反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及工作原理

　?、俟苁椒磻?yīng)器。由長徑比較大的空管或填充管構(gòu)成，可用于實(shí)現(xiàn)氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)。

　?、诟椒磻?yīng)器。由長徑比較小的圓筒形容器構(gòu)成，常裝有機(jī)械攪拌或氣流攪拌裝置，可用于液相單相反應(yīng)過程和液液相、氣液相、氣液固相等多相反應(yīng)過程。

　　用于氣液相反應(yīng)過程的稱為鼓泡攪拌釜（見鼓泡反應(yīng)器）；用于氣液固相反應(yīng)過程的稱為攪拌釜式漿態(tài)反應(yīng)器。

　?、塾泄腆w顆粒床層的反應(yīng)器。氣體或(和)液體通過固定的或運(yùn)動(dòng)的固體顆粒床層以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過程，包括固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、涓流床反應(yīng)器等。

　　④塔式反應(yīng)器。用于實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相反應(yīng)過程的塔式設(shè)備，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。

　　一、管式反應(yīng)器

　　一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。這種反應(yīng)器可以很長，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長以公里計(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)，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動(dòng)可近似地視為平推流。

　　1、水平管式反應(yīng)器

　　由無縫鋼管與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

　　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、盤管式反應(yīng)器

　　將管式反應(yīng)器做成盤管的形式，設(shè)備緊湊，節(jié)省空間。但檢修和清刷管道比較困難。

　　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)過程。U形管的直徑大，物料停留時(shí)間增長，可應(yīng)用于反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)。

　　圖片

　　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。

　　性能特點(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)所需管道過長，工業(yè)上不易實(shí)現(xiàn)。

　　二、釜式反應(yīng)器

　　釜式反應(yīng)器也稱槽式、鍋式反應(yīng)器，它是各類反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)用較廣的一種。主要應(yīng)用于液—液均相反應(yīng)過程，在氣—液、液—液非均相反應(yīng)過程中也有應(yīng)用。在化工生產(chǎn)中，既適用于間歇操作過程，又可單釜或多釜串聯(lián)用于連續(xù)操作過程，但在間歇生產(chǎn)過程應(yīng)用最多。

　　1、間歇釜

　　間歇釜式反應(yīng)器,或稱間歇釜。操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點(diǎn)是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應(yīng)過程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。

　　2、連續(xù)釜

　　連續(xù)釜式反應(yīng)器,或稱連續(xù)釜

　　3、釜式攪拌反應(yīng)器

　　釜式攪拌反應(yīng)器有立式容器中心攪拌、偏心攪拌、傾斜攪拌，臥式容器攪拌等類型。其中以立式容器中心攪拌反應(yīng)器是最典型的一種

　　常用攪拌器及流型示意

　　性能特點(diǎn)：

　　釜式反應(yīng)器具有適用的溫度和壓力范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大、連續(xù)操作時(shí)溫度濃度容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量均一等特點(diǎn)。但用在較高轉(zhuǎn)化率工藝要求時(shí)，需要較大容積。通常在操作條件比較緩和的情況下操作，如常壓、溫度較低且低于物料沸點(diǎn)時(shí)，應(yīng)用此類反應(yīng)器最為普遍。

　　三、固定床反應(yīng)器

　　又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右，堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動(dòng)，流體通過床層進(jìn)行反應(yīng)。它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。

　　固定床反應(yīng)器有三種基本形式：

　　1、軸向絕熱式固定床反應(yīng)器

　　流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。

　　2、徑向絕熱式固定床反應(yīng)器

　　流體沿徑向流過床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)，床層同外界無熱交換。徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動(dòng)的距離較短,流道截面積較大,流體的壓力降較小。但徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)雜。以上兩種形式都屬絕熱反應(yīng)器,適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大,或反應(yīng)系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應(yīng)熱效應(yīng)引起的溫度變化的場(chǎng)合。

　　3、列管式固定床反應(yīng)器

　　由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成。管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進(jìn)行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數(shù)可多達(dá)上萬根。列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。此外，尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應(yīng)器，稱為多級(jí)固定床反應(yīng)器。例如：當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)大或需分段控制溫度時(shí)，可將多個(gè)絕熱反應(yīng)器串聯(lián)成多級(jí)絕熱式固定床反應(yīng)器,反應(yīng)器之間設(shè)換熱器或補(bǔ)充物料以調(diào)節(jié)溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。

　　性能特點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　1、返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性。

　　2、催化劑機(jī)械損耗小。

　　3、結(jié)構(gòu)簡單。

　　缺點(diǎn)：

　　1、傳熱差，反應(yīng)放熱量很大時(shí)，即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫（反應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。

　　2、操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器中的催化劑不限于顆粒狀，網(wǎng)狀催化劑早已應(yīng)用于工業(yè)上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。

　　四、流化床反應(yīng)器

　　流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，又稱沸騰床反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）；但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應(yīng)器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。

　　性能特點(diǎn)：

　　與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1、可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；

　　2、流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；

　　3、便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。

　　然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對(duì)于反應(yīng)器來說，流化床又存在很明顯的局限性：

　　1、由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動(dòng)過程中的劇烈循環(huán)和攪動(dòng)，無論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；

　　2、反應(yīng)物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機(jī)會(huì)，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；

　　3、由于固體催化劑在流動(dòng)過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動(dòng)、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；

　　4、床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)驗(yàn)操作。

　　五、移動(dòng)床反應(yīng)器

　　一種用以實(shí)現(xiàn)氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入顆粒狀或塊狀固體反應(yīng)物或催化劑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固體物料逐漸下移，最后自底部連續(xù)卸出。流體則自下而上（或自上而下）通過固體床層，以進(jìn)行反應(yīng)。由于固體顆粒之間基本上沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但卻有固體顆粒層的下移運(yùn)動(dòng)，因此，也可將其看成是一種移動(dòng)的固定床反應(yīng)器。

　　魯奇爐

　　鋼鐵工業(yè)和城市煤氣工業(yè)發(fā)展之初，移動(dòng)床反應(yīng)器就曾被用于煤的氣化。1934年研制成功的移動(dòng)床加壓氣化器（魯奇爐），至今仍是的煤氣化裝置，其單臺(tái)日生產(chǎn)能力已達(dá)到1Mm以上。石油催化裂化發(fā)展初期，曾采用移動(dòng)床反應(yīng)器，但現(xiàn)已被流化床反應(yīng)器和提升管反應(yīng)器所取代。目前，應(yīng)用移動(dòng)床反應(yīng)器的重要化工生產(chǎn)過程有連續(xù)重整、二甲苯異構(gòu)化等催化反應(yīng)過程和連續(xù)法離子交換水處理過程。

　　三塔式移動(dòng)床工藝流程

　　移動(dòng)床反應(yīng)工藝流程

　　性能特點(diǎn)：

　　與固定床反應(yīng)器及流化床反應(yīng)器相比，移動(dòng)床反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變，返混較小（與固定床反應(yīng)器相近），對(duì)固體物料性狀以中等速度（以小時(shí)計(jì)）變化的反應(yīng)過程也能適用。與此相比，固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器分別僅適用于固體物料性狀變化很慢（以月計(jì)）和很快（以分、秒計(jì)）的反應(yīng)過程。移動(dòng)床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是控制固體顆粒的均勻下移比較困難。工業(yè)生產(chǎn)中有時(shí)采用模擬移動(dòng)床以避免上述缺點(diǎn)（見固定床傳質(zhì)設(shè)備）。

　　六、涓流床反應(yīng)器

　　又稱滴流床反應(yīng)器，是氣體和液體并流通過顆粒狀固體催化劑床層，以進(jìn)行氣液固相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器（見圖）。涓流床反應(yīng)器中催化劑以固定床的形式存在，故這種反應(yīng)器也可視為固定床反應(yīng)器的一種。為了有利于氣體在液體中的溶解，涓流床反應(yīng)器常在加壓下操作。石油煉制中的加氫裂化和加氫脫硫，是應(yīng)用大型涓流床反應(yīng)器的工業(yè)過程。涓流床反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中也有應(yīng)用，但規(guī)模較小，例如用于以三氧化鎢為催化劑，由丙烯水合制取異丙醇等。涓流床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)狀況，與填充塔略有不同，氣液兩相并流向下，不會(huì)發(fā)生液泛；催化劑微孔內(nèi)貯存一定量近于靜止的液體。涓流床反應(yīng)器通常采用多段絕熱式,在段間換熱或補(bǔ)充物料以調(diào)節(jié)溫度;每段頂部設(shè)置分布器使液流均布，以保證催化劑顆粒的充分潤濕。

　　性能特點(diǎn)：

　　與氣液固相反應(yīng)過程常用的漿態(tài)反應(yīng)器相比，涓流床反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　1、返混小，便于達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率；

　　2、液固比低，液相副反應(yīng)少；

　　3、避免了催比劑細(xì)粉的回收問題。缺點(diǎn)是：溫度控制比較困難；催化劑顆粒內(nèi)表面往往未能充分利用；反應(yīng)過程中催化劑不能連續(xù)排出再生。

　　七、塔式反應(yīng)器

　　塔式反應(yīng)器主要分為以下幾種：

　　1、鼓泡塔反應(yīng)器

　　鼓泡塔反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于液體相也參與反應(yīng)的中速、慢速反應(yīng)和放熱量大的反應(yīng)。例如，各種有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)、各種石蠟和芳烴的氯化反應(yīng)、各種生物化學(xué)反應(yīng)、污水處理曝氣氧化和氨水碳化生成固體碳酸氫銨等反應(yīng)，都采用這種鼓泡塔反應(yīng)器。

　　2、填料塔反應(yīng)器

　　填料塔反應(yīng)器是廣泛應(yīng)用于氣體吸收的設(shè)備，也可用作氣、液相反應(yīng)器，由于液體沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而與氣相接觸進(jìn)行反應(yīng)，故液相主體量較少。適用于瞬間反應(yīng)、快速和中速反應(yīng)過程。例如，催化熱堿吸收CO2、水吸收NOX形成硝酸、水吸收HCl生成鹽酸、吸收SO3生成硫酸等通常都使用填料塔反應(yīng)器。填料塔反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降小、易于適應(yīng)各種腐蝕介質(zhì)和不易造成溶液起泡的優(yōu)點(diǎn)。填料塔反應(yīng)器也有不少缺點(diǎn)。首先，它無法從塔體中直接移去熱量，當(dāng)反應(yīng)熱較高時(shí)，必須借助增加液體噴淋量以顯熱形式帶出熱量；其次，由于存在低潤濕率的問題，在很多情況下需采用自身循環(huán)才能保證填料的基本潤濕，但這種自身循環(huán)破壞了逆流的原則。盡管如此，填料塔反應(yīng)器還是氣液反應(yīng)和化學(xué)吸收的常用設(shè)備。特別是在常壓和低壓下，壓降成為主要矛盾時(shí)和反應(yīng)溶劑易于起泡時(shí)，采用填料塔反應(yīng)器尤為適合。

　　3、板式塔反應(yīng)器

　　板式塔反應(yīng)器的液體是連續(xù)相而氣體是分散相，借助于氣相通過塔板分散成小氣泡而與板上液體相接觸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。板式塔反應(yīng)器適用于快速及中速反應(yīng)。采用多板可以將軸向返混降低至最小程度，并且它可以在很小的液體流速下進(jìn)行操作，從而能在單塔中直接獲得*的液相轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，板式塔反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)系數(shù)較大，可以在板上安置冷卻或加熱元件，以適應(yīng)維持所需溫度的要求。但是板式塔反應(yīng)器具有氣相流動(dòng)壓降較大和傳質(zhì)表面較小等缺點(diǎn)。

　　4、噴淋塔反應(yīng)器

　　噴淋塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡單，液體以細(xì)小液滴的方式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相，具有相接觸面積大和氣相壓降小等優(yōu)點(diǎn)。適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)，也適用于生成固體的反應(yīng)。噴淋塔反應(yīng)器具有持液量小和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)過小，氣相和液相返混較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)。