图7-3 釜式反应器的换热装置
7.3.1.2釜式反应器的特点及应用
釜式反应器主要应用于液-液均相反应过程，在气-液、液-液非均相反应过程也 有应用，操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一。在化工生产中，既可适 用于间歇操作过程，又可用于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联使用； 但若应用在需要较高转化率的工艺要求时，有需要较大容积的缺点。通常在操 作条件比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于物料沸点时，釜式反应器 的应用最为普遍。
3、密封装置
静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置，简称轴封，以防 止釜内物料泄漏。 轴封装置主要有填料密封和机械密封两种，都已标准化，可根据需要直接选用。 填料密封结构简单，填料装卸方便，但使用寿命较短，难免微量泄漏。当轴颈 处圆周速度在 5m/s 以上即不能使用，密封压力稍高时也不宜采用。机械密封结 构较复杂，造价高，但密封效果甚佳，泄漏量少，使用寿命长，磨擦功耗小。 此外还可用新型密封胶密封等。
7.3.3 固定床反应器
7.3.3.1固定床反应器的结构
7.3.3.2固定床反应器的特点及工业应用
7.3.3.1固定床反应器的结构
1、绝热式固定床反应器
2、换热式固定床反应器
1、绝热式固定床反应器
绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。 轴向反应器一般为空心的圆筒体，在器内下部装有栅板，催化剂均匀堆置其上形成床层；物料进口处 有保证气流均匀分布的气体分布器，预热到一定温度的反应气体自上而下通过床层进行反应，如图 7-5 所示。这种反应器结构简单，反应器体积利用率高，但由于在反应过程反应物系与外界无热量交换， 故只适用于反应热效应较小、反应温度允许范围较宽的反应过程。 当反应热效应较大时，这样简单的反应器构型未必可行，温度的变化会影响到反应的进行，对反应物 进行稀释以降低绝热温升，是解决问题的一种方法，但它是以降低反应器生产能力为代价的；更常用 的方法是把催化剂层分为若干段，在段间进行热交换，使反应物流在进入下一段床层前升高或降低到 合适的温度，如图 7-6（a）(b)所示；也可采用掺入冷（或热）反应物（或某种热载体）的方式，通常 称为冷激，如图 7-6（c）(d)所示，冷激式反应器结构简单，但冷激物料为反应物时，会降低反应的推 动力。为了结构简单，便于操作，工业多段绝热式固定床反应器的段数一般不超过 5。
2、换热式固定床反应器
为了维持适宜的温度条件，需要用换热介质来移走或供给热量。根据换热介质 的不同，可分为对外换热式反应器和自身换热式反应器。 对外换热式反应器是以各种热载体为换热介质，在化工生产中应用最多的是换 热条件较好的列管式固定床反应器。这种反应器由多根管子并联组成，通常在 管内充填催化剂，管间通热载体（在用高压水或高压蒸汽作热载体时，把催化 剂放在管间，管内走反应气体） ，原料气体自上而下通过催化剂床层进行反应， 反应热则由床层通过管壁与管外的热载体进行热交换，如图 7-8 所示。 列管式反应器的管子由导热系数较大的金属材料制成。管径的选择和反应热效 应有关，为使床层径向温度分布均匀，一般取 25~50mm 为宜，热效应愈大选用 管径愈小。根据生产规模，列管数可为数百根到数千根，甚至达到万根以上。
7.2 化学反应器分为间歇操作，连续操作，半间歇（连续）操作。 间歇操作是一次加入反应物料，在一定条件下，经过一定的反应时间，达到规定的转化率时取出产物 的过程，其特点是在反应过程中，物料浓度随时间变化，是不稳定的生产过程，它通常为实验室及产 量较小的一些情况下采用，还能用一个反应器生产多个品种或牌号的产品。 半间歇操作是指反应器中的物料有一些是分批加入或取出的，而另一些则是连续地通过的，或者用蒸 馏的方法连续移走部分产品的生产过程。半间歇操作也是一个不稳定过程。 连续操作是连续加入反应物和取出产物，是一个稳定过程，一般用于产品品种比较单一而产量较大的 场合。 4、按温度条件和传热方式分类 每一个化学反应都涉及有反应热，而化学反应对温度的变化相当敏感，所以传热方式和温度控制是反 应器设计和操作中的重要问题。 根据温度条件反应器可分为等温和非等温两类，根据传热方式又可分为绝热式，外热式，自热式三大 类。
2、搅拌器
涡轮搅拌器由一个或数个装置在直轴上的涡轮所构成。其操作形式类似于离心泵的翼轮， 当涡轮旋转时，液体经由中心沿轴被吸入，在离心力作用下，沿叶轮间通道，由中心甩向 涡轮边缘，并沿切线方向以高速甩出，而造成剧烈的搅拌。这种搅拌器最适用于大量液体 的连续搅拌操作，除稠厚的浆糊状物料外，几乎可应用于任何情况。随着生产能力的提高 和连续化操作的发展，其应用范畴必将日益广泛。这种搅拌器的缺点是生产成本较高。 在工业上可根据物料的性质、要求的物料混合程度以及考虑能耗等因素选择适宜的搅拌 器。在一般情况下，对低粘性均相液体混合，可选用任何形式的搅拌器；对非均相液体分 散混合，选用旋桨式、涡轮式搅拌器为好；在有固体悬浮物存在，固液密度差较大时，选 用涡轮式搅拌器， 固液密度差较小时， 选用桨式搅拌器； 对于物料粘稠性很大的液体混合， 可选用锚式搅拌器。对需要更大搅拌强度或需使被搅拌液体作上、下翻腾运动的情况，可 根据需要在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。
第七章 化学反应器
7.1 化学反应器及要求
• 用于化学反应的设备称为化学反应器。 • 在任何一个有化学变化发生的化工生产过程中，就规模和 外形来看，化学反应器有可能是那些最不引人注目的设备 之一，但它是工厂的核心。
• 在一般情况下，工业上的化学反应不可能全部完成，也不 可能只生成一种产物，一个好的反应器不仅要能够充分有 效地利用原料，减轻分离设备的负荷，降低生产过程中的 能耗，而且应尽可能抑制副反应的发生，提高目的产物的 收率，并且能够为操作控制提供方便。综合的说反应器必 须满足传热、传质、优质、高产、安全、低耗、易控制等 多种要求。
7.3.2 管式反应器
由于管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程，具有容积小，易于控制等 优点；能承受较高的压力，故用于加压反应尤为合适；但对于慢速反应，则有 需要管子长，压降较大等不足。随着化工生产越来越趋于大型化、连续化、自 动化。连续操作的管式反应器在生产中使用越来越多，就是某些传统上一直使 用间歇搅拌釜的高分子聚合反应，目前也开始改用连续操作的管式反应器。
2、搅拌器
当框式搅拌器的底部形状做成适应釜底形状时，就成为锚式搅拌器。锚式搅拌器转动时几 乎触及釜体的内壁，可及时刮除壁面沉积物，有利于传热。此种搅拌器适用于粘稠物料的 搅拌，转速可为 15~80r/min。 以上三种搅拌器均属于低速搅拌器，具有结构简单，制造方便的特点。 旋桨式搅拌器系用 2~3 片推进式桨叶装于转轴上而成。由于转轴的高速旋转，桨叶将液体 搅动使之沿器壁和中心流动，在上下之间形成激烈的循环运动，若将旋桨装在圆形导流筒 中，循环运动可更加强。这种搅拌器广泛应用于较低粘度的液体搅拌，也可用来制备乳浊 液和颗粒在 10%以下的悬浮液。 操作时所用的转速为 400~500 转/分， 对于粘度≥0.5Pa· S 液体，其转速应在 400r/min 以下，当搅拌粘性液体以及含有悬浮物或可形成泡沫的液体 时，其转速应在 150～400r/min 之间。旋桨式搅拌器具有结构简单、制造方便、可在较小 的功率消耗下得到高速旋转的优点，但在搅拌粘度达 0.4Pa·S 以上的液体时，搅拌效率 不高。
7.2 化学反应器分类
1、根据物料的聚集状态分类 化学反应器可分为均相反应器和非均相反应器两大类，均相反应器中只有一相 存在，通常不是气相就是单一的液相，如果含有二种以上反应物，就必须采取 措施把它们相互混合为一均匀的整体，非均相反应器又可分为气-液、气-固、液 -液、液 -固以及气-液-固等五种。 2、 根据反应器结构型式分类 化学反应器可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床等类型，表 7-1 列出了一 般反应器的型式与特性。
2、搅拌器
釜式反应器安设搅拌器的作用是加强物料的均匀混合，强化釜内的传热和传质 过程。常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、旋桨式、涡轮式，还有螺带式、电 磁式、超声波式等，如图 7-2 所示。 桨式搅拌器结构比较简单，桨叶呈长条形，桨叶安装型式分为平直叶和折叶两 种，平直叶的叶面与旋转方向垂直，主要使物料产生圆周运动；折叶的叶面与 旋转方向倾斜一个角度，除了使物料产生圆周运动外，还能使物料上下翻动， 起到充分搅拌作用。桨叶总长可取为釜体内径的 1/3 ~ 2/3，不宜过长，转速可为 20~80r/min，物料液层较深时可采用二层或三层桨叶。 框式搅拌器是由桨式搅拌器演变而成，两层水平桨用垂直桨叶联成刚性框子， 结构牢固，可较好的搅拌液体。框的宽度可取釜内径的 0.9~0.98 倍，可以防止 物料附在釜壁上。转速较低，一般都小于 100r/min。
1、釜式反应器的壳体结构
视镜主要是为了观察设备内部的物料反应情况，也可作物料液面指示。有比较宽阔的视察 范围为其结构确定原则。 工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置。进料管或加料管应做成不 使料液的液沫溅到釜壁上的形状， 以避免由于料液沿反应釜内壁向下流动而引起釜壁局部 腐蚀。 物料在反应过程中，压力有可能增高，这将使操作条件发生变化 ，并影响反应器的安全， 则需设置安全装置。一般装设安全阀。 釜式反应器的所有人孔、手孔、视镜、安全阀和工艺接管口，除出料管口外，一律都开在 顶盖上。 釜式反应器壳体所用材料，一般皆为碳钢，根据需要，可在与反应物料接触部分衬有不锈 钢、铅、橡胶、玻璃钢或搪瓷，个别情况也有衬贵重金属的如银等，也可直接用铜、不锈 钢制造的反应釜。
1、绝热式固定床反应器
径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆筒构成的环隙 中，流体沿径向通过催化剂床层，可采用离心流动或向心流动，中心管和床层 环隙中流体的流向可以相同，也可以相反。图 7-7 径向反应器。径向反应器可 以采用较细小的催化剂颗粒而压降不大，提高了催化剂的有效系数，但保证装 置中气体分布的均匀是很重要的问题。
7.3.2 管式反应器
管式反应器，由单根（直管或盘管）连续或多根平行排列的管子组成，一般设 有套管或壳管式换热装置。操作时，物料自一端连续加入，在管中连续反应， 从另一端连续流出，便达到了要求的转化率。管式反应器与釜式反应器相比在 结构上差异较大，主要有直管式、盘管式、多管式等，如图 7-4 所示。 单管（直管或盘管）式是最简单的一种反应器，因其传热面积较小，则一般仅 适用于热效应较小的反应过程，如环氧乙烷水解制乙二醇和乙烯高压聚合制聚 乙烯等；多管式反应器的传热面积较大，可适用于热效应较大的均相反应过程。 多管式反应器的反应管内还可充填固体颗粒，以提高流体湍动或促进非均一流 体相的良好接触，并可用来贮存热量使用反应器温度能够更好的控制,也适用于 非均相反应过程。