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简介
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管式反应器和釜式反应器 管式反应器 管式反应器的概念 管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流. 管式反应器的特点 管式反应器有以下几个特点。 （1）由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器 内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。 （2）管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。 （3）由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。 （4）管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。 （5）和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。 （6）管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。 此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。 管式反应器的分类 管式反应器是应用较多的一种连续操作反应器，常用的管式反应器有以下几种类型： (1)水平管式反应器 图3.1给出的是进行气相或均液相反应常用的一种管式反应器， 由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。 (2)立管式反应器 给出几种立管式反应器。（a）为单程式立管式反应器，（b）为带中心插入管的立管式反应器。有时也将一束立管安装在一个加热套筒内，以节省安装面积，（c）所示。 立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。 (3)盘管式反应器 将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。图3.3所示的反应器由许多水平盘管上下重叠串联组成。每一个盘管是由许多半径不同的半圆形管子相连接成螺旋形式，螺旋中央留出Φ400mm的空间，便于安装和检修。 (4) U形管式反应器 U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。例如带多孔挡板的U形管式反应器，被应用于己内酰胺的聚合反应。带搅拌装置的U形管式反应器适用于非均液相物料或液固相悬浮物料，如甲苯的连续硝化、蒽醌的连续磺化等反应。图3.4是一种内部设有搅拌和电阻加热装置的U形管式反应器 （５）多管并联管式反应器 多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯，气相氮和氢混合物在多管并联装有固相铁催化剂的反应器中合成氨。 管式反应器的加热或冷却可采用各种方式 (1)套管或夹套传热反应器，均可用套管或夹套传热结构。 (2)套筒传热反应器可置于套筒内进行换热。 (3)短路电流加热，将低电压、大电流的电源直接通到管壁上，使电能转变为热能。这种加热方法升温快、加热温度高、便于实现遥控和自控。短路电流加热以应用于邻硝基氯苯的氨化和乙酸热裂解制乙烯酮等管式反应器的反应上。 (4)烟道气加热，利用气体或液体燃料 燃烧产生的烟道气辐射直接加热管式反应器，可达数百度的高温，此法在石油化工中应用较多。图3.5表示一种采用烟道气加热的圆筒式管子炉。 管式反应器可用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高压聚合、对苯二甲酸酯化、邻硝基氯苯氨化制邻硝基苯氨、氯乙醇氨化制乙醇胺、椰子油加氢制脂肪醇、石蜡氧化制脂肪酸、单体聚合以及某些固相缩合反应均已采用管式反应器进行工业化生产。 釜式反应器 釜式反应器的概念 一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 釜式反应器的分类 按操作方式可分为： ②连续釜式反应器，或称连续釜。 可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器，以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。 大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。 ③半连续釜式反应器。指指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。 连续釜式反应器的特点 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。 物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。 反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。 全混流假定 连续流动釜式反应器，其结构和间歇釜式反应器相同，但进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反应器，这样的流动状况称之谓全混流。 这里要讨论的都限于定态操作范围，即假定反应器在稳定操作条件下，任何空间位置处物料浓度、温度和加料速度都不随时间而发生变化的定常状态。 返混 在连续釜式反应器中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器中的反应物料以同样稳定流速流出反应器。由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器内的物料在瞬间达到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。这种停留时间不同的物料之间的混合，称为逆向混合或返混。 这里所说的逆向，是时间概念上的逆向，不同于一般的搅拌混合。 连续搅拌釜中的浓度分布特征 在连续釜式反应器中，釜内的物料浓度都与出口物料的浓度相同，因此反应器中反应物的浓度普遍下降，而产物的浓度则普遍上升。 当反应器进行复杂反应时，过程的技术指标主要是反应选择率的高低。此时，连续釜中浓度分布对反应选择率的影响完全取决于各类反应的动力学特征，即反应速率和选择率的浓度效应。 连续釜式反应器中的返混 循环反应器中的物料混合作用是有组织的，而连续釜式反应器中的物料混合作用是由剧烈的搅拌引起设备内部强烈环流运动造成的。 间歇釜和连续釜虽然同样存在有剧烈的搅拌与混合，但是，参与混合的物料是不相同的。前者是同一时刻进入反应器的物料之间的混合，也就是相同浓度、相同性质的物料之间的混合，并不改变原有的物料浓度；后者则是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，也就是不同浓度、不同性质物料之间的混合，这种混合，常称之为返混，以区别于前一种混合。 返混的原因 造成返混的原因是由于反应器内物料的环流运动，或者更一般地说由于物料在连续反应器中空间的反向运动造成的。 造成返混的另一个原因是反应器中物料不均匀的流速分布。 由此可见，返混产生的原因主要是二个： 设备中存在有不同尺度的环流 不均匀的速度分布 限制返混的措施 限制返混的主要措施是分割。通常有横向分割和纵向分割之分，其中重要的是横向分割。 为了减少返混，工业上常采用多釜串连的操作，这是横向分割的典型例子。当串连釜数足够多时，这种连续多釜串连的操作性能就很接近平推流反应器的性能。 为了限制返混，对高径比较大的流化床反应器，常在其内部装置横向挡板以减少返混。而对高径比较小的，则可设置垂直管作为内部构件，也就是纵向分割的一例 单釜和多釜串连操作时的反应物浓度水平 釜式反应器的搅拌器 搅拌目的 使物料混和均匀，强化传热和传质。 包括均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等 搅拌液体的流动模型 液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。 常用搅拌器的型式、结构和特点 釜式反应器的搅拌器 桨式搅拌器 由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。 桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。 釜式反应器图片 管式反应器与釜式反应器的差异 一般的说，管式反应器属于平推流反应器，釜式反应器属于全混流反应器，管式反应器的停留时间一般要短一些，而釜式反应器的停留时间一般要长一些，从移走反应热来说，管式反应器要难一些，而釜式反应器容易一些，可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决，有时可以考虑管式加釜的混合反应进行，即釜式反应器底部出口物料通过外循环进入管式反应器再返回到釜式反应器，可以在管式反应器后设置外循环冷却器来控制温度，反应原料从管式反应器的进口或外循环泵的进口进入，反应完成后的物料从釜式反应器的上部溢流出来，这样两种反应器都用了进去。 选型 对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。 加料方式 对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。对几个反应器组成级联的设备，还可采用错流加料，即一种原料依次通过各个反应器，另一种原料分别加入各反应器。除流向外，还有原料是从反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。分段加入指一种原料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。采用什么加料方式，须根据反应过程的特征决定 换热方式 多数反应有明显的热效应。为使反应在适宜的温度条件下进行，往往需对反应物系进行换热。换热方式有间接换热和直接换热。间接换热指反应物料和载热体通过间壁进行换热，直接换热指反应物料和载热体直接接触进行换热。对放热反应，可以用反应产物携带的反应热来加热反应原料，使之达到所需的反应温度，这种反应器称为自热式反应器。 按反应过程中的换热状况，反应器可分为： ① 等温反应器 反应物系温度处处相等的一种理想反应器。反应热效应极小，或反应物料和载热体间充分换热，或反应器内的热量反馈极大（如剧烈搅拌的釜式反应器）的反应器，这样可近似看作等温反应器。 ② 绝热反应器 反应区与环境无热量交换的一种理想反应器。反应区内无换热装置的大型工业反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝热反应器。 ③ 非等温非绝热反应器 与外界有热量交换，反应器内也有热反馈，但达不到等温条件的反应器，如列管式固定床反应器。 换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。 操作条件 主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化率。 反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应，则可提高平衡转化率，如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还可增加气体在液体中的溶解度，故许多气液反应过程、气液固相反应过程采用加压操作，以提高反应速率，如对二甲苯氧化等。 反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。 除反应器的形式以外，反应器的操作方式和加料方式也需考虑。例如，对于有串联或平行副反应的过程，分段进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但其性能和操作的优劣却影响着前后处理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对于发展各种过程工业有重要的意义。
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