化工反应设备

  • 采用不同载热体和载热体循环方式的列管 式固定床反应器如图10一5所示。 • 图10一5(a)为沸腾式，其特点是整个反应器 内载热体温度基本恒定。例如乙炔与氯化 氢合成氯乙烯，采用沸腾水为载热体，反 应热使沸腾水部分汽化，分离出蒸汽后， 冷凝液补加部分软水循环使用。

  • 图10一5(b)为内部循环式，例如生产丙烯腈 和苯酐的反应器，以熔盐为载热体，用旋 桨式搅拌器强制熔盐循环，并使熔盐吸收 的热量传递给水冷换热构件，设备结构比 较复杂。

  固定床板反应器是指流体通过静止不动的 固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。 以气- 固反应的固定床反应器最常见。

  细小的固体颗粒具有像流体一样自由流动 的性质，此种现象称为固体的流态化。 把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂 颗粒合在一起，成为流化床反应器。流化床反 应器多用于气- 固反应过程。

  图10—5C为外部循 环式，例如乙烯氧 化制环氧乙烷，以 导生液为载热体， 用泵进行外部强制 循环。

  • 2．自身换热式 • 在反应器内，以原料气为换热介质，通过 管壁与反应物料换热，以维持反应温度的 反应器称之为自身换热式。一般都用于热 效应不太大的高压反应。既能做到热量自 给，又不需另设高压换热设备。 • 大多数都用在合成氨和甲醇的生产。

  • 流化床反应器一般不适用如下情况： • ①要求高转化率的反应； • ②要求催化剂层有温度分布的反应。

  • 气液的搅动比简单鼓泡塔激烈得多，因此，它能 处理不均一的液体。有时把气升管壁做成夹套式； 内通热载体，使气升管兼有换热的作用。

  搅拌罐—由罐体和传热装置组成。作 用是提供反应空间和反应条件。 搅拌装置—由搅拌器、搅拌轴、传动 装置组成。传动装置又由电动机、减速器、 联轴器及机座等组成。 密封装置—防止罐内介质泄漏或外界 空气进入罐内。

  • 特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相 际接触面大、传质和传热效率高，适用于缓慢 反应和大量放热情况）； • 结构相对比较简单，操作稳定，费用低。 缺点：气相压降较大。

  • 结构见图10一1(a) • 鼓泡塔为内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分 布器，气体通过分布器上小孔鼓泡进入，液体可 以间歇或连续加入反应器，连续加入的液体可以 和气体并流或逆流（并流较为常见）。 • 气体在鼓泡塔中为分散相，液体为连续相。 • 为了更好的提高气体分散程度，减少液体纵向循环，可 以在反应器中安臵水平多孔隔板。吸收和反应进 行时，往往有热效应。

  • 除了考虑遵循化学反应动力学外，还必须 考虑流体动力学、传热和传质以及这些宏 观动力学因素对反应的影响。 • 只有考虑反应器内流动、混合、传热、 传质和反应诸因素，才能做到反应器的正 确选型、合理设计、有效放大和最佳控制 等。

  按结构型式分类，可分为釜式反应器、管式反应器、 塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。

  • 具有搅拌器的槽式反应器在槽下部装有搅拌器，主 要作用是用于分散气体，并使液体达到充分混合。 • 槽式反应器搅拌器型式很多，常用的有平桨、涡轮 桨。其中尤以圆盘涡轮桨为最好。 • 进气的方式能是单管，放臵在涡轮桨圆盘下方的 中心处，并接近桨翼。 • 由于圆盘的存在，气体不致短路而一定要通过桨翼被 桨翼所击碎。 • 气量较大时，可采用环形多孔管分布器，环的直径 不大于桨翼直径的80%，反应器气泡喷出后就能被 转动桨翼刮碎并卷到翼片后面的涡流中而被粉碎， 同时被沿着半径方向迅速甩出，碰壁后又折向搅拌 器上下两处循环旋转。

  • 当热效应较小或设备尺寸不大时，采用设备外壳夹 套即可满足传热要求； • 在大型鼓泡塔中，进行强放热反应时，除利用外壳 夹套换热外，还需要在反应器内加设蛇管，或采用 器外换热器，使反应液体在反应器和外部换热器间 循环，有时也可通过反应液体蒸发带走热量，简 单鼓泡塔中气体空塔速度不超过10cm／s。

  • 3.2.1典型汽油加氢反应器的情况介绍 • 3.2.1.1反应器类型 • 常用的反应设备主要有固定床反应器、流化床反 应器和搅拌反应器，典型汽油加氢反应器均为固 定床反应器，主要类型特征见表3-9。固定床反应 器多用于大规模气相反应，参加反应的气体通过 静止的催化剂进行反应。反应流体的组成沿流动 方向而变化，在与流动垂直的方向上组成也可能 由于温度梯度而变化。

  • 流化床反应器比较适用于下述过程： • ①热效应很大的放热或吸收过程； • ②要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度 的反应； • ③催化剂寿命比较短，操作较短时间就要换掉 (或活化)的反应； • ④有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高 浓度下操作的氧化反应，能大大的提升生产能力，减 少分离和精制的负担。

  • 绝热式反应器结构相对比较简单、造价便宜、反应 器内体积得到充分利用。 • 但只适用于反应热效应较小、反应温度允 许波动范围较宽、单程转化率较低的场合。 • 如乙苯脱氢制苯乙烯、乙烯水合制乙醇， 工业上采用单段绝热式反应器。

  • 多段绝热式－－在段间进行反应物料的换热，根 据换热要求，可以在反应器外另设换热器，也可 以在反应器段间设臵换热构件，在段间用喷水或 补充原料气等的直接换热方法，此称之为冷激式。 • 多段绝热各种换热方式的反应器示意图见图10— 4。 • 在基本有机化工中，如环己醇脱氢制环己酮，换 热要求不高，故采用段间设换热构件的多段绝热 式反应器。一氧化碳和氢合成甲醇采用多段绝热 式反应器时，在段间通原料气进行急冷。

  • 二、换热式 • 当反应热效应较大时，为维持适宜的温度条件， 必须利用换热介质来移走或供给热量。按换热介 质的不同，又可分为对外换热式和自身换热式。 • 1．对外换热式 • 以各种载热体为换热介质，称为对外换热式。基 本有机化工中应用最多的是换热条件较好的列管 式反应器。其结构类似管壳式热交换器。通常在 管内充填催化剂，反应气体自上而下通过催化剂 床层进行反应。管间通载热体，管径一般为 20~50mm。列管管径的选择与反应热效应有关。 热效应愈大，为使径向温度比较均匀，就应采用 较小的管径。根据生产规模，列管数可从数百根 到数千根。

  • 气液混合物在离桨翼不远处含气量最高， 传质速率也最快，反应器内的传质主要靠 这局部区域。当液层高度与槽直径之比大 于1.2以上时，反应器通常要两层或多层 桨翼，有时桨翼间还要安臵多孔挡板。 • 气体在搅拌槽中的通过能力受液泛限制， 超过液泛的气体不能在液体中分散，它们 只能沿槽壁纵向上升。液体流量由化学反 应时间决定，搅拌槽中的气泡由于浮力关 系，其运动和液体并不完全相同。

  • 流化床的下部为浓相段，化学反应主要在 此段进行。在浓相段中装有冷却水管和导 向挡板。冷却水管是为了控制反应温度， 回收反应热。导向挡板是为了改善气固接 触条件。 • 上部为稀相段。在稀相段也装有冷却水管， 目的是将反应温度降至规定的温度以下， 以便中止反应。稀相段之上为扩大段。扩 大段内装有内旋风分离器，以分离并回收 被反应气夹带的催化剂细粒。

  • 固定床反应器发展了径向反应器。工业上 甲苯歧化制苯和二甲苯就采用径向反应器。 径向反应器中的流体流动如图10一6所示。

  • 径向反应器气体流通路径短、压降小、可 使用小颗粒催化剂等优于传统固定床反应 器的技术特征，在苯乙烯、催化重整、芳 烃异构和歧化等领域上被大范围的应用，但技 术十分复杂。

  • 为使气体在各管内分布均匀，以达到反应所需停 留时间和温度条件，催化剂的填充十分重要。必 须做到填充均匀，各管阻力力求相等。为减少 流动压降，催化剂粒径不宜过小，一般在2~6mm 左右。载热体能够准确的通过反应温度范围做出合理的选择。 • 常用的有：冷却水、加压水(373~573K)、导生液 (联苯和二苯醚混合物473~623K)、熔盐(如硝酸钠、 硝酸钾和亚硝酸钠混合物，573~773K)、烟道气 (873～973K)等。 • 载热体温度与反应温度之差不宜太大，防止造成 靠近管壁的催化剂过冷或过热，过冷时，催化剂 不能充分的发挥作用；过热时，可能使催化剂失活。 载热体必须循环，以增强传热效果。

  ◆ 反应设备 在化工生产的全部过程中，为化学反应提供反应空间 和反应条件的装置. ◆ 反应设备的应用 * 通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料 混合均匀； * 强化传热效果和相间传质； * 使气体在液相中作均匀分散； * 使固体颗粒在液相中均匀悬浮； * 使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化。

  • 反应物料呈气态，通过由静止的催化剂颗 粒构成的床层进行反应的装臵，称为气固 相固定床催化反应器，简称固定床反应器。

  • 固定床反应器的结构型式，主要是为了适 应不同的传热要求和传热方式，可分为绝 热式和换热式。

  • 一、绝热式 • 绝热式又可分为单段绝热式和多段绝热 式。 • 单段绝热式反应器一般为一高径比不大的 圆筒体，内部无换热构件，只在圆筒体下 部装有栅板等构件，其上面均匀堆臵催化 剂。 • 反应气体预热到适当温度，从圆筒体上部 通入，经过气体预分布装臵，均匀通过床 层进行反应，反应后气体经下部引出，如 图10—3所示。

  管式反应器大多数都用在气相、液相、气—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。

  鼓泡塔反应器结构示意图 1—分布格板；2—夹套；3—气体分布器；4—塔体；5—挡板； 6—塔外换热器；7—液体捕集器；8—扩大段

  • 液泛 • 在逆流接触的气-液反应器或传质分离 设备中，气体从下往上流动。当气体的流 速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能 向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出， 称为液泛。 • 产生液泛时的气体速度或连续相速度 称为液泛速度；这种操作状态称为液泛点。 在设计设备时，必须使设备的操作不致发 生液泛。

  • 气速太高，反应液中气量增加，使反应器处理的液 体量减少，并可能会导致液面及压力脉动，严重时导 致设备振动。

  • 简单鼓泡塔结构相对比较简单、运行可靠，易于实 现大型化，适宜于加压操作。 • 但在简单鼓泡塔内不能处理密度不均一的 液体，例如悬浊液等。

  • 其结构见图10—1(b) • 在塔内装有一根或几根气升管，气体由下部气体 分布器通入气升管。 • 气升管中气液混合物密度比环形空间中液体密度 小得多，引起液体在环形空间和气升管内作循环 流所以称为气升式鼓泡反应器。 • 气体在气升管内最大速度为2m／s，换算至整个 塔截面空塔气速其值小于1m／s。液体循环速度 可达1～2m／s。

  • 不同的反应过程采用的流化床反应器，结 构各有差异。 • 我们以丙烯氨氧化流化床反应器为示例。 原料混合气以一定速度通过底部气流分布 板而急剧上升时，将反应器床层上堆积的 固体催化剂细粒强烈搅动，上下浮沉，看 起来非常像沸腾的液体，故称之为沸腾床， 如图10—7所示。

  化学反应通常要求适宜的反应条件： 例如：温度、压力、反应物组成等 特别是温度条件较为重要 温度过低，反应速度慢； 温度过高会使反应失去控制，使副反应增多， 收率下降。 • 但要维持最适宜的温度条件并不是一件容易的 事，因为化学反应一般均伴随有热效应，必须 采取比较有效的换热措施，及时移出或加入热量， 才能维持既定的温度水平。 • 因此，反应器内的过程不仅仅具备化学反应的特 征，而且具有传递过程的特征。 • • • • •