4精细化工过程与设备 第四章 塔式反应器

精细化工过程与设备授课教师张大德代第四章塔式反应器§4.1概述塔式反应器基本类型塔设备除了广泛应用于精馏、吸收、解吸和萃取等方面外，它也可以作为反应器应用于气液相反应，例如，加氢、磺化、卤化、氧化等化学反应过程。常见的塔式反应器按气液相接触形态可分为：气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器和板式反应器；液体以液滴状分散在气相中的喷淋塔反应器；液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器。§4.1概述几种主要塔式反应器结构示意图如图4.1所示：（a）填料塔反应器(b)板式塔反应器(c)喷淋塔反应器(d)鼓泡塔反应器图4.1几种主要塔式反应器的结构示意图§4.1概述二，塔式反应器的特点1，填料塔填料塔反应器主要用于气液相反应，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少，适用于快速和瞬间反应过程，能获得较大的液相转化率。例如，水吸收NO2生成硝酸、水吸收HCI生成盐酸、吸收SO3生成硫酸等。填料塔反应器具有结构简单、压降小、能适应各种腐蚀介质和不易造成溶液气泡的优点。特别是在常压和低压下，当压降成为主要矛盾和反应溶剂易与起泡时采用填料塔反应器是合适的。缺点是：其一，液体在填料床层停留时间短，不能满足慢反应的要求，同时存在壁流和液体分布不均等问题；其二，它较难从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须增加液体喷淋量带出热量。填料塔中使用填料，对填料要求是：比表面大、空隙率高、耐腐蚀性强、强度和润湿性能优良。常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍等，材质有陶瓷、不锈钢、石墨和塑料。§4.1概述2，板式塔其液体是连续相而气体是分散相，借助于气体通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速和中速反应过程，具有逐板操作的特点。由于采用多板，可将轴向返混降到最低，并可采用最小的液体流速进行操作，从而获得极高的液相转化率。气液剧烈接触，气液相界面传质和传热系数大，是强化传质过程的塔型。因此适用于传质过程控制的化学反应过程。板间可设置传热构件，以移出和移入热量。缺点是：反应器结构复杂，气相流动压降大，且塔板需要用耐腐蚀材料制作。因此，板式塔大多用于加压操作过程。3，喷雾塔喷雾塔结构较为简单，液体以细小液滴的方式分散于气体之中，气体为连续相，液体为分散相，具有相接触面积大和气相压降小等优点。是气膜控制的反应系统，适于瞬间、界面和快速反应过程。也适用于生成固体产物的体系。但储液量低，液相传质系数小，且雾滴在气流中浮动和有气流沟流存在，气液二相返混严重。§4.1概述4，鼓泡塔鼓泡塔反应器适用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如：各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应。在实际使用中它具有以下优点：（1）气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反应层，保证了气液充分混合，反应良好。（2）反应器结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。（3）反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率高。适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。（4）在塔的内外都可以安装换热装置。（5）和填料塔比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。鼓泡塔也有一些难以克服的缺点：（1）为了保证气体沿截面均匀分布，鼓泡塔的直径不宜过大，一般在2-3米以内。（2）鼓泡塔内液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下，可认为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率。（3）鼓泡塔反应器在鼓泡时所耗压降较大。§4.1概述四，塔式反应器选型塔式反应器选型时一般应考虑以下因素：(一)、具备较高的生产能力反应器形式应适合反应系统特性的要求，使之达到较高的宏观反应速率。在一般情况下，当气液相反应过程的目的是用于生产化工产品时，应考虑选用填料塔；如果反应速率极快可以选用填料塔和喷淋塔；如果反应速率极快，同时热效应又很大，可以考虑选用膜式塔；如果反应速率为快速或中速时，宜选用板式塔；对于要求在反应器内能处理大量液体而不要求较大相界面积的动力学控制过程，宜选用鼓泡塔。(二)、有利于反应选择性的提高反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如平行反应中副反应较主反应为慢，则可采用持液量较少的设备，以抑制液相主体进行缓慢的副反应；如副反应为连串反应，则应采用液相返混较少的设备（如填料塔）进行反应，或采用半间歇（液体间歇加入和取出）反应器。§4.1概述(三)、有利于降低能量消耗反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。若反应在高于室温下进行，则应考虑反应热量的回收。如反应在加压条件下进行，则应考虑压力能量的综合利用。除此之外，为了造成气、液两相分散接触，需要消耗一定的动力。(四)、有利于反应温度的控制气液相反应绝大部分是放热的，因而如何移热，防止温度过高是经常碰到的实际问题。当反应热效应很大而又需要综合利用时，降膜塔反应器是比较合适的。除此之外，板式塔和鼓泡塔反应器可借助于安置冷却盘管来移热。但在填料塔中，移热比较困难，通常只能提高液体喷淋量，以液体显热的形式移除。(五)、能在较少液体流率下操作为了得到较高的液相转化率，液体流率一般较低，此时可选用鼓泡塔和板式塔反应器，但不宜选用填料塔、降膜塔反应器。例如，当喷淋密度低于3m³/(m²•h)时，填料就不会全部润湿，降膜塔反应器也有类似情况。§4.1概述尽管在每一种塔式反应器都不可能同时满足上述五个要求，但可根据反应本身的特点及生产要求选用不同的反应器。鼓泡塔反应器和填料塔反应器均适用于气液相反应，鼓泡塔反应器在操作时液相是连续相，气相是分散相；而填料塔反应器在正常操作时气相是连续相，液相是分散相。正因为如此，它们的特点具有互补性。和其它塔式反应器相比，这两种反应器具有结构简单、操作简便等优点，因而在气液相塔式反应器中应用最广。§4.2填料塔一，填料塔反应器的结构填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构比较简单，如图4.3所示。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上，在填料的上方安装填料压板，以限制填料随上升气流的运动。（一）塔体塔体是塔设备的主要部件，大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体，顶盖以椭圆形封头为多。但随着装置大型化，不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。塔体除满足工艺条件对它提出的强度和刚度要求外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所带来的影响，以及吊装、运输、检验、开停工等情况。塔体的材质常采用的有：非金属材料（如高分子材料、陶瓷等），碳钢（复层、衬里），不锈耐酸钢等。图4.3填料塔结构§4.2填料塔图4.3填料塔结构1-塔体；2-液体分布器；3-填料压紧装置；4-填料层；5-液体收集与再分配装置；6-支撑栅板填料塔结构如右图所示，它由塔体、液体分布器、填料压紧装置、填料层、液体收集与再分配装置和支撑栅板组成。§4.2填料塔（二）塔体支座塔设备常采用裙式支座（见图4.4），它应当具有足够的强度和刚度，来承受塔体操作重量、风力等引起的载荷。图4.4裙式支座1-裙座圈；2-支撑板；3-角牵板；4-压板；5-人孔；6-有保温时排气管；7-无保温时排气管；8-排液孔§4.2填料塔（三）人孔人孔是安装和检修人员进出塔器的唯一通道。人孔的设置应便于人员进入任一层塔板。对直径大于Φ800mm的填料塔，人孔可设在每段填料层的上、下方，同时兼作填料装卸孔用。设在框架内或室内的塔，人孔的位置可按具体情况考虑。人孔在设置时，一般在气液进出口等需要经常维修和清理的部位要设置人孔，另外在塔顶和塔釜，也各设置一个人孔。塔径小于Φ800mm时，在塔顶设置法兰（塔径小于Φ450mm的塔，采用分段法兰连接），不在塔体上开设人孔。在设置操作平台的地方，人孔中心高度一般比操作平台高0.7-1m，最大不宜超过1.2m，最小为600mm，人孔开在立面时，在塔釜内部应设置手柄（但人孔和底封头切线之间距离小于1米或手柄有碍内件时，可不设置）。装有填料的塔，应设填料挡板，借以保护人孔，并能在不卸出填料的情况下更换人孔垫片。§4.2填料塔（四）手孔手孔是指手和手提灯能伸入的设备孔口，用于不便进入或不必进入设备即能清理、检查或修理的场合。手孔又常用作小直径填料塔装卸填料之用，在每段填料层的上下方各设置一个手孔，卸填料的手孔有时附带挡板，以免反应生成物积聚在手孔内。（五）塔内件填料塔的内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置和液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。（1）除沫器当空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下，设置除沫装置，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。常用的除沫装置有折板除沫器（见图4.5）丝网除沫器（见图4.6）以及旋流板除沫器。此外还有链条型除沫器、多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器等。在分离要求不严格的场合，还将干填料层作除沫器用。§4.2填料塔常用的折板除沫器是角钢除沫器，它的压力降一般为50-100Pa。增加折流的次数，能提高其对气液的分离效率。这种除沫器结构比较简单，但耗用金属多，造价高，在大塔尤为明显，因而逐渐为丝网除沫器所取代。图4.5折板除沫器§4.2填料塔丝网除沫器具有比表面大、重量轻、孔隙率大及使用方便等优点，尤其是它具有除沫效率高、压降小的特点，从而成为一种广泛使用的除沫装置。小型除沫器的丝网厚度根据工艺条件决定，一般为50-150mm，丝网应铺平，相邻每层丝网之间的波纹方向应相错一个角度，上面用支撑板加以固定，丝网支撑栅板的自由截面积应大于90%，安装时栅板应保持水平。图4.6丝网除沫器§4.2填料塔-几种常见填料（2）填料填料的种类很多，如图4.7所示。(a)拉西环（b）鲍尔环(c)阶梯环（d）弧鞍(e)矩鞍(f)金属环矩鞍(g)多面球形(h)TRI球形(i)共轭环(j)海尔环(k)纳特环§4.2填料塔-几种常见填料(l)木格栅填料(m)格里奇格栅填料(n)金属丝网波纹填料(o)金属板波纹填料(p)脉冲填料图4.7几种常见填料§4.2填料塔填料的作用是为气、液两相提供充分的接触面，并为提高其湍动程度(主要是气相)创造条件，以利于传质(包括传热)。它们应能使气、液接触面大、传质系数高，同时通量大而阻力小，所以要求填料层空隙率高、比表面积大、表面湿润性能好，并在结构上还要有利于两相密切接触，促进湍流。制造材料又要对所处理的物料有耐腐蚀性，并具有一定的机械强度，使填料层底部不致因受压而碎裂、变形。常用的塔填料可分为两大类：散装填料与规整填料。（3）填料支撑装置填料支撑装置的作用是支撑塔内填料层，对其要求是：第一，应具有足够的强度和刚度，能支撑填料的重量、填料层的持液量及操作中的附加压力等；第二，应具有大于填料层孔隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；第三，结构合理，有利于气液二相的均匀分布，阻力小，便于拆装。§4.2填料塔常用的填料支撑装置有栅板型、孔管型和驼峰型。如图4.8所示。选择哪种支撑装置，主要根据塔径、使用的填料种类和型号、塔体及填料的材质、气液流速而定。(a)栅板型(b)孔管型(c)驼峰型图4.8填料支撑装置§4.2填料塔-填料压紧装置（4）填料压紧装置为保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床，从而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，在填料填装后于其上方安装填料压紧装置。这样，可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。图4.9列出了几种常用的填料压紧装置，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重力将填料压紧，它适用于陶瓷、石墨制的散装填料，因其易碎，当填料层发生破碎时，填料层孔隙率下降，此时填料压板可随填料层一起下落，仍能紧紧压住填料而不会引起填料松动。床层限制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料。因金属及塑料填料不易破碎，且有弹性，在填装正确时不会使填料下沉。床层限制板要固定在塔壁上，为不影