【正文】 第五章 反應(yīng)設(shè)備的使用與維護(hù) 第一節(jié) 反應(yīng)設(shè)備的工作過程及類型 ? 一、反應(yīng)設(shè)備的工作過程及作用 ? 煉油、化工生產(chǎn)過程中，在反應(yīng)器中進(jìn)行的不僅僅是單純的化學(xué)反應(yīng)過程，同時(shí)還存在著流體流動(dòng)、物料傳熱、傳質(zhì)等物理傳遞過程。化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理、步驟和速率是根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的規(guī)律進(jìn)行的。如對(duì)于氣一液反應(yīng)，反應(yīng)速度除與溫度和濃度有關(guān)外，還與相界面的大小和相間的擴(kuò)散速度有關(guān)。對(duì)于氣一固催化反應(yīng)，不論在什么條件下進(jìn)行，氣相組分都必須先擴(kuò)散到固體催化劑的表面上，再在催化劑表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由于化學(xué)反應(yīng)時(shí)原料的種類很多，反應(yīng)過程也很復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的要求也各不相同，因而，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型多種多樣，尺寸大小不一，操作方式和操作條件也各不相同。如間歇式操作的反應(yīng)器，原料是一次性加入的；而連續(xù)式操作的反應(yīng)器，原料是連續(xù)加入的。不同結(jié)構(gòu)型式和尺寸的反應(yīng)器及不同的操作條件和方式，必將影響流體的流動(dòng)狀態(tài)和物料的傳熱、傳質(zhì)等傳遞過程。因此反應(yīng)器的工作過程就是以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的反應(yīng)過程和以熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞為基本內(nèi)容的傳遞過程同時(shí)進(jìn)行、相互作用、相互影響的復(fù)雜過程。 ?因此反應(yīng)器的工作過程就是以化學(xué)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的反應(yīng)過程和以熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞為基本內(nèi)容的傳遞過程同時(shí)進(jìn)行、相互作用、相互影響的復(fù)雜過程。 ?用于完成化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備稱為 反應(yīng)設(shè)備 (也稱反應(yīng)器 )。 ?反應(yīng)設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵性設(shè)備。一般情況下，工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)是不可能全部完成的，也不可能只生成一種產(chǎn)物。但是，人們總是希望盡可能抑制副反應(yīng)發(fā)生，努力提高目的產(chǎn)物的收率，充分有效地利用原料，減輕分離設(shè)備的負(fù)荷，降低生產(chǎn)過程的能量消耗。 ?一個(gè)好的反應(yīng)設(shè)備不僅能夠滿足這些要求，而且操作控制方便、具有較大的生產(chǎn)能力。反應(yīng)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的過程不僅具有化學(xué)反應(yīng)的特征，而且具有傳遞過程的特征。只有綜合考慮化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等諸多因素，才能做到反應(yīng)設(shè)備的正確選型、合理設(shè)計(jì)、有效使用和最佳控制。本章主要．介紹反應(yīng)設(shè)備的 類型、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及操作等內(nèi)容。 二、反應(yīng)設(shè)備的類型 ?在煉油、化工生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)的種類很多，操作條件差異很大，物料的聚集狀態(tài)也各不相同，使用反應(yīng)器的種類也是多種多樣。 ? 1． 根據(jù)物料的聚集狀態(tài)分類 根據(jù)物料的聚集狀態(tài)可把反應(yīng)器分為 均相和非均相 兩種。前者又可分為氣相反應(yīng)器和液相反應(yīng)器，反應(yīng)物料均勻地混合或溶解成為單一的氣相或液相。非均相反應(yīng)器又可分為氣一液、氣一固、液一液、液一固以及氣一液一固等五種，化工生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣一固和氣一液兩種，如乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷采用氣一固相反應(yīng)器，苯烴化制乙苯采用氣一液相反應(yīng)器。 ?反應(yīng)器按聚集狀態(tài)分類，其實(shí)質(zhì)是按宏觀動(dòng)力學(xué)特征分類。同樣聚集狀態(tài)的反應(yīng)有著相同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，如均相反應(yīng)的共同規(guī)律和特征是無相界面，反應(yīng)速度只與溫度和濃度等有關(guān)，而非均相反應(yīng)的共同規(guī)律和特征是有相界面，反應(yīng)速度不僅與溫度和濃度有關(guān)，而且還與相界面大小和相間擴(kuò)散速度有關(guān)。故以聚集狀態(tài)分類可以闡明各種相態(tài)反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。 2．根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式分類 ? 根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式的特征，可以分為 釜式、管式、塔式、固定床和流化床反應(yīng)器等 。 ?釜式、管式反應(yīng)器大多用于均相反應(yīng)過程，塔式、固定床和流化床反應(yīng)器大多用于非均相反應(yīng)過程。 ?反應(yīng)器按結(jié)構(gòu)型式分類，其實(shí)質(zhì)是按傳遞過程的特性分類。同類結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器內(nèi)，物料往往具有相同的流動(dòng)、混合、傳熱和傳質(zhì)等特性，可以用同類傳遞過程的統(tǒng)一規(guī)律加以描述。 ?反應(yīng)器的主要作用 是提供反應(yīng)場(chǎng)所，并維持一定的反應(yīng)條件，使化學(xué)反應(yīng)過程按預(yù)定的方向進(jìn)行，得到合格的反應(yīng)產(chǎn)物。 ?一個(gè)設(shè)計(jì)合理、性能良好的反應(yīng)器，應(yīng)能滿足如下幾方面的要求。 ? (1)滿足化學(xué)動(dòng)力學(xué)和傳遞過程的要求，做到反應(yīng)速度快、選擇性好、轉(zhuǎn)化率高、目的產(chǎn)品多、副產(chǎn)物少。 ?(2)能及時(shí)有效地輸入或輸出熱量，維持系統(tǒng)的熱量平衡，使反應(yīng)過程在適宜的溫度下進(jìn)行。 ?(3)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕能力，滿足反應(yīng)過程對(duì)壓力的要求，保證設(shè)備經(jīng)久耐用，生產(chǎn)安全可靠 . ?(4)制造容易，安裝、檢修方便，操作調(diào)節(jié)靈活，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。 3．根據(jù)操作方法分類 ?操作方法分為間歇式 (或稱為分批式 )、半間歇式 (或稱為半連續(xù)式 )和連續(xù)式三種 。 ? 間歇式操作 是一次加入反應(yīng)物料，在一定的反應(yīng)條件下，經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率時(shí)，取出全部產(chǎn)物的生產(chǎn)過程。其特點(diǎn)是在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度均隨時(shí)間變化，是不穩(wěn)定過程。由于存在著加料、出料和清洗等非生產(chǎn)時(shí)間，因而設(shè)備利用率不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，只適用于小批量、多品種生產(chǎn)，在染料及制藥工業(yè)中廣泛采用這種操作。 ? ?半間歇操作 是指一些物料分批加入、而另一些物料連續(xù)加入的生產(chǎn)過程，或者是一批加入物料用蒸餾的方法連續(xù)移走部分產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。半間歇操作也是一個(gè)不穩(wěn)定過程。 ?連續(xù)操作 是連續(xù)加入反應(yīng)物和取出產(chǎn)物，反應(yīng)器內(nèi)溫度和濃度均不隨時(shí)間變化而變化，是一個(gè)穩(wěn)定過程。連續(xù)操作設(shè)備利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于自動(dòng)控制，適用丁大規(guī)模生產(chǎn)。煉油、化工生產(chǎn)中大多數(shù)采用連續(xù)操作。 4．根據(jù)溫度條件和傳熱方式分類 ?根據(jù)溫度條件反應(yīng)器可分為 等溫和非等溫 兩種，根據(jù)傳熱方式又可分為絕熱式、外熱式和自熱式。 由于化學(xué)反應(yīng)對(duì) 溫度 變化有相當(dāng)大的敏感性，所以傳熱方式和溫度控制是反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作中的重要問題。 ? 對(duì)于等溫反應(yīng)器，只需要考慮濃度變化的影響。但在工業(yè)生產(chǎn)中維持等溫條件是相當(dāng)困難的，因此只適用于熱效應(yīng)不大，或能及時(shí)輸入或輸出熱量能夠保證等溫條件的反應(yīng)過程，其他過程一般采用非等溫式反應(yīng)器，非等溫式反應(yīng)器因換熱方式不同也有不同的型式。 ?反應(yīng)設(shè)備的類型很多，其構(gòu)造和適用條件也各不相同。一個(gè)反應(yīng)過程在工業(yè)生產(chǎn)中究竟采用哪種類型的反應(yīng)器，并無嚴(yán)格的規(guī)定，應(yīng)以滿足工藝要求為主，綜合考慮各種因素，以減少能量消耗、增加經(jīng)濟(jì)效益為原則而確定。 第二節(jié) 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) ?一、釜式反應(yīng)器 ?釜式反應(yīng)器又稱槽型反應(yīng)器，它是各類反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且應(yīng)用較廣的一種，主要應(yīng)用于液一液均相反應(yīng)過程，在氣一液、液一液非均相反應(yīng)過程中也有應(yīng)用。在化上生產(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。 ?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。 ? 釜式反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)見圖 5— 1，主要包括 反應(yīng)器殼體、攪拌器、密封裝置和換熱裝置等 。釜式反應(yīng)器殼體及攪拌器所用材料一般為碳鋼，根據(jù)特殊需要，可在與反應(yīng)物料接觸部分襯有不銹鋼、鉛、橡膠、玻璃鋼或搪瓷，個(gè)別情況也可襯貴重金屬(如銀等 )。根據(jù)反應(yīng)要求，殼體也可直接用銅、不銹鋼制造。 1一 電動(dòng) 機(jī)； 2一 變 速器； 3一密封裝置； 4～加料管口； 5一殼體； 6一 夾 套； 7攪 拌器； 8一出料管口 ?1． 殼體 : 釜式反應(yīng)器殼體部分的結(jié)構(gòu)包括筒體、底、蓋 (也稱封頭 )、手孔或人孔、視鏡