反应设备的使用与维护

二、管式反应器
❖ 管式反应器主要用于气相、液相、气一液相 连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或 多根平行排列的管子组成，一般设有套管或 壳管式换热装置。
❖ 操作时，物料自一端连续加入，在管中连续 反应，从另一端连续流出，便达到了要求的 转化率。由于管式反应器能承受较高的压力， 故用于加压反应尤为合适，例如油脂或脂肪 酸加氢生产高碳醇、裂解反应用的管式炉便 是管式反应器。
❖因此反应器的工作过程就是以化学 动力学为基础的反应过程和以热量 传递、质量传递、动量传递为基本 内容的传递过程同时进行、相互作 用、相互影响的复杂过程。
❖ 用于完成化学反应的设备称为反应设备(也称 反应器)。
❖ 反应设备是炼油、化工生产装置中的关键性 设备。一般情况下，工业上的化学反应是不 可能全部完成的，也不可能只生成一种产物。 但是，人们总是希望尽可能抑制副反应发生， 努力提高目的产物的收率，充分有效地利用 原料，减轻分离设备的负荷，降低生产过程 的能量消耗。
二、反应设备的类型
❖ 在炼油、化工生产中，化学反应的种类很多， 操作条件差异很大，物料的聚集状态也各不 相同，使用反应器的种类也是多种多样。
❖ 1．根据物料的聚集状态分类 根据物料 的聚集状态可把反应器分为均相和非均相两 种。前者又可分为气相反应器和液相反应器， 反应物料均匀地混合或溶解成为单一的气相 或液相。非均相反应器又可分为气一液、气 一固、液一液、液一固以及气一液一固等五 种，化工生产中应用较多的是气一固和气一 液两种，如乙烯直接氧化制环氧乙烷采用气 一固相反应器，苯烃化制乙苯采用气一液相 反应器。
❖ 反应器按聚集状态分类，其实质是按宏 观动力学特征分类。同样聚集状态的反 应有着相同的动力学规律，如均相反应 的共同规律和特征是无相界面，反应速 度只与温度和浓度等有关，而非均相反 应的共同规律和特征是有相界面，反应 速度不仅与温度和浓度有关，而且还与 相界面大小和相间扩散速度有关。故以 聚集状态分类可以阐明各种相态反应过 程的动力学规律。
❖ 釜式反应器具有适用的温度和压力范围宽、 适应性强、操作弹性大、连续操作时温度浓 度容易控制、产品质量均一等特点。但用在 较高转化率工艺要求时，需要较大容积。通 常在操作条件比较缓和的情况下操作，如常 压、温度较低且低于物料沸点时，应用此类 反应器最为普遍。
❖ 釜式反应器的基本结 构见图5—1，主要包 括反应器壳体、搅拌 器、密封装置和换热 装置等。釜式反应器 壳体及搅拌器所用材 料一般为碳钢，根据 特殊需要，可在与反 应物料接触部分衬有 不锈钢、铅、橡胶、 玻璃钢或搪瓷，个别 情况也可衬贵重金属 (如银等)。根据反应 要求，壳体也可直接 用铜、不锈钢制造。
第五章
反应设备的使用与维护
第一节 反应设备的工作过程及类型
❖ 一、反应设备的工作过程及作用
❖ 炼油、化工生产过程中，在反应器中进行的不仅 仅是单纯的化学反应过程，同时还存在着流体流动、 物料传热、传质等物理传递过程。化学反应的机理、 步骤和速率是根据化学动力学的规律进行的。如对 于气一液反应，反应速度除与温度和浓度有关外， 还与相界面的大小和相间的扩散速度有关。对于气 一固催化反应，不论在什么条件下进行，气相组分 都必须先扩散到固体催化剂的表面上，再在催化剂 表面进行化学反应。由于化学反应时原料的种类很 多，反应过程也很复杂，对反应产物的要求也各不 相同，因而，反应器的结构类型多种多样，尺寸大 小不一，操作方式和操作条件也各不相同。如间歇 式操作的反应器，原料是一次性加入的；而连续式 操作的反应器，原料是连续加入的。不同结构型式 和尺寸的反应器及不同的操作条件和方式，必将影 响流体的流动状态和物料的传热、传质等传递过程。
❖ 2．搅拌器
❖ 搅拌器是釜式反应器的重要部件，其作用是 加强物料的均匀混合，强化釜内的传热和传 质过程。常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、 旋桨式、涡轮式和螺带式等，如图5—2所示。
❖桨式
弯叶开启涡轮
折叶开启涡轮
推进式
❖ 平直叶圆盘 框式 锚式 涡轮螺带式 螺杆式
❖ 以上几种搅拌器在炼油、化工和高聚物生产过程中 应用较广，此外还有螺带式、电磁式、超声波式等。 在工业上可根据物料的性质、要求的物料混合程度 以及考虑能耗等因素选择适宜的搅拌器。在一般情 况下，对低粘性均相液体混合，可选用任何形式的 搅拌器对非均相液体分散混合，选用旋桨式、涡 轮式搅拌器为好；在有固体悬浮物存在，固液密度 差较大时，选用涡轮式搅拌器，固液密度差较小时， 选用桨式搅拌器；对于物料粘稠性很大的液体混合， 可选用锚式搅拌器。对需要有更大搅拌强度或需使 被搅拌液体作上、下翻腾运动的情况，可根据需要 在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。
❖ 手孔或人孔是为了检查设备内部空间以及安装和拆卸 设备内部构件而设置的。手孔的直径一般为O．15～ 0．20 m，它的结构一般是在封头上接一短管，并盖 以盲板。当釜体直径较大时，可以根据需要开设人孔， 人孔的形状有圆形和椭圆形两种，圆形人孔公称直径 一般为400 mm，椭圆形人孔的最小直径为400 mm×300 mm。
❖ 管式反应器与釜式反应器相比在结构上差异 较大，主要有直管式、盘管式、多管式等。
❖ 单管(直管或盘管)式是最简单的一种反应器， 因其传热面积较小，一般仅适用于热效应较 小的反应过程。多管式反应器的传热面积较 大，可适用于热效应较大的均相反应过程。 多管式反应器的反应管内还可充填固体颗粒， 以提高流体湍动或促进非均一流体相的良好 接触，并可用来储存热量以更好地控制反应 器温度，亦可适用于气一固、液一固非均相 催化反应过程。
❖ 反应设备的类型很多，其构造和适用条件也 各不相同。一个反应过程在工业生产中究竟 采用哪种类型的反应器，并无严格的规定， 应以满足工艺要求为主，综合考虑各种因素， 以减少能量消耗、增加经济效益为原则而确 定。
第二节 反应器的结构及特点
❖ 一、釜式反应器
❖ 釜式反应器又称槽型反应器，它是各类反应 器中结构较为简单且应用较广的一种，主要 应用于液一液均相反应过程，在气一液、液 一液非均相反应过程中也有应用。在化上生 产中，既适用于间歇操作过程，又可单釜或 多釜串联用于连续操作过程，但在间歇生产 过程应用最多。
❖ 一个好的反应设备不仅能够满足这些要 求，而且操作控制方便、具有较大的生 产能力。反应设备内进行的过程不仅具 有化学反应的特征，而且具有传递过程 的特征。只有综合考虑化学反应动力学、 流体的流动、传热和传质等诸多因素， 才能做到反应设备的正确选型、合理设 计、有效使用和最佳控制。本章主 要．介绍反应设备的类型、结构、特点 及操作等内容。
三、鼓泡塔反应器
❖ 气体以鼓泡形式通过 液层进行化学反应的 塔式反应器，称为鼓 泡塔反应器。它广泛 用于气一液相反应过 程。
1分布格板；2一夹套；3一气体分布器；4一塔 体；
5一挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8一扩 大段
❖ 鼓泡塔反应器基本结 构是内盛液体的空心 圆筒，底部装有气体 分布器，壳外装有夹 套或其他型式换热器 或设有扩大段、液滴 捕集器等，如图5—5 所示。
2．根据反应器结构型式分类
❖ 根据反应器结构型式的特征，可以分为釜式、 管式、塔式、固定床和流化床反应器等。
❖ 釜式、管式反应器大多用于均相反应过程， 塔式、固定床和流化床反应器大多用于非均 相反应过程。
❖ 反应器按结构型式分类，其实质是按传递过 程的特性分类。同类结构的反应器内，物料 往往具有相同的流动、混合、传热和传质等 特性，可以用同类传递过程的统一规律加以 描述。
4．根据温度条件和传热方式分类
❖ 根据温度条件反应器可分为等温和非等温两 种，根据传热方式又可分为绝热式、外热式 和自热式。由于化学反应对温度变化有相当 大的敏感性，所以传热方式和温度控制是反 应器设计和操作中的重要问题。
❖ 对于等温反应器，只需要考虑浓度变化的影 响。但在工业生产中维持等温条件是相当困 难的，因此只适用于热效应不大，或能及时 输入或输出热量能够保证等温条件的反应过 程，其他过程一般采用非等温式反应器，非 等温式反应器因换热方式不同也有不同的型 式。
❖ 反应器的主要作用是提供反应场所，并 维持一定的反应条件，使化学反应过程 按预定的方向进行，得到合格的反应产 物。
❖ 一个设计合理、性能良好的反应器，应 能满足如下几方面的要求。
❖ (1)满足化学动力学和传递过程的要求， 做到反应速度快、选择性好、转化率高、 目的产品多、副产物少。
❖ (2)能及时有效地输入或输出热量，维 持系统的热量平衡，使反应过程在适宜 的温度下进行。
❖ 此种反应器具有容积小、比表面大、返混少、 反应混合物连续性变化、易于控制等优点； 但若反应速度较慢时，则有所需管子长、压 降较大等不足。随着化工生产越来越趋于大 型化、连续化、自动化，连续操作的管式反 应器在生产中使用越来越多，某些传统上一 直使用间歇搅拌釜的高分子聚合反应，目前 也开始改用连续操作的管式反应器。
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❖ 半间歇操作是指一些物料分批加入、而另一 些物料连续加入的生产过程，或者是一批加 入物料用蒸馏的方法连续移走部分产品的生 产过程。半间歇操作也是一个不稳定过程。
❖ 连续操作是连续加入反应物和取出产物，反 应器内温度和浓度均不随时间变化而变化， 是一个稳定过程。连续操作设备利用率高， 产品质量稳定，易于自动控制，适用丁大规 模生产。炼油、化工生产中大多数采用连续 操作。
❖ 各种换热装置的选择主要决定传热表面是否 易被污染而需要清洗、所需传热面积的大小、 传热介质的泄漏可能造成的后果以及传热介 质的温度和压力等因素。一般在需要较大传 热面积时常采用蛇管或列管式换热装置；反 应在沸腾下进行时，采用釜外回流冷凝器取 走热量；在需要传热面积不大、传热介质压 力又较低的情况下，常采用简单的夹套式换 热器。
❖ 3．密封装置 静止的搅拌釜封头和转动的 搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置，以防止釜 内物料泄漏。
❖ 轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。 其结构与离心泵的密封结构类似。填料箱密 封结构简单，填料装卸方便，但使用寿命较 短，难免微量泄漏；机械密封结构较复杂， 但密封效果较好。