聚合釜

聚合釜

在这里,我想介绍一下常用的反应堆设备,主要包括以下几类:

(1)管式反应器。它由大长度大直径的空管或填充管组成,可用于实现气相反应和液相反应。

②釜式反应器。它由长度和直径相对较小的圆柱形容器组成,常配有机械搅拌装置或气流搅拌装置,可用于液相单相反应过程和液-液、气-液、气-液-固多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜(见鼓泡反应器);用于气-液-固三相反应过程的称为搅拌槽浆态反应器。

③带有固体颗粒床的反应器。气体或(和)液体通过固体颗粒的固定床或移动床实现多相反应过程,包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器等。

④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔设备,包括填料塔、板式塔、鼓泡塔等。(见彩图)。

一、管式反应器

一种大长径比管式连续操作反应器。这种反应器可以很长,例如丙烯二聚反应的反应器管的长度是千米。反应器的结构可以是单管或多管并联;它可以是空管,例如管式裂解炉,或者填充有用于多相催化反应的颗粒催化剂的填充管,例如管式固定床反应器。一般当反应物流处于湍流状态时,管的长径比空大于50;当填充长度与颗粒尺寸之比大于100(气体)或200(液体)时,物料的流动可近似视为活塞流。

分类:

1.卧式管式反应器

它由无缝钢管和U形管连接而成。这种结构易于制造和维修。高压反应管线的连接采用标准坡口对焊钢法兰,能承受1600-10000kPa的压力。如果采用镜面钢法兰,压力可达10000-20000kPa。

2.立式管式反应器

立式管式反应器用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等过程。

3.线圈电抗器

管式反应器做成盘管,设备紧凑,节省空空间。然而,修复和清洗管道是困难的。

4.u型管式反应器

在U形管式反应器的管内设置多孔挡板或搅拌装置,以强化传热传质过程。U形管直径大,物料停留时间增加,可应用于反应速率较慢的反应。

5.多管平行管式反应器

气固相反应一般采用多管并联结构的管式反应器,如气态氯化氢和乙炔在多管并联反应器中用固相催化剂反应生成氯乙烯,气态氮和氢气混合物在多管并联反应器中用固相铁催化剂合成氨。

性能特征:

1.由于反应物的分子在反应器中停留的时间相同,所以反应器中任意一点的反应物浓度和化学反应速度都不随时间变化,而只随管的长度变化。

2.管式反应器体积小,比表面积大,单位体积传热面积大,特别适用于热效应大的反应。

3.由于管式反应器中反应物的反应速度和流速快,其生产能力高。

4.管式反应器适用于大规模和连续的化学生产。

5.与釜式反应器相比,返混较小,管内流体流型在低流速下接近理想流体。

6.管式反应器适用于液相和气相反应。它特别适用于加压反应。

此外,管式反应器可以实现分段控温。它的主要缺点是在反应速率很低时所需管道太长,工业上不容易实现。

二、釜式反应器

釜式反应器又称罐式反应器和罐式反应器,是结构简单、应用广泛的反应器之一。主要用于液-液均相反应过程,也用于气-液和液-液非均相反应过程。在化工生产中,不仅适用于间歇操作过程,也可用于单釜或多釜串联的连续操作过程,但在间歇生产过程中使用最多。

1.间歇釜

分批反应器,或分批反应器。操作灵活,易于适应不同的操作条件和产品品种,适合小批量、多品种、反应时间长的产品生产。间歇反应器的缺点是需要装卸料等辅助操作,产品质量不稳定。但在一些反应过程中,如一些发酵反应和聚合反应,仍然难以实现连续生产,至今仍使用间歇式反应器。

2、连续釜

连续釜反应器,或连续釜。

3、釜式搅拌反应器

搅拌釜反应器有三种类型:立式容器中心搅拌、偏心搅拌、倾斜搅拌和卧式容器搅拌。其中,立式容器中心搅拌反应器是最典型的一种。

常用搅拌器及流型示意图

性能特征:

该釜式反应器具有适用温度和压力范围广、适应性强、操作弹性大、连续操作时温度集中容易控制、产品质量均匀的特点。但是,当它用于更高的转换过程要求时,它需要更大的体积。通常在温和的操作条件下操作,如常压、低温、低于物料的沸点,这类反应器最常用。

三、固定床反应器

也称填充床反应器,一种装有固体催化剂或固体反应物以实现多相反应过程的反应器。固体通常呈颗粒状,粒径约2 ~ 15 mm,堆积成一定高度(或厚度)的床层。床是静止的,流体通过床反应。它不同于流化床反应器和移动床反应器,因为固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固催化反应,如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。当用于气-固相或液-固相非催化反应时,床中充满固体反应物。滴流床反应器也可以属于固定床反应器,气体和液体平行向下流经床层,表现为气-液-固接触。

有三种基本类型的固定床反应器:

1.轴向绝热固定床反应器

流体沿轴向自上而下流过床层,床层与外界没有热交换。

2.径向绝热固定床反应器

流体沿径向流过床层,可以是离心的,也可以是向心的,床层与外界没有热交换。与轴向反应器相比,径向反应器的流体流动距离更短,流道截面积更大,流体压降更小。但是径向反应器的结构比轴向反应器复杂。以上两种形式都是绝热反应器,适用于反应热效应不大,或者反应体系在绝热条件下能够承受反应热效应引起的温度变化的情况。

3.管式固定床反应器

由多个并联的反应管组成。催化剂置于管内或管间,热载体流经管内或管间进行加热或冷却。管径一般在25-50mm之间,管数可达数万根。管式固定床反应器适用于热效应大的反应。此外,还有由上述基本形式串联组成的反应器,称为多级固定床反应器。例如,当反应热效应较大或需要分段控制温度时,可以将多个绝热反应器串联起来组成多级绝热固定床反应器,在反应器之间设置换热器或辅助物料来调节温度,使其在接近最佳温度的条件下运行。

性能特征:

优势:

1、返混小,流体能与催化剂有效接触,在反应伴随一系列副反应时能获得较高的选择性。

2、催化剂的机械损失小。

3、结构简单。

缺点:

1.当传热差,反应放热量大时,即使是管式反应器也可能出现飞温(反应温度失控,急剧上升,超过允许范围)。

2.在操作过程中,催化剂无法更换,需要频繁再生催化剂的反应一般不适合使用,常采用流化床反应器或移动床反应器进行更换。固定床反应器中的催化剂不限于粒状,网状催化剂在工业上已经使用了很长时间。目前,蜂窝状和纤维状催化剂也得到了广泛的应用。

四、流化床反应器

流化床反应器是利用气体或液体穿过粒状固体层,使固体颗粒处于悬浮状态,进行气固相反应或液固相反应的一种反应器。用于气固系统时,又称为沸腾床反应器。流化床反应器在现代工业中的早期应用是20世纪20年代出现的粉煤气化文克勒炉。然而,现代流化反应技术的发展是以20世纪40年代的石油催化裂化为代表的。目前,流化床反应器已广泛应用于化工、石油、冶金、核工业等部门。

性能特征:

与固定床反应器相比,流化床反应器具有以下优点:

1.可以实现固体物料的连续输入和输出;

2.流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能,床层内部温度均匀,易于控制,特别适用于强放热反应;

3.便于催化剂的连续再生和循环操作,适用于催化剂失活率高的工艺。石油馏分催化流化床裂化的迅速发展是这方面的一个典型例子。

然而,由于流态化技术的固有特点和流态化过程中影响因素的多样性,流化床对于反应器有明显的局限性:

1.由于连续流动过程中固体颗粒和气泡的剧烈循环和搅拌,气相和固相均存在较宽的停留时间分布,导致产品分布不合适,降低目标产品的收率;

2.反应物以气泡形式通过床层,减少了气固两相的接触机会,降低了反应转化率;

3.由于固体催化剂在流动过程中的剧烈冲击和摩擦,加速了催化剂的粉化,床层顶部的气泡发生爆裂并高速运动,带出大量细小的催化剂,造成明显的催化剂流失;

4.床内复杂的流体力学和传递现象使该过程处于非稳态条件下,难以揭示其统一规律,也难以脱离经验放大和操作。

五、移动床反应器

一种实现气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。粒状或块状固体反应物或催化剂被连续添加到反应器的顶部。随着反应的进行,固体物料逐渐下移,最后不断从底部排出。流体自下而上(或自上而下)通过固体床进行反应。因为固体颗粒之间基本没有相对运动,但固体颗粒层有向下运动,所以也可以看作是移动固定床反应器。

鲁奇炉

在钢铁工业和城市煤气工业发展初期,移动床反应器用于煤气化。1934年研制成功的移动床加压气化炉(鲁奇炉)至今仍是最大的煤气化装置,日产能达到1毫米以上,石油催化裂化早期使用移动床反应器,现已被流化床反应器和提升管反应器取代。目前,使用移动床反应器的重要化工生产过程包括连续重整和二甲苯异构化等催化反应过程,以及连续离子交换水处理过程。

三塔移动床工艺流程图

移动床反应过程

性能特征:

与固定床反应器和流化床反应器相比,移动床反应器的主要优点是固体和流体的停留时间可在较宽范围内变化,返混小(与固定床反应器相似),还可应用于固体物料性质中速(以小时为单位)变化的反应过程。相比之下,固定床反应器和流化床反应器只适用于固体物料性质变化较慢(以月计)和较快(以分、秒计)的反应过程。移动床反应器的缺点是难以控制固体颗粒的均匀向下运动。模拟移动床有时用于工业生产中,以避免上述缺点(见固定床传质设备)。

六、涓流床反应器

又称滴流床反应器,是气体和液体平行流过颗粒状固体催化剂床层进行气液固相反应的反应器(见图)。滴流床反应器中的催化剂是以固定床的形式存在的,所以这种反应器也可以看作是一种固定床反应器。为了促进气体在液体中的溶解,滴流床反应器通常在压力下操作。石油精炼中的加氢裂化和加氢脱硫是使用大型滴流床反应器的工业过程。滴流床反应器在化工生产中也有应用,但规模较小,如用于三氧化钨催化丙烯水合制异丙醇。滴流床反应器中的流体流动与填料塔略有不同,气体和液体平行向下流动,因此不会发生液泛。一定量的几乎静止的液体储存在催化剂的微孔中。滴流床反应器通常采用多级绝热式,通过级间换热或补料来调节温度;每段顶部设有分布器,使液流均匀分布,以保证催化剂颗粒的充分润湿。

性能特征:

与气-液-固反应过程中常用的浆态反应器相比,滴流床反应器具有以下主要优点:

1、返混小,便于达到较高的转化率;

2、液固比低,液相副反应少;

3、避免了催化剂细粉的回收问题。缺点是:温度控制困难;催化剂颗粒的内表面通常没有被充分利用;在反应过程中,催化剂不能连续排出进行再生。

七、塔式反应器

塔式反应器主要分为以下几类:

1、鼓泡塔反应器

鼓泡塔反应器广泛应用于中速和慢速反应以及放热较大的反应。例如,这种鼓泡塔反应器用于各种有机化合物的氧化,各种石蜡和芳烃的氯化,各种生化反应,污水处理的曝气氧化和氨水的碳酸化生产固体碳酸氢铵。

2.填充塔式反应器

填料塔反应器广泛应用于气体吸收设备中,也可用作气相和液相反应器。由于液体沿填料表面向下流动,在填料表面形成液膜并与气相反应,所以液相的主要量较少。适用于瞬时反应、快速和中速反应过程。例如,填充塔式反应器通常用于催化热碱吸收CO2,水吸收NOX形成硝酸,水吸收HCl形成盐酸,SO3形成硫酸。填料塔反应器具有结构简单、压降小、易适应各种腐蚀性介质、溶液不易起泡等优点。填充塔式反应器也有许多缺点。首先,它不能直接从塔上散热。当反应热较高时,必须通过增加喷液量以显热的形式带出。其次,由于润湿率最低的问题,很多情况下需要自循环来保证填料的基本润湿,但这种自循环破坏了逆流的原理。尽管如此,填料塔反应器是气液反应和化学吸收的常用设备。特别是在常压和低压下,当压降成为主要矛盾,反应溶剂易起泡时,填料塔反应器尤为适用。

3.板式塔式反应器

板式塔反应器中的液体是连续相,气体是分散相。借助通过塔盘分散成小气泡的气体,与板上的液体接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速和中速反应。采用多块塔板可将轴向返混降至最低,并可在很小的液体流量下操作,从而在单塔中直接获得很高的液相转化率。同时,板式塔反应器的气液传质系数大,可以在板上放置冷却或加热元件,以满足维持所需温度的要求。但板式塔反应器存在气相流动压降大、传质表面积小的缺点。

4.喷雾塔式反应器

喷雾塔反应器结构比较简单,液体以细小液滴的形式分散在气体中,气体为连续相,液体为分散相,具有相接触面积大,气相压降小的优点。它适用于即时、界面和快速反应,也适用于生成固体的反应。喷雾塔反应器的缺点是持液量小,液侧传质系数太小,气液返混严重。

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