第五章反應設備的使用與維護

1、第五章第五章 反應設備的使用與維護反應設備的使用與維護第一節(jié) 反應設備的工作過程及類型第二節(jié) 反應器的結構及特點第三節(jié) 反應設備的使用及維護第一節(jié)第一節(jié) 反應設備的工作過程及類型反應設備的工作過程及類型定義：用于完成化學反應的設備稱為反應設備（也稱反應器）。一、反應設備的工作過程及作用一、反應設備的工作過程及作用 煉油、化工生產過程中，在反應器中進行的不僅僅是單純的化學反應過程，同時還存在著流體流動、物料傳熱、傳質等物理傳遞過程 。 反應器的工作過程就是以化學動力學為基礎的反應過程和以熱量傳遞、質量傳遞、動量傳遞為基本內容的傳遞過程同時進行、相互作用、相互影響的復雜過程。一個設計合理、性能良好

2、的反應器，應能滿足如下幾方面的要求：1. 滿足化學動力學和傳遞過程的要求，做到反應速度快、選擇性好、轉化率高、目的產品多、副產物少。2. 能及時有效地輸入或輸出熱量，維持系統(tǒng)的熱量平衡，使反應過程在適宜的溫度下進行。3. 有足夠的機械強度和抗腐蝕能力，滿足反應過程對壓力的要求，保證設備經久耐用，生產安全可靠。4. 制造容易，安裝、檢修方便，操作調節(jié)靈活，生產周期長。二、反應設備的類型二、反應設備的類型分類型式分類型式反應器類別反應器類別1反應器類別反應器類別2應用應用1、根據(jù)物料、根據(jù)物料的聚焦狀態(tài)分的聚焦狀態(tài)分類（其實質按類（其實質按宏觀動力學特宏觀動力學特征分類）征分類）均相反應器均相反應

3、器氣相反應器氣相反應器液相反應器液相反應器非均相反應器非均相反應器氣氣-液反應器液反應器苯烴化制乙苯苯烴化制乙苯氣氣-固反應器固反應器乙烯直接氧化乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷制環(huán)氧乙烷液液-液反應器液反應器液液-固反應器固反應器氣氣-液液-固反應固反應器器2、根據(jù)反應器結構型、根據(jù)反應器結構型式分類（其實質是按式分類（其實質是按傳遞過程的特性分類）傳遞過程的特性分類）釜式反應器釜式反應器均相反應過程均相反應過程管式反應器管式反應器均相反應過程均相反應過程塔式反應器塔式反應器非均相反應過程非均相反應過程固定床反應器固定床反應器非均相反應過程非均相反應過程流化床反應器流化床反應器非均相反應過程非均相反應

4、過程3、根據(jù)操作方法分類、根據(jù)操作方法分類間歇式反應器間歇式反應器半間歇式反應器半間歇式反應器連續(xù)式反應器連續(xù)式反應器4、根據(jù)溫度條件、根據(jù)溫度條件分類分類等溫反應器等溫反應器適用于熱效應不大，適用于熱效應不大，或能及時輸入或輸或能及時輸入或輸入熱量能夠保證等入熱量能夠保證等溫條件的反應過程。溫條件的反應過程。非等溫反應器非等溫反應器5、根據(jù)傳熱方式、根據(jù)傳熱方式分類分類絕熱式反應器絕熱式反應器外熱式反應器外熱式反應器自熱式反應器自熱式反應器第二節(jié)第二節(jié) 反應器的結構及特點反應器的結構及特點一、釜式反應器（槽式反應器）優(yōu)點：適用的溫度和壓力范圍寬、適應性強、操作彈性大、連續(xù)操作時溫度濃度容易控

5、制、產品質量均一。缺點：用在較高轉化率工藝要求時，需要較大容積。 適用范圍：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時，應用此類反應器最為普遍?；窘Y構：殼體攪拌器密封裝置換熱裝置1、殼體結構包括：筒體、底、蓋（封頭）、人孔或手孔、視鏡及各種工藝接管口等。 筒體為圓筒形。 底、蓋常用的形狀有平面、碟形、橢圓形和球形封頭。 手孔或人孔是為了檢查設備內部空間以及安裝拆卸設備內部構件而設置的。 釜式反應器的視鏡主要是為了觀察設備內部的物料反應情況。 工藝接管口主要用于進、出物料及安裝溫度、壓力的測定裝置。2、攪拌器攪拌器是釜式反應器最重要部件，其作用是加強物料的均勻混合，強

6、化釜內的傳熱和傳質過程。常用攪拌器有槳式、框式、錨式、旋槳式、渦輪式和螺帶式等。槳式、框式和錨式攪拌器均屬于低速攪拌器，具有結構簡單、制造方便的特點。v槳式槳式 彎葉開啟渦輪彎葉開啟渦輪 折葉開啟渦輪折葉開啟渦輪 推進式推進式v平直葉圓盤平直葉圓盤 框式框式 錨式錨式 渦輪螺帶式渦輪螺帶式 螺桿式螺桿式 槳式攪拌器由鋼條制成，一端為平軛形，是攪拌器中結構最簡單的一種。因槳葉水平裝設，故可造成水平液流，一般僅適用于不需要劇烈混合的過程。 框式攪拌器在水平槳之外增設垂直槳葉，形成一個框，可較好地攪拌液體。 錨式攪拌器由鑄鐵制成，形狀如錨，轉動時幾乎觸及釜體的內壁，可及時刮除壁面沉積物，有利于傳熱。

7、此種攪拌器適用于粘稠物料的攪拌。 旋槳式攪拌器用23片推進式槳葉裝于轉軸上而成。具有結構簡單、制造方便、可在較小的功率下得到高速旋轉的優(yōu)點，但攪拌較高粘度液體時，攪拌效率不高。 渦輪攪拌器由一個或數(shù)個裝置在直軸上的渦輪所構成。最適用于大的連續(xù)攪拌操作，除稠厚的漿糊物料外，幾乎可應用于任何情況。缺點是生產成本較高。3、密封裝置 靜止的攪拌釜封頭和轉運的攪拌軸之間設有攪拌軸密封裝置，以防止釜內物料泄漏。 軸封裝置主要有填料密封和機械密封兩種。 填料密封的結構大體上如圖所示，它是由襯套、填料箱體、填料環(huán)、壓蓋、壓緊螺栓等組成。 機械密封是一種功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用壽命長的轉軸密封，被廣

8、泛地應用于各個技術領域。與填料密封相比，機械密封的泄漏率大約為填料密封的百分之一。機械密封在運轉時，除了裝在軸上的浮動環(huán)由于磨損需作軸向移動補償外，安裝在浮動環(huán)上的輔助密封則隨浮動環(huán)沿軸表面作微小的軸向移動，故軸或軸套被磨損是微不足道的。因而可免去軸或軸套的維修。由于機械密封有很多優(yōu)點，因此，在攪拌設備上已被大量采用。雙端面機械密封的具體結構 機械密封的原理是：當軸旋轉時，設置在垂直于轉軸的兩個密封面（其中一個安裝在軸上隨軸轉動，另一個安裝在靜止的機殼上），通過彈簧力的作用，始終使它們保持接觸，并作相對運動，使泄漏不致發(fā)生。機械密封常因軸的尺寸和使用壓力增加而使結構趨于復雜。在機械密封中，由于

9、運轉時密封環(huán)須作相對運動，因而產生磨損和熱，為了使密封得到潤滑和冷卻必須使冷卻潤滑液在密封腔中不斷循環(huán)。4、換熱裝置 換熱裝置是用來加熱和冷卻反應物料，使之符合工藝要求的溫度條件的設備。 各種換熱裝置的選擇主要決定傳熱表面是否易被污染而需要清洗、所需傳熱面積的大小、傳熱介質的泄漏可能造成的后果以及傳熱介質的溫度和壓力等因素。二、管式反應器 管式反應器主要用于氣相、液相、氣-液相連續(xù)反應過程，由單根（直管或盤管）連續(xù)或多根平行排列的管子組成，一般設有套管或殼管式換熱裝置。優(yōu)點：容積小、比表面大、返混少、反應混合物連續(xù)性變化、易于控制；缺點：反應速度較慢時，則所需管子長，壓降較大。單管式反應器是最

10、簡單的一種反應器，因其傳熱面積較小，一般僅適用于熱效應較大的均相反應過程。多管式反應器的反應管內還可填固體顆粒，以提高流體湍動或促進非均一流體相的良好接觸，并可用來儲存熱量以更好地控制反應器的溫度。適用于氣-固、液-固非均相催化反應過程。單管式反應器單管式反應器三、鼓泡塔反應器 氣體以鼓泡形式通過液層進行化學反應的塔式反應器，稱為鼓泡塔反應器。它廣泛用于氣-液相反應過程。 鼓泡塔反應器的基本結構是內盛液體的空心圓筒，底部裝有氣體分布器，殼外裝有夾套或其他型式換熱器或設有擴大段、液滴捕集器等。水平多孔隔板：提高氣體分散程度和減少液體軸向循環(huán)。夾套換熱裝置：當吸收或反應過程熱效應不大時，可采用此裝

11、置。換熱蛇管或塔外換熱裝置：當反應熱效應較大時可采用此裝置。優(yōu)點：結構簡單、運行可靠、易于實現(xiàn)大型化、適宜于加壓操作、在采取防腐措施（如襯橡膠、瓷磚、搪瓷等）后可以處理腐蝕性介質。缺點：在簡單鼓泡塔內不能處理密度不均一的液體。 填料鼓泡塔：為增加氣、液相接觸面積和減少返混，在塔內的液體層中放置填料。 該塔與一般的填料塔不同，其填料是浸沒在液體中，填料間的空隙全是鼓泡液體。 該塔中液體在反應器中的平均停留時間很短，因此雖有利于傳質過程，但傳質效率較低，故不如中間設有隔板的多段鼓泡塔效果好。四、固定床反應器 凡是流體通過不動的固體形成的床層而進行化學反應的設備都稱為固定床反應器。該反應器尤其適用于

12、氣-固相催化反應過程。優(yōu)點： 化學反應速度較快，為完成同樣生產任務所需要的催化劑用量和反應器體積較小。 有利于提高化學反應的較化率和選擇性。 固定床內的催化劑不易磨損，可以較長時間連續(xù)使用。 適宜在高溫高壓條件下操作。缺點： 固定床會傳熱性較差，溫度控制較困難。 固定床反應器不能使用細粒催化劑，否則流體阻力增大，影響正常操作。 隨著化工生產的發(fā)展，已出現(xiàn)多種型式的固定隨著化工生產的發(fā)展，已出現(xiàn)多種型式的固定床反應器，以適應不同的傳熱要求和傳熱方式，主床反應器，以適應不同的傳熱要求和傳熱方式，主要分為絕熱式和換熱式兩大類。要分為絕熱式和換熱式兩大類。（一）絕熱式固定床反應器1、單段絕熱式反應器

13、一般為一高徑比不大的圓筒體，除在圓筒體下部裝有柵板外，內部無其他構件，柵板上部均勻堆置催化劑。反應氣體經預熱到適當溫度后，從圓筒體上部通入，經過氣體預分布裝置，均勻通過催化劑層進行反應，反應后的氣體由下部引出。優(yōu)點：結構簡單，造價低，反應器體積利用率較高；缺點：整個反應過程沒有換熱或僅僅依靠床壁散熱，當反應熱效應較大，而反應速度較慢時，則不能僅設置一層催化劑，因此僅適用于反應熱效應較小、反應溫度允許波動范圍較寬、單程轉化率較低的反應過程；2、多段絕熱式反應器多段絕熱式反應器又分為中間換熱式和冷激式。中間換熱式是在段間裝有換熱器，其作用是上一段的反應氣冷卻，換熱設備可放在反應器外，也可放在反應器

14、內。冷激式是用冷激氣直接與反應器內的氣體混合，以降低反應溫度。根據(jù)冷激氣體的不同，又可分為原料氣冷激式反應器和非原料氣冷激式反應器。（二）換熱式固定床反應器 當反應熱效應較大時，為了維護適宜的溫度條件，必須利用換熱介質來移走或供給熱量。按換熱介質不同，可分為對外換熱式反應器和自身換熱式反應器。1、對外換熱式反應器 以各種熱載體為換熱介質的換熱式反應器稱為對外換熱式（或外換熱式）反應器。 在化工生產中應用最多的是換熱較好的列管式固定床反應器。通常在管內充填催化劑，管間通熱載體，氣體原料自上而下通過催化劑床去進行反應，而反應熱由床層通過管壁與管外的熱載體進行熱交換。這種反應器既適用于放熱反應，也適

15、用于吸熱反應。 特點：換熱效果較好，催化劑層的溫度較易控制，特別適用于以中間產物為目的的強放熱復雜反應過程。又因反應器內物料流動近似于理想平推流，有可能將副反應限制在較低程度。但這種反應器的結構比較復雜，而且不宜在高壓條件下操作。2、自身換熱式反應器 在反應器內，換熱介質為原料氣，并通過管壁與反應物料進行換熱以維持反應溫度的反應器。只適用于熱效應不大的放熱反應以及高壓條件的反應過程。優(yōu)點是既能做到熱量自給，又不需要另設高壓換熱設備。選擇固定床反應器的原則： 保證徑向、軸向溫度分布均勻，并使反應維持在最適宜的溫度范圍； 催化劑裝量充足，并能充分發(fā)揮作用； 氣體物料通過催化劑床層的阻力要小，并可加

16、大空間速度以強化生產，滿足工藝要求，提高產品收率。 設備結構簡單、操作方便、安全可靠。五、流化床反應器 流體原料以一定的流動速度使催化劑顆粒呈懸浮湍動，并在催化劑作用下進行化學反應的設備，稱為流化床反應器。它是氣固相催化反應常用的一種反應器。特點： 由于流化床所用固體顆粒比固定床小得多，因而具有較大的比表面積，使得流化床單位體積內氣固相間接觸面積很大，并且降低了內擴散阻力，增加了內表面的利用率，從而提高了相界面的傳質、傳熱速度。 由于流化床內固體顆粒不斷沖刷換熱器表面的激烈運動，促使壁面氣膜變薄，使床面不斷更新，從而提高了床層對壁面的給熱系數(shù)，因此所需換熱器的傳熱面積較小。 由于流化床中的固體

17、顆粒有類似于流體的流動性，因此從床層中取出顆?；蛳虼矊又屑尤胄碌念w粒都很方便，可使反應過程和再生過程實現(xiàn)連續(xù)化及自動化。 流化床內氣流和固體顆粒沿設備軸向混合（返混）很嚴重，使已反應的物質返回，稀釋了參加反應的物質，致使反應速度降低。又由于氣體部分成為大氣泡通過床層接觸不良，催化劑的利用率降低，氣體在床層內的停留時間分布不均勻，因而增加了副反應，導致反應過程的轉化率下降和選擇性變差。 由于固體顆粒間劇烈碰撞，造成催化劑磨損破碎，增加了催化劑的損失和防塵的困難。同時，由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損也很嚴重。適用范圍 熱效應很大的放熱或吸熱反應，要求有均勻的催化劑溫度并需要精確控制溫度的

18、化學反應； 催化劑使用壽命短，操作較短時間就要更新或活化的反應； 某些可以在高濃度下比較安全操作的氧化反應。不適用范圍： 要求高轉化率的反應， 要求催化劑床層溫度分布的反應（二）流化床反應器的結構（二）流化床反應器的結構1、按、按照固體照固體顆粒是顆粒是否循環(huán)否循環(huán)分類分類非循環(huán)操作流化床（單器）非循環(huán)操作流化床（單器）多用于催化劑使用多用于催化劑使用壽命較長的氣固相壽命較長的氣固相催化反應過程催化反應過程循環(huán)操作流化床（雙器）循環(huán)操作流化床（雙器）多用于催化劑使用多用于催化劑使用壽命較短且容易再壽命較短且容易再生的氣固相催化反生的氣固相催化反應過程應過程2、按、按照床層照床層的外形的外形分類

19、分類圓筒形流化床圓筒形流化床應用廣泛應用廣泛圓錐形流化床圓錐形流化床適用于催化劑粒度適用于催化劑粒度分布較寬的體系；分布較寬的體系；也適用于氣體體積也適用于氣體體積增大的反應過程增大的反應過程3、按照床層、按照床層中是否置有中是否置有內部構件分內部構件分類類自由床自由床反應速度快、延長接觸時間不致反應速度快、延長接觸時間不致產生嚴重副反應，或對于產品要產生嚴重副反應，或對于產品要求不嚴的催化反應過程求不嚴的催化反應過程限制床限制床反應速度慢、級數(shù)高和副反應嚴反應速度慢、級數(shù)高和副反應嚴重的氣固相催化反應重的氣固相催化反應4、按照床層、按照床層內層數(shù)的多內層數(shù)的多少分類少分類單層流化床單層流化床

20、氣固相催化反應氣固相催化反應多層流化床多層流化床逆相操作、氣固接觸時間短，且逆相操作、氣固接觸時間短，且滿足不了高轉化率及程序變溫要滿足不了高轉化率及程序變溫要求的反應求的反應第三節(jié)第三節(jié) 反應設備的使用與維護反應設備的使用與維護一、釜式反應器的運行與操作（一）開車 通往氮氣對聚合系統(tǒng)進行試漏、氮氣置換； 檢查轉動設備的潤滑情況，投運冷卻水、蒸汽、熱水、氮氣、工廠風、儀表風、潤滑油等系統(tǒng)，投運儀表、電氣、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)； 向聚合釜中加入溶劑或液態(tài)聚合單體； 當釜內液體淹沒最低一層攪拌葉后啟動釜攪拌器； 繼續(xù)加入溶劑或單體，直到達正常料位為止； 開始升溫，當溫度達某一規(guī)定值時，向釜內加催化劑、單體

21、、溶劑、分子量調節(jié)劑等； 控制聚合溫度、壓力、聚合釜料位等工藝指示，使之達到正常值。（二）聚合系統(tǒng)的操作1、溫度控制（關鍵操作）控制聚合溫度的三種方法：控制聚合溫度的三種方法： 通過夾套冷卻水換熱；通過夾套冷卻水換熱； 氣相外循環(huán)取熱；氣相外循環(huán)取熱； 裝液外循環(huán)取熱。裝液外循環(huán)取熱。2、壓力控制聚合單體為氣相時：聚合釜壓力通過催化劑的加料量和聚合單體的加料量來控制；聚合單體為液相時，聚合釜壓力主要取決于單體的蒸汽分壓(即聚合溫度）。3、料位控制 連續(xù)聚合時通過聚合漿液的出料速率來控制。料位一般控制在70%左右，料位控制過低，聚合產率低，料位控制過高，會造成聚合漿液進入換熱器、風機等設備中造成

22、事故。4、漿液濃度控制 主要通過控制溶劑的加入量和聚合產率來實現(xiàn)。 聚合產率的高低在聚合溫度的單體加入量不變的情況下，主要通過催化劑加入量來調節(jié)。 在發(fā)生聚合溫度失控時，應立即停進催化劑、聚合單體，增加溶劑進料量，加大循環(huán)冷卻水量，緊急放火矩泄壓，向后系統(tǒng)排聚合漿液，并適時加入阻聚劑。發(fā)生停攪拌事故時應立即加入阻聚劑，并采取其他相應的措施。（三）停車 停進催化劑、單體，溶劑繼續(xù)加入，維持聚合系統(tǒng)繼續(xù)運行一會兒； 在聚合反應停止后，停進所有物料，卸料，停攪拌器和其他運轉設備； 用氮氣置換，置換合格后待檢修。二、固定床反應器的運行與操作(以加氫裂化反應器為例）（一）正常操作及控制1、反應溫度調控2

23、、反應壓力調控3、其它因素（氫油比，空速等）1、反應溫度調控催化劑床層溫度是反應部分最重要的工藝參數(shù)。提高反應溫度的優(yōu)缺點：優(yōu)點：加快反應速度 ，加深原料的裂解程度，增加生成油中低沸點組成含量，增高氣體產率。缺點：加快催化劑表面積炭結焦速度，影響使用壽命。 通常在催化劑活性允許的條件下，采用盡可能低的反應溫度。調控反應溫度應注意以下幾個方面：控制反應器入口溫度。 以加熱爐式換熱器提供熱源的反應，要嚴格控制反應器入口物流的溫度，即控制加熱爐出口溫度或換熱器終溫，這 裝置重要的工藝指標?？刂品磻矊娱g的急冷氫量。 正常操作中，用調節(jié)急冷氫量來降低床層溫度。原料組成的變化會引起溫度的變化。 原料組成發(fā)生變化，在加氫條件下，反應熱也會變化，從而會引起床層溫度的變化 。注意反應器初期與末期溫度的調控。 通常在開工初期，催化劑的活性較高，反應溫度可低一些；隨著開工時間的延續(xù)，催化劑的活性有所下降，可在允許范圍內適應提高反應溫度。反應溫度的限制。 不同反應過程，對溫