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1、第五章反应设备的使用与维护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v一、反应设备的工作过程及作用一、反应设备的工作过程及作用 v 炼油、化工生产过程中，在反应器中进行的不仅仅炼油、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、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、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，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
2、大小和相间的扩散速度有关。对于气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。如间歇小不一，操作方式和操作条件也各不相同。如
3、间歇式操作的反应器，原料是一次性加入的；而连续式式操作的反应器，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。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、相互影响本内容的传递过程同时
4、进行、相互作用、相互影响的复杂过程。的复杂过程。v因此反应器的工作过程就是以化学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、相互影响的复杂过程。v用于完成化学反应的设备称为用于完成化学反应的设备称为反应设备反应设备(也称也称反应器反应器)。v反应设备是炼油、化工生产装置中的关键性反应设备是炼油、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设备。一般情况下，工业上的化学反应是不可能全部完成
5、的，也不可能只生成一种产物。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，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，降低生产过程原料，减轻分离设备的负荷，降低生产过程的能量消耗。的能量消耗。v一个好的反应设备不仅能够满足这些要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，而且具有传递过程有化学反应的特征，而且具有传递过程的
6、特征。只有综合考虑化学反应动力学、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，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。本章主要计、有效使用和最佳控制。本章主要介绍反应设备的介绍反应设备的类型、结构、特点及操类型、结构、特点及操作等内容。作等内容。二、反应设备的类型二、反应设备的类型 v在炼油、化工生产中，化学反应的种类很多，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。相同，使用
7、反应器的种类也是多种多样。v 1 1根据物料的聚集状态分类根据物料的聚集状态分类 根据物料根据物料的聚集状态可把反应器分为的聚集状态可把反应器分为均相和非均相均相和非均相两两种。前者又可分为气相反应器和液相反应器，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液两
8、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一固相反应器，苯烃化制乙苯采用气一液相反应器。反应器。v反应器按聚集状态分类，其实质是按宏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，而且还与速度不仅与温度和浓度有关，而且
9、还与相界面大小和相间扩散速度有关。故以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聚集状态分类可以阐明各种相态反应过程的动力学规律。程的动力学规律。2 2根据反应器结构型式分类根据反应器结构型式分类v 根据反应器结构型式的特征，可以分为根据反应器结构型式的特征，可以分为釜式、釜式、管式、塔式、固定床和流化床反应器等管式、塔式、固定床和流化床反应器等。v釜式、管式反应器大多用于均相反应过程，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塔式、固定床和流化床反应器大多用于非均相反应过程。相反应过程。v反应器按结构型式分类，其实质是按传递过反应器
10、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特性，可以用同类传递过程的统一规律加以描述。描述。v反应器的主要作用反应器的主要作用是提供反应场所，并是提供反应场所，并维持一定的反应条件，使化学反应过程维持一定的反应条件，使化学反应过程按预定的方向进行，得到合格的反应产按预定的方向进行，得到合格的反应产物。物。v一个设计合理、性能良好的反应器，应一个设计合理、性能良好的反应器，应能满足如下几方面的要求。能满足如下几方面的要
11、求。v(1)(1)满足化学动力学和传递过程的要求，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、做到反应速度快、选择性好、转化率高、目的产品多、副产物少。目的产品多、副产物少。v(2)(2)能及时有效地输入或输出热量，维能及时有效地输入或输出热量，维持系统的热量平衡，使反应过程在适宜持系统的热量平衡，使反应过程在适宜的温度下进行。的温度下进行。v(3)(3)有足够的机械强度和抗腐蚀能力，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，生产安全可靠设备经久耐用，生产安全可靠.v(4)(4)制造容易，安装、检修方便，操制
12、造容易，安装、检修方便，操作调节灵活，生产周期长。作调节灵活，生产周期长。3 3根据操作方法分类根据操作方法分类v操作方法分为间歇式操作方法分为间歇式(或称为分批式或称为分批式)、半间、半间歇式歇式(或称为半连续式或称为半连续式)和连续式三种和连续式三种。v 间歇式操作间歇式操作是一次加入反应物料，在一定的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
13、存浓度均随时间变化，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批量、多品种生产，在染料及制药工业中广泛采用这种操作。泛采用这种操作。v v半间歇操作半间歇操作是指一些物料分批加入、而另一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。产过程。半间歇操作也是一个不
14、稳定过程。v连续操作连续操作是连续加入反应物和取出产物，反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，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，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模生产。炼油、化工生产中大多数采用连续操作。操作。4 4根据温度条件和传热方式分类根据温度条件和传热方式分类 v根据温度条件反应器可分为根据温度条件反应器可分为等温和非等温等温和非等温两两种，根据传热方式又可分为绝热式、外热式种，根据传热方式又可
15、分为绝热式、外热式和自热式。和自热式。由于化学反应对由于化学反应对温度温度变化有相当变化有相当大的敏感性，所以传热方式和温度控制是反大的敏感性，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。应器设计和操作中的重要问题。v 对于等温反应器，只需要考虑浓度变化的影对于等温反应器，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，非程，其他过程一般采用非等温式
16、反应器，非等温式反应器因换热方式不同也有不同的型等温式反应器因换热方式不同也有不同的型式。式。v反应设备的类型很多，其构造和适用条件也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，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，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以减少能量消耗、增加经济效益为原则而确定。定。第二节第二节 反应器的结构及特点反应器的结构及特点v一、釜式反应器一、釜式反应器v釜式反应器又称槽型反应器，它是
17、各类反应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，但在间歇生产多釜串联用于连续操作过程，但在间歇生产过程应用最多。过程应用最多。v釜式反应器具有适用的温度和压力范围宽、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、连续操作时温度浓适应性强、操作弹性大、连续操作
18、时温度浓度容易控制、产品质量均一等特点。但用在度容易控制、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，应用此类压、温度较低且低于物料沸点时，应用此类反应器最为普遍。反应器最为普遍。v釜式反应器的基本结釜式反应器的基本结构见图构见图5151，主要包，主要包括括反应器壳体、搅拌反应器壳体、搅拌器、密封装置和换热器、密封装置和换热装置等装置等。釜式反应器。釜式反应器壳体及搅拌器所用材壳体及搅拌器所用材料一般为碳钢，根据料一般为碳钢，根据特
19、殊需要，可在与反特殊需要，可在与反应物料接触部分衬有应物料接触部分衬有不锈钢、铅、橡胶、不锈钢、铅、橡胶、玻璃钢或搪瓷，个别玻璃钢或搪瓷，个别情况也可衬贵重金属情况也可衬贵重金属(如银等如银等)。根据反应。根据反应要求，壳体也可直接要求，壳体也可直接用铜、不锈钢制造。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v1 1壳体壳体:釜式反应器壳体部分的结构包釜式反应器壳体部分的结构包括筒体、底、盖括筒体、底、盖(也称封头也称封头)、手孔或人孔、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。视镜及各种工艺接管口等。v釜式反应器的筒体为圆筒形。底
20、、盖常用的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。的物料需用分层法使其分离时可用锥形底。v手孔或人孔手孔或人孔是为了检查设备内部空间以及安装和拆卸是为了检查设备内部空间以及安装和拆卸设
21、备内部构件而设置的。手孔的直径一般为设备内部构件而设置的。手孔的直径一般为O O15150 020 m20 m，它的结构一般是在封头上接一短管，并盖以，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，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一般为400 mm400 mm，椭圆形人孔的最小直径为，椭圆形人孔的最小直径为400 400 mm300 mmmm300 mm。v釜式釜式反应器的视镜反应器的视镜主要是为了观察设备内部的物料反主要是为了观察设备内部的物料
22、反应情况，有比较宽阔的视察范围为其结构确定原则。应情况，有比较宽阔的视察范围为其结构确定原则。v工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、压力的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。流动而引起釜壁局部腐蚀。釜式反应器的所有人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。都开在项盖上。v2搅拌器v搅拌器是釜式
23、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52所示。v桨式桨式 弯叶开启涡轮弯叶开启涡轮 折叶开启涡轮折叶开启涡轮 推进式推进式v平直叶圆盘平直叶圆盘 框式框式 锚式锚式 涡轮螺带式涡轮螺带式 螺杆式螺杆式v以上几种搅拌器在炼油、化工和高聚物生产过程中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，应用较广，此外还有螺带式、电磁式、超声波式等。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
24、器。在一般情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，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，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
25、体作上、下翻腾运动的情况，可根据需要被搅拌液体作上、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。在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。v3密封装置密封装置 静止的搅拌釜封头和转动的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，以防止釜搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置，以防止釜内物料泄漏。内物料泄漏。v轴封装置主要有轴封装置主要有填料密封和机械密封填料密封和机械密封两种。两种。其结构与离心泵的密封结构类似。填料箱密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
26、，短，难免微量泄漏；机械密封结构较复杂，但密封效果较好。但密封效果较好。v4 4换热装置换热装置 换热装置是用来加热或冷却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、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，也可用直接火焰或列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热，如图电感加热，如图5353所示。所示。(P112)(P112)v各种换热装置的选择主要决定传热表面是否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、易被污染而需要清洗、所需传热面积的大
27、小、传热介质的泄漏可能造成的后果以及传热介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力又较低的情况下，常采用简单的夹套式换热器。热器。二、管式反应器二、管式反应器v管式反应器主要用于气相、液相、气一液相管式反应器主要用于气相、液相、气一液相连续反应过程，由单根连
28、续反应过程，由单根(直管或盘管直管或盘管)连续或连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管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。壳管式换热装置。v操作时，物料自一端连续加入，在管中连续操作时，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，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酸加氢生产高碳醇、裂解反应用的管式炉便是管式反应器。是管式反应器。v此种反应器具有容积小、
29、比表面大、返混少、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；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。也开始改用连续操作的管式反应器。v管式反应器与釜式反应
30、器相比在结构上管式反应器与釜式反应器相比在结构上差异差异较大较大，主要有直管式、盘管式、多管式等。，主要有直管式、盘管式、多管式等。v单管单管(直管或盘管直管或盘管)式是最简单的一种反应器，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因其传热面积较小，一般仅适用于热效应较小的反应过程。小的反应过程。多管式反应器多管式反应器的传热面积较的传热面积较大，可适用于热效应较大的均相反应过程。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，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以提高流体湍动或促进非均一流体相的良好接
31、触，并可用来储存热量以更好地控制反应接触，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、液一固非均相器温度，亦可适用于气一固、液一固非均相催化反应过程。催化反应过程。三、鼓泡塔反应器三、鼓泡塔反应器v气体以鼓泡形式通过气体以鼓泡形式通过液层进行化学反应的液层进行化学反应的塔式反应器，称为鼓塔式反应器，称为鼓泡塔反应器。它广泛泡塔反应器。它广泛用于气一液相反应过用于气一液相反应过程。程。v鼓泡塔反应器基本结鼓泡塔反应器基本结构是内盛液体的空心构是内盛液体的空心圆筒，底部装有气体圆筒，底部装有气体分布器，壳外装有夹分布器，壳外装有夹套或其他型式换热器套或其他型式换热器或设有扩大段、液滴
32、或设有扩大段、液滴捕集器等，如图捕集器等，如图5555所示。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v反应气体通过分布器上的小孑反应气体通过分布器上的小孑L L鼓泡而入，液体间歇鼓泡而入，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或连续加入，连续加入的液体可以和气体并流或逆流，流，般采用并流形式较多。气体在塔内为分散相，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，可以在塔内安置水分散程度和减少液体轴向循环，可以在
33、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。也可以利用反应液换热蛇管或采用塔外换热装置。也可以利用反应液蒸发的方法带走热量。蒸发的方法带走热量。v简单鼓泡塔具有结构简单、运行可靠、易于实现大简单鼓泡塔具有结构简单、运行可靠、易于实现大型化、适宜于加压操作、在采取防腐措施型化、适宜于加压操作、在采取防腐措施(如衬橡胶、如衬橡胶、瓷砖、搪瓷等瓷砖、搪瓷等)后可以处理腐蚀性介质等优点。后可以处理腐蚀性介质等优点。但在但在简单鼓泡塔内
34、不能处理密度不均一的液体，如悬浊简单鼓泡塔内不能处理密度不均一的液体，如悬浊液等。液等。v为了增加气、液相接触面积和减少返混可为了增加气、液相接触面积和减少返混可在塔内的液体层中放置填料，这种塔称为在塔内的液体层中放置填料，这种塔称为填填料鼓泡塔料鼓泡塔。v它与一般填料塔不同，一般填料塔中的填料它与一般填料塔不同，一般填料塔中的填料不浸泡在液体中，只是在填料表面形成液层，不浸泡在液体中，只是在填料表面形成液层，填料之间的空隙中是气体。而填料鼓泡塔中填料之间的空隙中是气体。而填料鼓泡塔中的填料是浸没在液体中，填料间的空隙全是的填料是浸没在液体中，填料间的空隙全是鼓泡液体。鼓泡液体。这种塔的大部分
35、反应空间被惰性这种塔的大部分反应空间被惰性填料所占据，因而液体在反应器中的平均停填料所占据，因而液体在反应器中的平均停留时间很短，虽有利于传质过程，但传质效留时间很短，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率较低，故不如中间设有隔板的多段鼓泡塔效果好。效果好。v结构较为复杂的鼓泡塔是气体结构较为复杂的鼓泡塔是气体升液式鼓泡塔升液式鼓泡塔，如图，如图5656所示。所示。这种鼓泡塔与简单空床鼓泡塔这种鼓泡塔与简单空床鼓泡塔的结构不同之处在于它的塔体的结构不同之处在于它的塔体内装有一根或几根气升管，它内装有一根或几根气升管，它依靠气体分布器将气体输送到依靠气体分布器将气体输
36、送到气升管的底部，在气升管中形气升管的底部，在气升管中形成气、液混合物，此混合物的成气、液混合物，此混合物的密度小于气升管外的液体的密密度小于气升管外的液体的密度，因此引起气、液混合物向度，因此引起气、液混合物向上流动，气升管外的液体向下上流动，气升管外的液体向下流动，从而使液体在反应器内流动，从而使液体在反应器内循环。因为气升管的操作像气循环。因为气升管的操作像气体升液器，故有气体升液式鼓体升液器，故有气体升液式鼓泡塔之称。在这种鼓泡塔中气泡塔之称。在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多，因此，多，因此，它可以处理不均一它可以处理不均一的液体；的液体；如果如果
37、气升管做成夹套气升管做成夹套式，内通热载体或冷载体，即式，内通热载体或冷载体，即具有换热作用。具有换热作用。图56气体升液式鼓泡塔1一筒体；2一气升管；3气体分布器四、固定床反应器四、固定床反应器v凡是流体通过不动的固体物料形成的床层而凡是流体通过不动的固体物料形成的床层而进行化学反应的设备都称为进行化学反应的设备都称为固定床反应器固定床反应器。该反应器尤其适合于气一固相催化反应过程。该反应器尤其适合于气一固相催化反应过程。v固定床催化反应器的特点固定床催化反应器的特点是除床层极薄和气是除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流体流速很低的特殊情况外，床层内气体的流动均可视为理想平推
38、流动，因而化学反应速动均可视为理想平推流动，因而化学反应速度较快，为完成同样生产任务所需要的催化度较快，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。流体通过床层的剂用量和反应器体积较小。流体通过床层的停留时间可以严格控制，温度分布可以适当停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因而有利于提高化学反应的转化率和调节，因而有利于提高化学反应的转化率和选择性。固定床内的催化剂不易磨损，可以选择性。固定床内的催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。适宜于在高温高压条件较长时间连续使用。适宜于在高温高压条件下操作。下操作。v但是，由于固体催化剂在床层中静止不动，而且催但是，由于固体催化剂在床
39、层中静止不动，而且催化剂载体往往导热性能不良，气体流速又受压降限化剂载体往往导热性能不良，气体流速又受压降限制不能太大，因此固定床传热性能较差，温度控制制不能太大，因此固定床传热性能较差，温度控制较困难。较困难。尤其是对于放热反应尤其是对于放热反应，在换热式反应器的，在换热式反应器的入口处反应物浓度较高时，则反应速度较快，放出入口处反应物浓度较高时，则反应速度较快，放出的反应热量往往来不及移走，因而使反应物料温度的反应热量往往来不及移走，因而使反应物料温度升高，促使反应以更快的速度进行，从而放出更多升高，促使反应以更快的速度进行，从而放出更多的热量，导致反应物料的温度继续升高以致超过工的热量，
40、导致反应物料的温度继续升高以致超过工艺允许的最高温度，甚至会失去控制，降低了反应艺允许的最高温度，甚至会失去控制，降低了反应的选择性、催化剂的活性和寿命。同时设备的强度的选择性、催化剂的活性和寿命。同时设备的强度等性能也受到了严重的危害。此外，等性能也受到了严重的危害。此外，固定床反应器固定床反应器不能使用细粒催化剂不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，影响正，否则流体阻力增大，影响正常操作。常操作。v随着化工生产的发展，已出现多种型式的固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定床反应器，以适应不同的传热要求和传热方式，主要分为方式，主要分为绝热式和换热式
41、绝热式和换热式两大类。两大类。v(一一)绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器 v在反应过程中不与外界进行热量交换的反应在反应过程中不与外界进行热量交换的反应器称为绝热式反应器，又分为单段绝热式和器称为绝热式反应器，又分为单段绝热式和多段绝热式。多段绝热式。v在工业上选择在工业上选择固定床反应器固定床反应器时，应考虑时，应考虑以下条件以下条件：v保证径向、轴向温度分布均匀，并使反保证径向、轴向温度分布均匀，并使反应维持在最适宜的温度范围；催化剂装应维持在最适宜的温度范围；催化剂装量充足，并能充分发挥作用；气体物料量充足，并能充分发挥作用；气体物料通过催化剂床层的阻力要小，并可加大通过催化剂床层的
42、阻力要小，并可加大空间速度以强化生产，满足工艺要求，空间速度以强化生产，满足工艺要求，提高产品收率等。此外还要考虑设备结提高产品收率等。此外还要考虑设备结构简单、操作方便、安全可靠等因素。构简单、操作方便、安全可靠等因素。五、流化床反应器五、流化床反应器v流体原料以一定的流动速度使催化剂颗粒呈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。化反应常用的一种反应器。v (一一)流化床反应器的特点流化床反应器的特点:在流化床反在流化床
43、反应器中，床层上的固体催化剂颗粒在气流的应器中，床层上的固体催化剂颗粒在气流的作用下剧烈搅动，上下沉浮，能像流体一样作用下剧烈搅动，上下沉浮，能像流体一样运动。它与固定床反应器相比有如下特点运动。它与固定床反应器相比有如下特点:v(1)(1)由于流化床所用固体颗粒比固定床由于流化床所用固体颗粒比固定床小得多小得多，因而具有较大的比表面积，使得流化床单位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。又由于床提高了相界面的传质
44、、传热速度。又由于床层内气流与颗粒剧烈搅动混合，使床层温度层内气流与颗粒剧烈搅动混合，使床层温度分布均匀，避免了局部过热或局部反应不完分布均匀，避免了局部过热或局部反应不完全的现象，这对于某些强放热反应过程是十全的现象，这对于某些强放热反应过程是十分重要的。分重要的。v(2)(2)由于流化床内固体颗粒不断冲刷换热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，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的给热系数，因此所需换热器的传热面积较小。面积较小。v(3)(3)由于流化床中
45、的固体颗粒有类似于流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反应过程和再生过程实现连续化及自动控制。控制。v(4)(4)流化床内气流和固体颗粒沿设备轴向流化床内气流和固体颗粒沿设备轴向混合混合(返混返混)很严重，使已反应的物质返很严重，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速度降低。又由于气体部分成为大气泡通过床层使气固接触不良，催化剂的利通过床层使气固接
46、触不良，催化剂的利用率降低，气体在床层内的停留时间分用率降低，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。应过程的转化率下降和选择性变差。v(5)(5)由于固体颗粒间剧烈碰撞，造成催化剂磨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。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。器的磨损也很严重。v由此可见由此可见，对于热效应很大的放热或吸热反，对于热效应很大的放热或吸热反应，要求有均匀的催化剂温度
47、并需要精确控应，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；催化剂使用寿命短，操制温度的化学反应；催化剂使用寿命短，操作较短时间就要更新或活化的反应；某些可作较短时间就要更新或活化的反应；某些可以在高浓度下比较安全操作的氧化反应等，以在高浓度下比较安全操作的氧化反应等，都比较适用流化床反应器，对于要求高转化都比较适用流化床反应器，对于要求高转化率的反应、要求催化剂床层温度分布的反应，率的反应、要求催化剂床层温度分布的反应，一般不适于使用流化床反应器。一般不适于使用流化床反应器。(二二)流化床反应器的结构流化床反应器的结构v流化床反应器的结构型式很多，一般有流化床反应器的结构型式很多，一
48、般有以下几种类型。以下几种类型。v1 1按照固体颗粒是否循环分类按照固体颗粒是否循环分类 v 流化床可分为单器或称非循环操作的流化床可分为单器或称非循环操作的流化床及双器或称循环操作的流化床。流化床及双器或称循环操作的流化床。v单器流化床在工业上单器流化床在工业上应用最为广泛，如乙应用最为广泛，如乙烯氧氯化流化床反应烯氧氯化流化床反应器，其结构见图器，其结构见图5 5一一1111，这类反应器多用，这类反应器多用于催化剂使用寿命较于催化剂使用寿命较长的气固相催化反应长的气固相催化反应过程。过程。v双器流化床多用于催化双器流化床多用于催化剂使用寿命较短且容易剂使用寿命较短且容易再生的气固相催化反应
49、再生的气固相催化反应过程过程，如石油炼制工业，如石油炼制工业中的催化裂化装置，其中的催化裂化装置，其结构型式参见图结构型式参见图512512。催化剂在反应器和再生催化剂在反应器和再生器之间的循环，是靠控器之间的循环，是靠控制两器的密度差形成压制两器的密度差形成压差实现的差实现的。因为两器间。因为两器间实现了催化剂的定量定实现了催化剂的定量定向流动，所以同时完成向流动，所以同时完成了催化反应和再生烧焦了催化反应和再生烧焦的连续操作过程。的连续操作过程。2 2按照床层的外形分类按照床层的外形分类v流化床可分为圆筒形和圆锥形流化床。流化床可分为圆筒形和圆锥形流化床。以上皆为圆筒形流化床反应器，其结构
50、以上皆为圆筒形流化床反应器，其结构简单，制造容易，设备容积利用率高，简单，制造容易，设备容积利用率高，在设计和生产方面都积累了较丰富的经在设计和生产方面都积累了较丰富的经验，获得了广泛应用。验，获得了广泛应用。v圆锥圆锥形流形流化床化床的结的结构型构型式参式参见图见图513513。3 3按照床层中是否置有内部构件分类按照床层中是否置有内部构件分类v流化床可分为流化床可分为自由床和限制床自由床和限制床。床层中设置。床层中设置内部构件的称为限制床，反之称为自由床。内部构件的称为限制床，反之称为自由床。设置内部构件的目的在于增进气固接触，减设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停