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管式反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器的概念 管式反應(yīng)器一種呈管狀、長(zhǎng)徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。這種反應(yīng)器可以很長(zhǎng)，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長(zhǎng)以公里計(jì)。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)行多相催化反應(yīng)，如列管式固定床反應(yīng)器。通常，反應(yīng)物流處于湍流狀態(tài)時(shí)，空管的長(zhǎng)徑比大于50；填充段長(zhǎng)與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動(dòng)可近似地視為平推流. 管式反應(yīng)器的特點(diǎn) 管式反應(yīng)器有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 （1）由于反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等，所以在反應(yīng)器 內(nèi)任何一點(diǎn)上的反應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時(shí)間而變化，只隨管長(zhǎng)變化。 （2）管式反應(yīng)器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。 （3）由于反應(yīng)物在管式反應(yīng)器中反應(yīng)速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。 （4）管式反應(yīng)器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。 （5）和釜式反應(yīng)器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。 （6）管式反應(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。用于加壓反應(yīng)尤為合適。 此外，管式反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點(diǎn)是，反應(yīng)速率很低時(shí)所需管道過(guò)長(zhǎng)，工業(yè)上不易實(shí)現(xiàn)。 管式反應(yīng)器的分類(lèi) 管式反應(yīng)器是應(yīng)用較多的一種連續(xù)操作反應(yīng)器，常用的管式反應(yīng)器有以下幾種類(lèi)型： (1)水平管式反應(yīng)器 圖3.1給出的是進(jìn)行氣相或均液相反應(yīng)常用的一種管式反應(yīng)器， 由無(wú)縫鋼管與U形管連接而成。這種結(jié)構(gòu)易于加工制造和檢修。高壓反應(yīng)管道的連接采用標(biāo)準(zhǔn)槽對(duì)焊鋼法蘭，可承受1600-10000kPa壓力。如用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達(dá)10000-20000kPa。 (2)立管式反應(yīng)器 給出幾種立管式反應(yīng)器。（a）為單程式立管式反應(yīng)器，（b）為帶中心插入管的立管式反應(yīng)器。有時(shí)也將一束立管安裝在一個(gè)加熱套筒內(nèi)，以節(jié)省安裝面積，（c）所示。 立管式反應(yīng)器被應(yīng)用于液相氨化反應(yīng)、液相加氫反應(yīng)、液相氧化反應(yīng)等工藝中。 (3)盤(pán)管式反應(yīng)器 將管式反應(yīng)器做成盤(pán)管的形式，設(shè)備緊湊，節(jié)省空間。但檢修和清刷管道比較困難。圖3.3所示的反應(yīng)器由許多水平盤(pán)管上下重疊串聯(lián)組成。每一個(gè)盤(pán)管是由許多半徑不同的半圓形管子相連接成螺旋形式，螺旋中央留出Φ400mm的空間，便于安裝和檢修。 (4) U形管式反應(yīng)器 U形管式反應(yīng)器的管內(nèi)設(shè)有多孔擋板或攪拌裝置，以強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)過(guò)程。U形管的直徑大，物料停留時(shí)間增長(zhǎng)，可應(yīng)用于反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)。例如帶多孔擋板的U形管式反應(yīng)器，被應(yīng)用于己內(nèi)酰胺的聚合反應(yīng)。帶攪拌裝置的U形管式反應(yīng)器適用于非均液相物料或液固相懸浮物料，如甲苯的連續(xù)硝化、蒽醌的連續(xù)磺化等反應(yīng)。圖3.4是一種內(nèi)部設(shè)有攪拌和電阻加熱裝置的U形管式反應(yīng)器 （５）多管并聯(lián)管式反應(yīng)器 多管并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管式反應(yīng)器一般用于氣固相反應(yīng)，例如氣相氯化氫和乙炔在多管并聯(lián)裝有固相催化劑的反應(yīng)器中反應(yīng)制氯乙烯，氣相氮和氫混合物在多管并聯(lián)裝有固相鐵催化劑的反應(yīng)器中合成氨。 管式反應(yīng)器的加熱或冷卻可采用各種方式 (1)套管或夾套傳熱反應(yīng)器，均可用套管或夾套傳熱結(jié)構(gòu)。 (2)套筒傳熱反應(yīng)器可置于套筒內(nèi)進(jìn)行換熱。 (3)短路電流加熱，將低電壓、大電流的電源直接通到管壁上，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�。這種加熱方法升溫快、加熱溫度高、便于實(shí)現(xiàn)遙控和自控。短路電流加熱以應(yīng)用于鄰硝基氯苯的氨化和乙酸熱裂解制乙烯酮等管式反應(yīng)器的反應(yīng)上。 (4)煙道氣加熱，利用氣體或液體燃料 燃燒產(chǎn)生的煙道氣輻射直接加熱管式反應(yīng)器，可達(dá)數(shù)百度的高溫，此法在石油化工中應(yīng)用較多。圖3.5表示一種采用煙道氣加熱的圓筒式管子爐。 管式反應(yīng)器可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應(yīng)。例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高壓聚合、對(duì)苯二甲酸酯化、鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨、氯乙醇氨化制乙醇胺、椰子油加氫制脂肪醇、石蠟氧化制脂肪酸、單體聚合以及某些固相縮合反應(yīng)均已采用管式反應(yīng)器進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。 釜式反應(yīng)器 釜式反應(yīng)器的概念 一種低高徑比的圓筒形反應(yīng)器，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過(guò)程中物料需加熱或冷卻時(shí)，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。 釜式反應(yīng)器的分類(lèi) 按操作方式可分為： 　 ②連續(xù)釜式反應(yīng)器，或稱(chēng)連續(xù)釜。 可避免間歇釜的缺點(diǎn)，但攪拌作用會(huì)造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合，釜內(nèi)物料流型可視作全混流，反應(yīng)釜相應(yīng)地稱(chēng)作全混釜。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場(chǎng)合，釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時(shí)可采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器，以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應(yīng)條件。 　　大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)盡可能采用連續(xù)反應(yīng)器。連續(xù)反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于操作控制。其缺點(diǎn)是連續(xù)反應(yīng)器中都存在程度不同的返混，這對(duì)大多數(shù)反應(yīng)皆為不利因素，應(yīng)通過(guò)反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以抑制。 　�、郯脒B續(xù)釜式反應(yīng)器。指指一種原料一次加入，另一種原料連續(xù)加入的反應(yīng)器，其特性介于間歇釜和連續(xù)釜之間。  連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn) 反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。 物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，存在不同停留時(shí)間物料的混合，即返混程度最大。 反應(yīng)器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時(shí)間變化，從而不存在時(shí)間這個(gè)自變量。 全混流假定 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)和間歇釜式反應(yīng)器相同，但進(jìn)出物料的操作是連續(xù)的，即一邊連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時(shí)連續(xù)不斷地把反應(yīng)產(chǎn)物引出反應(yīng)器，這樣的流動(dòng)狀況稱(chēng)之謂全混流。 這里要討論的都限于定態(tài)操作范圍，即假定反應(yīng)器在穩(wěn)定操作條件下，任何空間位置處物料濃度、溫度和加料速度都不隨時(shí)間而發(fā)生變化的定常狀態(tài)。 返混 在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，反應(yīng)原料以穩(wěn)定的流速進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器中的反應(yīng)物料以同樣穩(wěn)定流速流出反應(yīng)器。由于強(qiáng)烈攪拌的作用，剛進(jìn)入反應(yīng)器的新鮮物料與已存留在反應(yīng)器內(nèi)的物料在瞬間達(dá)到完全混合，使釜內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等。這種停留時(shí)間不同的物料之間的混合，稱(chēng)為逆向混合或返混。 這里所說(shuō)的逆向，是時(shí)間概念上的逆向，不同于一般的攪拌混合。 連續(xù)攪拌釜中的濃度分布特征 在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，釜內(nèi)的物料濃度都與出口物料的濃度相同，因此反應(yīng)器中反應(yīng)物的濃度普遍下降，而產(chǎn)物的濃度則普遍上升。 當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)行復(fù)雜反應(yīng)時(shí)，過(guò)程的技術(shù)指標(biāo)主要是反應(yīng)選擇率的高低。此時(shí)，連續(xù)釜中濃度分布對(duì)反應(yīng)選擇率的影響完全取決于各類(lèi)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征，即反應(yīng)速率和選擇率的濃度效應(yīng)。 連續(xù)釜式反應(yīng)器中的返混 循環(huán)反應(yīng)器中的物料混合作用是有組織的，而連續(xù)釜式反應(yīng)器中的物料混合作用是由劇烈的攪拌引起設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)烈環(huán)流運(yùn)動(dòng)造成的。 間歇釜和連續(xù)釜雖然同樣存在有劇烈的攪拌與混合，但是，參與混合的物料是不相同的。前者是同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合，也就是相同濃度、相同性質(zhì)的物料之間的混合，并不改變?cè)�有的物料濃度；后者則是不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合，也就是不同濃度、不同性質(zhì)物料之間的混合，這種混合，常稱(chēng)之為返混，以區(qū)別于前一種混合。 返混的原因 造成返混的原因是由于反應(yīng)器內(nèi)物料的環(huán)流運(yùn)動(dòng)，或者更一般地說(shuō)由于物料在連續(xù)反應(yīng)器中空間的反向運(yùn)動(dòng)造成的。 造成返混的另一個(gè)原因是反應(yīng)器中物料不均勻的流速分布。 由此可見(jiàn)，返混產(chǎn)生的原因主要是二個(gè)： 設(shè)備中存在有不同尺度的環(huán)流 不均勻的速度分布 限制返混的措施 限制返混的主要措施是分割。通常有橫向分割和縱向分割之分，其中重要的是橫向分割。 為了減少返混，工業(yè)上常采用多釜串連的操作，這是橫向分割的典型例子。當(dāng)串連釜數(shù)足夠多時(shí)，這種連續(xù)多釜串連的操作性能就很接近平推流反應(yīng)器的性能。 為了限制返混，對(duì)高徑比較大的流化床反應(yīng)器，常在其內(nèi)部裝置橫向擋板以減少返混。而對(duì)高徑比較小的，則可設(shè)置垂直管作為內(nèi)部構(gòu)件，也就是縱向分割的一例 單釜和多釜串連操作時(shí)的反應(yīng)物濃度水平 釜式反應(yīng)器的攪拌器 攪拌目的 使物料混和均勻，強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)。 包括均相液體混合；液-液分散；氣-液分散；固-液分散；結(jié)晶；固體溶解；強(qiáng)化傳熱等 攪拌液體的流動(dòng)模型 液體在設(shè)備范圍內(nèi)作循環(huán)流動(dòng)的途徑稱(chēng)作液體的“流動(dòng)模型”，簡(jiǎn)稱(chēng)“流型”。 常用攪拌器的型式、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 釜式反應(yīng)器的攪拌器 槳式攪拌器 由槳葉、鍵、軸環(huán)、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或不銹鋼或有色金屬制造。槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速較低，一般為20～80r／min。槳式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)徑Di/3～2/3，槳葉不宜過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)反應(yīng)釜直徑很大時(shí)采用兩個(gè)或多個(gè)槳葉。 槳式攪拌器適用于流動(dòng)性大、粘度小的液體物料，也適用于纖維狀和結(jié)晶狀的溶解液，物料層很深時(shí)可在軸上裝置數(shù)排槳葉。 釜式反應(yīng)器圖片 管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器的差異 一般的說(shuō)，管式反應(yīng)器屬于平推流反應(yīng)器，釜式反應(yīng)器屬于全混流反應(yīng)器，管式反應(yīng)器的停留時(shí)間一般要短一些，而釜式反應(yīng)器的停留時(shí)間一般要長(zhǎng)一些，從移走反應(yīng)熱來(lái)說(shuō)，管式反應(yīng)器要難一些，而釜式反應(yīng)器容易一些，可以在釜外設(shè)夾套或釜內(nèi)設(shè)盤(pán)管解決，有時(shí)可以考慮管式加釜的混合反應(yīng)進(jìn)行，即釜式反應(yīng)器底部出口物料通過(guò)外循環(huán)進(jìn)入管式反應(yīng)器再返回到釜式反應(yīng)器，可以在管式反應(yīng)器后設(shè)置外循環(huán)冷卻器來(lái)控制溫度，反應(yīng)原料從管式反應(yīng)器的進(jìn)口或外循環(huán)泵的進(jìn)口進(jìn)入，反應(yīng)完成后的物料從釜式反應(yīng)器的上部溢流出來(lái)，這樣兩種反應(yīng)器都用了進(jìn)去。 選型 對(duì)于特定的反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)器的選型需綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全等諸方面的因素。 加料方式 　對(duì)有兩種以上原料的連續(xù)反應(yīng)器，物料流向可采用并流或逆流。對(duì)幾個(gè)反應(yīng)器組成級(jí)聯(lián)的設(shè)備，還可采用錯(cuò)流加料，即一種原料依次通過(guò)各個(gè)反應(yīng)器，另一種原料分別加入各反應(yīng)器。除流向外，還有原料是從反應(yīng)器的一端(或兩端)加入和分段加入之分。分段加入指一種原料由一端加入，另一種原料分成幾段從反應(yīng)器的不同位置加入，錯(cuò)流也可看成一種分段加料方式。采用什么加料方式，須根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的特征決定 換熱方式 　多數(shù)反應(yīng)有明顯的熱效應(yīng)。為使反應(yīng)在適宜的溫度條件下進(jìn)行，往往需對(duì)反應(yīng)物系進(jìn)行換熱。換熱方式有間接換熱和直接換熱。間接換熱指反應(yīng)物料和載熱體通過(guò)間壁進(jìn)行換熱，直接換熱指反應(yīng)物料和載熱體直接接觸進(jìn)行換熱。對(duì)放熱反應(yīng)，可以用反應(yīng)產(chǎn)物攜帶的反應(yīng)熱來(lái)加熱反應(yīng)原料，使之達(dá)到所需的反應(yīng)溫度，這種反應(yīng)器稱(chēng)為自熱式反應(yīng)器。 　　按反應(yīng)過(guò)程中的換熱狀況，反應(yīng)器可分為： 　�、佟〉葴胤磻�(yīng)器　反應(yīng)物系溫度處處相等的一種理想反應(yīng)器。反應(yīng)熱效應(yīng)極小，或反應(yīng)物料和載熱體間充分換熱，或反應(yīng)器內(nèi)的熱量反饋極大（如劇烈攪拌的釜式反應(yīng)器）的反應(yīng)器，這樣可近似看作等溫反應(yīng)器。 　�、凇〗^熱反應(yīng)器　反應(yīng)區(qū)與環(huán)境無(wú)熱量交換的一種理想反應(yīng)器。反應(yīng)區(qū)內(nèi)無(wú)換熱裝置的大型工業(yè)反應(yīng)器，與外界換熱可忽略時(shí)，可近似看作絕熱反應(yīng)器。 　�、邸》堑葴胤墙^熱反應(yīng)器　與外界有熱量交換，反應(yīng)器內(nèi)也有熱反饋，但達(dá)不到等溫條件的反應(yīng)器，如列管式固定床反應(yīng)器。 　　換熱可在反應(yīng)區(qū)進(jìn)行，如通過(guò)夾套進(jìn)行換熱的攪拌釜，也可在反應(yīng)區(qū)間進(jìn)行，如級(jí)間換熱的多級(jí)反應(yīng)器。 操作條件 主要指反應(yīng)器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應(yīng)過(guò)程的敏感因素，必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列，使反應(yīng)過(guò)程在優(yōu)化條件下進(jìn)行。例如對(duì)可逆放熱反應(yīng)應(yīng)采用先高后低的溫度序列以兼顧反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率。 　　反應(yīng)器可在常壓、加壓或負(fù)壓（真空）下操作。加壓操作的反應(yīng)器主要用于有氣體參與的反應(yīng)過(guò)程，提高操作壓力有利于加速氣相反應(yīng)，對(duì)于總摩爾數(shù)減小的氣相可逆反應(yīng)，則可提高平衡轉(zhuǎn)化率，如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度，故許多氣液反應(yīng)過(guò)程、氣液固相反應(yīng)過(guò)程采用加壓操作，以提高反應(yīng)速率，如對(duì)二甲苯氧化等。 反應(yīng)過(guò)程的基本特征決定了適宜的反應(yīng)器形式。例如氣固相反應(yīng)過(guò)程大致是用固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。但是適宜的選型則需考慮反應(yīng)的熱效應(yīng)、對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇率的要求、催化劑物理化學(xué)性態(tài)和失活等多種因素，甚至需要對(duì)不同的反應(yīng)器分別作出概念設(shè)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)的和經(jīng)濟(jì)的分析以后才能確定。 　　除反應(yīng)器的形式以外，反應(yīng)器的操作方式和加料方式也需考慮。例如，對(duì)于有串聯(lián)或平行副反應(yīng)的過(guò)程，分段進(jìn)料可能優(yōu)于一次進(jìn)料。溫度序列也是反應(yīng)器選型的一個(gè)重要因素。例如，對(duì)于放熱的可逆反應(yīng)，應(yīng)采用先高后低的溫度序列，多級(jí)、級(jí)間換熱式反應(yīng)器可使反應(yīng)器的溫度序列趨于合理。反應(yīng)器在過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。就全流程的建設(shè)投資和操作費(fèi)用而言，反應(yīng)器所占的比例未必很大。但其性能和操作的優(yōu)劣卻影響著前后處理及產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)原料消耗、能量消耗和產(chǎn)品成本也產(chǎn)生重要影響。因此，反應(yīng)器的研究和開(kāi)發(fā)工作對(duì)于發(fā)展各種過(guò)程工業(yè)有重要的意義。n8b紅軟基地

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