化学反应器结构、原理及特点

釜式反应器釜式反应器是各类反应器中结构较为简单且应用较广的一种反应器。它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。单釜多用于间歇生产，为了实现连续化生产，设多台串联反应釜。釜式反应器主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热系统四部分组成。1、换热系统常用有4种：夹套换热、内置换热管、釜顶冷凝器、外循环换热。需要注意的是，对于聚合颗粒易析出的反应，外循环容易结垢，需合理设计流速、管壁抛光。2、搅拌装置（1）桨式：平叶桨式：桨面与运动方向垂直，低速运转时，环向流动，转速提高径向流增大。折叶桨式：产生较大轴向流动，利于搅拌混合。（2）锚式（框式）：低速运行，低剪切，但循环能力强，不易产生死区(浆叶与釜壁隔隙小)。刮扫作用可防滞流层，利于传热，去除沉积物。高能耗。（3）推进式（螺旋桨式）：结构简单，以整体铸造叶轮最常见，适于液休粘度较低，液量较大的搅拌，湍流。需较小的搅拌功率通过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果。(低剪切、强循环、高速运行、低能耗)（4）涡轮式（透平搅拌）：应用较广泛，能处理粘度范围较宽液体。剪切力较大，使液体微团分散很细，适用于低、中等粘度液体的混合、液-液分散、液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。据桨叶叶片形状和位置，又有平直叶片弯曲叶片、倾斜叶片、圆盘平直叶片、圆盘弯叶、圆盘斜叶等。（5）螺杆式：当液体粘度大于10Pa.S时常采用。将螺距一定的螺旋叶片固定在轴上，常增设离壁挡板或导流筒，以提高搅拌强度,造成一定循环流型。（6）螺带式：适用于粘度较高场合(如达1000Pa.S以上)具体构形有单螺带、双螺带、四螺带、螺杆/螺带式等。二、管式反应器连续操作的长径比较大的管式反应器，可以近似看成是理想置换流动反应器（平推流反应器）。它既适用于液相反应，又适用于气相反应。优点：由于管径小，能承受较高的压力，用于加压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应参数连续变化、易于控制。缺点：但对于慢速反应，需要管子长，压降大。1、水平管式反应器由无缝钢管与U形管连接而成。优点：①易于加工制造；②方便检修；③耐压高。缺点：处理量小，占地大。2、立管式反应器、多管并联管式反应器立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯。3、盘管式反应器优点：设备紧凑，节省空间。缺点：检修和清刷管道比较困难。4、U形管式反应器U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。三、固定床反应器装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。1、固定床绝热式反应器床层同外界无热交换。按流体方向分轴向和径向固定床反应器。2、固定床列管式反应器由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。3、自换热式反应器反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。四、流化床反应器流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床典型床型与固定床反应器相比，流化床反应器的优点：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，而且易于控制，通过催化剂颗粒及时带走热量，特别适用于强放热反应；3、便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。缺点：①操作较复杂；②催化剂磨损大；③成本较高。五、塔式反应器用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。1、鼓泡塔反应器塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如，各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应，都采用这种鼓泡塔反应器。优点：鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。缺点：鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。2、填料塔反应器填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。3、板式塔反应器液体横向流过塔板经溢流堰溢流进入降液管，液体在降液管内释放夹带的气体，从降液管底隙流至下一层塔板。塔板下方的气体穿过塔板上气相通道，如筛孔、浮阀等，进入塔板上的液层鼓泡，气、液接触进行传质。气