反应设备的使用与维护

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。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。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。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。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。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。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。(3)有足够的机械强度和抗腐蚀能力，满足反应过程对压力的要求，保证设备经久耐用，生产安全可靠.(4)制造容易，安装、检修方便，操作调节灵活，生产周期长。3．根据操作方法分类操作方法分为间歇式(或称为分批式)、半间歇式(或称为半连续式)和连续式三种。间歇式操作是一次加入反应物料，在一定的反应条件下，经过一定的反应时间，当达到所要求的转化率时，取出全部产物的生产过程。其特点是在反应过程中，反应物和产物浓度均随时间变化，是不稳定过程。由于存在着加料、出料和清洗等非生产时间，因而设备利用率不高，劳动强度大，只适用于小批量、多品种生产，在染料及制药工业中广泛采用这种操作。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。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。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。1一电动机；2一变速器；3一密封装置；4～加料管口；5一壳体；6一夹套；7搅拌器；8一出料管口1．壳体:釜式反应器壳体部分的结构包括筒体、底、盖(也称封头)、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。釜式反应器的筒体为圆筒形。底、盖常用的形状有平面、碟形、椭圆形和球形封头，釜底也有锥形的。平面封头结构简单，容易制造，一般在釜体直径小、常压或压力不大条件下操作时采用；碟形和椭圆形封头应用较多；球形封头多用于高压反应器；当反应后的物料需用分层法使其分离时可用锥形底。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．15～0．20m，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400mm，椭圆形人孔的最小直径为400mm×300mm。釜式反应器的视镜主要是为了观察设备内部的物料反应情况，有比较宽阔的视察范围为其结构确定原则。工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置。进料管或加料管应做成不使料液的液沫溅到釜壁上的形状，以避免由于料液沿反应釜内壁向下流动而引起釜壁局部腐蚀。釜式反应器的所有人孔、手孔、视镜和工艺接管口，除出料管口外，一般都开在项盖上。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。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。4．换热装置换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热，如图5—3所示。(P112)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。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。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。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。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。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。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反应气体通过分布器上的小孑L鼓泡而入，液体间歇或连续加入，连续加入的液体可以和气体并流或逆流，·般采用并流形式较多。气体在塔内为分散相，液体为连续相，液体返混程度较大。为了提高气体分散程度和减少液体轴向循环，可以在塔内安置水平多孔隔板。当吸收或反应过程热效应不大时，可采用夹套换热装置，热效应较大时，可在塔内增设换热蛇管或采用塔外换热装置。也可以利用反