料又正处于激烈的反应状态并停留在一个不运动的界面上，将有产生突 然事故的危险，这是工厂的实际生产中曾经出现过的问题。不过，夹套冷媒输送的可靠性容易保证。 5 反应釜安全装置的开发 反应釜的安全装置主要有安全阀、防爆片两种。物料容易产生爆炸的釜，基本上都使用防爆片。防爆 片的选用主要依据：爆破设计压力，额定泄放量(泄放能力)，以及设备内泄放气体的绝对温度。在爆 破片的结构形式方面，通常缺乏考虑爆破片承受交变压力所产生的疲劳应力，特别是对有特殊要求的交 变载荷， 比如釜的工作是从负压转变到正压， 再升压到工作压力， 而且工作压力还有一定程度的波动。 因疲劳的破坏降低了爆破片的设计泄放压力，产生非正常爆破，这是非常危险的，在生产使用中已遇 到了这个问题。我们研究的内容是分析交变载荷的种类以及各类的频率和幅度，得出影响疲劳的主要 压力波动因素，选择一种适合承载疲劳的爆破片型式，并作上万次交变载荷的试验，再考虑一些不可 预测的因素，得出了爆破片的安全使用寿命，以指导用户使用，大大延长了爆炸片的使用寿命。增加 了反应釜的安全性能，也降低了生产成本 7 体会 反应釜整体技术的研究是一个很大的课题，随着我国化学工业的发展，化工工艺对反

应釜将提出更多 更高的要求，不断提高课题的研究水平，是实现创新和规避风险的基础。
参考文献： 《化学反应器》化工工业出版社 杨雷库 主编 《化工设备与防腐蚀》第五卷第五期

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