第五章 反应设备的使用与维护

,第五章反应设备的使用与维护,用于完成化学和物理反应的设备称为反应设备，它是化工生产中普遍应用的典型工艺设备。反应设备结构形式多种多样，适用场合各不相同。,一、反应设备的作用,第一节反应设备的工作过程及类型,反应设备可分为化学反应器和生物反应器，前者是指在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。,化工生产的典型流程,对反应设备的要求,（4）制造容易，便于安装检修，易于操作调节，使用周期长。,（1）结构上要保证物料能均匀分布，有良好接触、充分混合的空间，无短路与死角现象，且压降小，以获得较高的反应速度，提高其生产能力。,（2）合理设置换热装置，使反应物在特定条件下能维持适宜的反应温度。,（3）反应设备的筒体材料有足够的机械强度、耐高温蠕变性能、抗腐蚀性能、良好加工性能和经济性等，保证设备经久耐用、安全可靠。,操作方式,均相气相,间歇操作,物料相态,传热情况,液相,反应器分类,结构特征,非均相气-液相,液-液相,气-固相,液-固相,气-液-固相,连续操作,半连续操作,绝热式,等温式,非等温非绝热式,搅拌釜式,管式,固定床,流化床,移动床,塔式,滴流床,二、反应设备的类型,反应器,机械搅拌式反应器（用于均相反应、也可用于多相；可用于连续、间歇操作；灵活性、可控范围大；设计成熟）,管式反应器（结构简单、制造方便；可用于连续、间歇操作）,固定床反应器（气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置）（包括轴向绝热式、径向绝热式和列管式）,其他：回转筒式反应器、喷嘴式反应器和鼓泡塔式反应器,流化床反应器（流体以较高的流速通过床层、带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置。传热面积大、系数高、效果好）,1搅拌器2罐体；3夹套；4搅拌轴；5压出管；6支座；7人孔；8轴封；9传动装置,立式容器中心搅拌反应器,立式容器中心搅拌反应器主要由搅拌罐、搅拌装置、传动装置、轴封装置组成。,搅拌罐包括罐体、传热装置及支座、人孔、工艺接管等附件，用于盛装反应物料和提供换热条件,搅拌装置包括搅拌轴、搅拌器及挡板、导流筒等搅拌附件,传动装置包括电动机、减速器、联轴器及机座等部件，用于提供搅拌物料所需的动力,轴封是保证工作时形成密封条件，阻止介质向外泄漏的部件,第二节反应器的结构及特点,一、釜式反应器,1、搅拌器,搅拌器作用,搅拌器是反应釜的关键部件，通过搅拌可使物料充分混合、加快反应速率、强化传质传热效果、促进化学反应的实现。由于操作条件各不相同，介质情况千差万别，搅拌器的结构型式多种多样。为确保搅拌器生产质量，降低制造成本，增加零部件互换性，搅拌器已标准化，可查阅HG/T3796.1-2005搅拌器型式及基本参数。,结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。,1）、桨式搅拌器,特点,桨式搅拌器,主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。,应用,2）、锚式搅拌器,应用,特点,结构简单。适用于粘度在100Pas以下的流体搅拌，当流体粘度在10100Pas时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。,锚式搅拌器,3）、推进式搅拌器,特点,搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。,粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液液系混合、使温度均匀,在低浓度固液系中防止淤泥沉降等。,应用,推进式搅拌器,涡轮式搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。,特点,应用,它有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合。,4）、涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器,挡板与导流筒,挡板（在容器内壁面均匀安装4块挡板，其宽度为容器直径的1/12-1/10。当再增加挡板数和挡板宽度，功率消耗不再增加时，称为全挡板条件。传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管时，一般不在安装挡板）,导流筒（导流筒是上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流筒作用。对于涡论式或桨叶式搅拌器，导流筒刚好置于桨叶上方。对于推进式搅拌器，导流筒套在桨叶外面。或略高于桨叶。通常上端都低于静液面，且同身上开孔或槽。）,2、轴封装置,（1）填料密封,轴封是指搅拌轴与顶盖之间的密封，是搅拌反应器的重要组成部分。由于搅拌轴是转动的，而顶盖是固定静止的，所以轴封是动密封。其作用是保证搅拌反应器内处于一定的正压或真空状态,防止反应物料逸出或杂质的渗入。搅拌反应釜常用的动密封有填料密封和机械密封。,软填料密封又叫压盖填料密封，俗称盘根。它是一种填塞环缝的压紧式密封，是世界上使用最早的一种密封装置，在中国已有上千年的历史。,填料密封基本结构,（2）机械密封,定义由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。,基本结构机械密封一般主要由四大部分组成：由静止环（静环）和旋转环（动环）组成的一对密封端面，该密封端面有时也称为摩擦副，是机械密封的核心；以弹性元件（或磁性元件）为主的补偿缓冲机构；辅助密封机构；使动环和轴一起旋转的传动机构。,1紧定螺钉；2弹簧座；3弹簧；4动环辅助密封圈；5动环；6静环；7静环辅助密封圈；8防转销,立式双端面小弹簧平衡式釜用机械密封,3、传热装置,搅拌反应器常用的传热装置有夹套传热和蛇管传热两种形式等。一般夹套传热结构应用更普遍，当反应器采用衬里结构或夹套传热不能满足要求时常采用蛇管传热方式。,夹套就是用焊接或法兰连接的方式在容器外侧装设各种形状的结构，使其与容器外壁形成密闭的空间，在此空间内通入载热体，加热或冷却容器内的物料，以维持物料的温度在预定的范围。夹套的主要结构型式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，,在釜体外侧，以焊接或法兰连接的形式装设各种外套，并与釜体表面形成密闭空间，依靠夹套内流过蒸汽或冷却水，来加热或冷却釜内物料。,玻璃夹套,整体夹套,（a）整体夹套（b）型钢夹套（c）半圆管夹套（d）折边蜂窝夹套（e）短管支撑式蜂窝夹套夹套主要结构型式,a,b,c,d,e,当传热面积较大，可用蛇管传热，其浸在物料中，热量损失小、传热效果好，同时可减小漩涡，强化搅拌程度。,蛇管结构,蛇管传热,管式反应器结构示意图,二、管式反应器,鼓泡塔反应器结构示意图1分布格板；2夹套；3气体分布器；4塔体；5挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8扩大段,三、塔式反应器,四、固定床反应器,结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应。,1.绝热床反应器,两个绝热层间加换热器在层间加换热盘管有多层传热用外加物料中间直接冷激用原料气中间冷激,多段绝热床：,2.换热式固定床反应器,按照换热介质不同，可分为外换热式和自身换热式。换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体（在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。,乙炔法合成氯乙烯反应器,列管式反应器优点：,传热较好，管内温度较易控制；返混小、选择性较高；只要增加管数，便可有把握地进行放大；对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物料来稀释催化剂适用原料成本高，副产物价值低以及分离不容易的情况。,3.自热式反应器,反应前后的物料在床层中自行进行换热的反应器为自热式反应器。,自热式反应器示意图,五、流化床反应器,按固体颗粒是否在系统内循环分（1）单器流化床（2）双器流化床按床层的外型分(1)圆筒形(2)圆锥形按床层中是否置有内部构件分(1)自由床(2)限制床按反应器内层数的多少分(1)单层(2)多层,1、流化床反应器类型,2、工业生产中常见流化床反应器形式