第五章_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第二节反应器的结构及特点第三节反应设备的使用及维护第一节反应设备的工作过程及类型定义：用于完成化学反应的设备称为反应设备（也称反应器）。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。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。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。二、反应设备的类型分类型式反应器类别1反应器类别2应用1、根据物料的聚焦状态分类（其实质按宏观动力学特征分类）均相反应器气相反应器液相反应器非均相反应器气-液反应器苯烃化制乙苯气-固反应器乙烯直接氧化制环氧乙烷液-液反应器液-固反应器气-液-固反应器2、根据反应器结构型式分类（其实质是按传递过程的特性分类）釜式反应器均相反应过程管式反应器均相反应过程塔式反应器非均相反应过程固定床反应器非均相反应过程流化床反应器非均相反应过程3、根据操作方法分类间歇式反应器半间歇式反应器连续式反应器4、根据温度条件分类等温反应器适用于热效应不大，或能及时输入或输入热量能够保证等温条件的反应过程。非等温反应器5、根据传热方式分类绝热式反应器外热式反应器自热式反应器第二节反应器的结构及特点一、釜式反应器（槽式反应器）优点：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。缺点：用在较高转化率工艺要求时，需要较大容积。适用范围：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。基本结构：壳体搅拌器密封装置换热装置1、壳体结构包括：筒体、底、盖（封头）、人孔或手孔、视镜及各种工艺接管口等。①筒体为圆筒形。②底、盖常用的形状有平面、碟形、椭圆形和球形封头。③手孔或人孔是为了检查设备内部空间以及安装拆卸设备内部构件而设置的。④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。⑤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。2、搅拌器搅拌器是釜式反应器最重要部件，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。常用搅拌器有桨式、框式、锚式、旋桨式、涡轮式和螺带式等。桨式、框式和锚式搅拌器均属于低速搅拌器，具有结构简单、制造方便的特点。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桨式搅拌器由钢条制成，一端为平轭形，是搅拌器中结构最简单的一种。因桨叶水平装设，故可造成水平液流，一般仅适用于不需要剧烈混合的过程。框式搅拌器在水平桨之外增设垂直桨叶，形成一个框，可较好地搅拌液体。锚式搅拌器由铸铁制成，形状如锚，转动时几乎触及釜体的内壁，可及时刮除壁面沉积物，有利于传热。此种搅拌器适用于粘稠物料的搅拌。旋桨式搅拌器用2～3片推进式桨叶装于转轴上而成。具有结构简单、制造方便、可在较小的功率下得到高速旋转的优点，但搅拌较高粘度液体时，搅拌效率不高。涡轮搅拌器由一个或数个装置在直轴上的涡轮所构成。最适用于大的连续搅拌操作，除稠厚的浆糊物料外，几乎可应用于任何情况。缺点是生产成本较高。3、密封装置静止的搅拌釜封头和转运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。填料密封的结构大体上如图所示，它是由衬套、填料箱体、填料环、压盖、压紧螺栓等组成。机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的转轴密封，被广泛地应用于各个技术领域。与填料密封相比，机械密封的泄漏率大约为填料密封的百分之一。机械密封在运转时，除了装在轴上的浮动环由于磨损需作轴向移动补偿外，安装在浮动环上的辅助密封则随浮动环沿轴表面作微小的轴向移动，故轴或轴套被磨损是微不足道的。因而可免去轴或轴套的维修。由于机械密封有很多优点，因此，在搅拌设备上已被大量采用。双端面机械密封的具体结构机械密封的原理是：当轴旋转时，设置在垂直于转轴的两个密封面（其中一个安装在轴上随轴转动，另一个安装在静止的机壳上），通过弹簧力的作用，始终使它们保持接触，并作相对运动，使泄漏不致发生。机械密封常因轴的尺寸和使用压力增加而使结构趋于复杂。在机械密封中，由于运转时密封环须作相对运动，因而产生磨损和热，为了使密封得到润滑和冷却必须使冷却润滑液在密封腔中不断循环。4、换热装置换热装置是用来加热和冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。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。二、管式反应器管式反应器主要用于气相、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。优点：容积小、比表面大、返混少、反应混合物连续性变化、易于控制；缺点：反应速度较慢时，则所需管子长，压降较大。单管式反应器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大的均相反应过程。多管式反应器的反应管内还可填固体颗粒，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的温度。适用于气-固、液-固非均相催化反应过程。单管式反应器三、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-液相反应过程。鼓泡塔反应器的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。水平多孔隔板：提高气体分散程度和减少液体轴向循环。夹套换热装置：当吸收或反应过程热效应不大时，可采用此装置。换热蛇管或塔外换热装置：当反应热效应较大时可采用此装置。优点：结构简单、运行可靠、易于实现大型化、适宜于加压操作、在采取防腐措施（如衬橡胶、瓷砖、搪瓷等）后可以处理腐蚀性介质。缺点：在简单鼓泡塔内不能处理密度不均一的液体。填料鼓泡塔：为增加气、液相接触面积和减少返混，在塔内的液体层中放置填料。该塔与一般的填料塔不同，其填料是浸没在液体中，填料间的空隙全是鼓泡液体。该塔中液体在反应器中的平均停留时间很短，因此虽有利于传质过程，但传质效率较低，故不如中间设有隔板的多段鼓泡塔效果好。四、固定床反应器凡是流体通过不动的固体形成的床层而进行化学反应的设备都称为固定床反应器。该反应器尤其适用于气-固相催化反应过程。优点：①化学反应速度较快，为完成同样生产任务所需要的催化剂用量和反应器体积较小。②有利于提高化学反应的较化率和选择性。③固定床内的催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。④适宜在高温高压条件下操作。缺点：①固定床会传热性较差，温度控制较困难。②固定床反应器不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，影响正常操作。随着化工生产的发展，已出现多种型式的固定床反应器，以适应不同的传热要求和传热方式，主要分为绝热式和换热式两大类。（一）绝热式固定床反应器1、单段绝热式反应器一般为一高径比不大的圆筒体，除在圆筒体下部装有栅板外，内部无其他构件，栅板上部均匀堆置催化剂。反应气体经预热到适当温度后，从圆筒体上部通入，经过气体预分布装置，均匀通过催化剂层进行反应，反应后的气体由下部引出。优点：结构简单，造价低，反应器体积利用率较高；缺点：整个反应过程没有换热或仅仅依靠床壁散热，当反应热效应较大，而反应速度较慢时，则不能仅设置一层催化剂，因此仅适用于反应热效应较小、反应温度允许波动范围较宽、单程转化率较低的反应过程；2、多段绝热式反应器多段绝热式反应器又分为中间换热式和冷激式。中间换热式是在段间装有换热器，其作用是上一段的反应气冷却，换热设备可放在反应器外，也可放在反应器内。冷激式是用冷激气直接与反应器内的气体混合，以降低反应温度。根据冷激气体的不同，又可分为原料气冷激式反应器和非原料气冷激式反应器。（二）换热式固定床反应器当反应热效应较大时，为了维护适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。按换热介质不同，可分为对外换热式反应器和自身换热式反应器。1、对外换热式反应器以各种热载体为换热介质的换热式反应器称为对外换热式（或外换热式）反应器。在化工生产中应用最多的是换热较好的列管式固定床反应器。通常在管内充填催化剂，管间通热载体，气体原料自上而下通过催化剂床去进行反应，而反应热由床层通过管壁与管外的热载体进行热交换。这种反应器既适用于放热反应，也适用于吸热反应。特点：换热效果较好，催化剂层的温度较易控制，特别适用于以中间产物为目的的强放热复杂反应过程。又因反应器内物料流动近似于理想平推流，有可能将副反应限制在较低程度。但这种反应器的结构比较复杂，而且不宜在高压条件下操作。2、自身换热式反应器在反应器内，换热介质为原料气，并通过管壁与反应物料进行换热以维持反应温度的反应器。只适用于热效应不大的放热反应以及高压条件的反应过程。优点是既能做到热量自给，又不需要另设高压换热设备。选择固定床反应器的原则：①保证径向、轴向温度分布均匀，并使反应维持在最适宜的温度范围；②催化剂装量充足，并能充分发挥作用；③气体物料通过催化剂床层的阻力要小，并可加大空间速度以强化生产，满足工艺要求，提高产品收率。④设备结构简单、操作方便、安全可靠。五、流化床反应器流体原料以一定的流动速度使催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备，称为流化床反应器。它是气固相催化反应常用的一种反应器。特点：①由于流化床所用固体颗粒比固定床小得多，因而具有较大的比表面积，使得流化床单位体积内气固相间接触面积很大，并且降低了内扩散阻力，增加了内表面的利用率，从而提高了相界面的传质、传热速度。②由于流化床内固体颗粒不断冲刷换热器表面的激烈运动，促使壁面气膜变薄，使床面不断更新，从而提高了床层对壁面的给热系数，因此所需换热器的传热面积较小。③由于流化床中的固体颗粒有类似于流体的流动性，因此从床层中取出颗粒或向床层中加入新的颗粒都很方便，可使反应过程和再生过程实现连续化及自动化。④流化床内气流和固体颗粒沿设备轴向混合（返混）很严重，使已反应的物质返回，稀释了参加反应的物质，致使反应速度降低。又由于气体部分成为大气泡通过床层接触不良，催化剂的利用率降低，气体在床层内的停留时间分布不均匀，因而增加了副反应，导致反应过程的转化率下降和选择性变差。⑤由于固体颗粒间剧烈碰撞，造成催化剂磨损破碎，增加了催化剂的损失和防尘的困难。同时，由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损也很严重。适用范围①热效应很大的放热或吸热反应，要求有均匀的催化剂温度并需要精确控制温度的化学反应；②催化剂使用寿命短，操作较短时间就要更新或活化的反应；③某些可以在高浓度下比较安全操作的氧化反应。不适用范围：①要求高转化率的反应，②要求催化剂床层温度分布的反应（二）流化床反应器的结构1、按照固体颗粒是否循环分类非循环操作流化床（单器）多用于催化剂使用寿命较长的气固相催化反应过程循环操作流化床（双器）多用于催化剂使用寿命较短且容易再生的气固相催化反应过程2、按照床层的外形分类圆筒形流化床应用广泛圆锥形流化床适用于催化剂粒度分布较宽的体系；也适用于气体体积增大的反应过程3、按照床层中是否置有内部构件分类自由床反应速度快、延长接触时间不致产生严重副反应，或对于产品要求不严的催化反应过程限制床反应速度慢、级数高和副反应严重的气固相催化反应4、按照床层内层数的多少分类单层流化床气固相催化反应多层流化床逆相操作、气固接触时间短，且满足不了高转化率及程序变温要求的反应第三节反应设备的使用与维护一、釜式反应器的