22.4.2 反应器类型
1.釜式反应器(反应釜)
这种反应器通用性很大,造价不高,用途最广。它可以连续操作,也可以间歇操作。国家已将K型和F型两类反应釜列入标准。K型反应釜有上盖,形状偏于“矮胖形”(长径比较小)。F型反应釜没有上盖,形状则偏于“瘦长形”(长径比较大),材质有碳钢、不锈钢、搪玻璃等几种。高压反应器、真空反应器、常减压反应器和低压常压反应器都已系列化生产,供货充足。有些化工机械厂家接受修改图纸进行加工,化工设计人员可以提出个别的特殊要求,在系列反应釜的基础上加以改进。
系列反应釜的传热面积和搅拌形式基本上是固定的,在选型设计时,如不能选用系列化产品,应当提出设备设计条件,以便于修改加工。反应釜比较灵活,在间歇操作时,只要设计好搅拌,就可以使釜温均一、浓度均匀、反应时间可调、操作压力可调且调节范围较大,在反应结束后,出料容易,釜的清洗方便,并且其机械设计已十分成熟。
反应釜可用于串联操作,使物料从一端流入到另一端流出,从而形成连续流动。当多个反应釜串联时,可以认为形成活塞流,反应物浓度和反应速率恒定,反应还可以分段进行控制,因此可以有效控制物料停留时间。
2.管式反应器
近年来,这种反应器在化工生产中的使用越来越广泛,而且越来越趋向于大型化和连续化。它的特点如下:传热面积大,传热系数高,可以连续化反应;流体流动快,物料停留时间短;经过一定的控制手段,可以存在一定的温度梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应,管式反应器可以有直径和长度千差万别的形式。此外,由于管式反应器的直径较小(相对于反应釜),因而能耐高温和高压。管式反应器的结构简单、产品稳定,因此其应用范围越来越广。
管式反应器可以用于连续操作,也可以用于间歇操作。反应物不返混,管长和管径是主要指标,反应时间是管长的函数,管径决定了物料的流量。反应物浓度在管长轴线上呈梯度分布,但不随时间变化,这点不同于单间歇反应釜。(https://www.daowen.com)
3.固定床反应器
这种反应器主要用于气-固相反应,其结构简单,操作稳定,便于控制,易于实现连续化。床型多种多样,易于大型化,可以根据流体流动的特点设计和规划床的内部结构和构件排布。它是近代化学工业使用较早且较普遍的反应器,具有较大的传热面积,以及较高的气体流速、传热系数和传质系数。由于加热的方式比较灵活,它可以有较高的反应温度。固定床反应器有以下三种基本形式。①轴向绝热式。流体沿轴向自上而下流经床层,床层同外界无热交换。②径向绝热式。流体沿径向流过床层,可采用离心流动或向心流动形式,床层与外界不发生热交换。与轴向绝热式固定床反应器相比,径向绝热式固定床反应器中流体流动的距离较短,流道的截面积较大,流体的压降较小,但结构较复杂。轴向绝热式固定床反应器和径向绝热式固定床反应器都属于绝热反应器,适用于热效应较小的反应或反应系统能够承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。③列管式。由多根反应管并联构成,适用于热效应较大的反应。
但是,固定床反应器中床层的温度分布不容易均匀。由于固相粒子不动,床层导热性较差,对于放热量较大的反应,应在设计时增大传热面积,及时移走反应热,但这减小了有效空间,因此这是此类床型的缺点。尽管后起的流化床反应器在传热上有很多优点,但固定床反应器结构简单、操作方便、停留时间较长且易于控制,因此固定床反应器仍不能完全被流化床反应器所取代。
4.流化床反应器
这种反应器的特点是固体粒子在床层内不是静止不动的,而是在高速流体的作用下被扰动悬浮起来而剧烈运动。固体粒子的运动形态接近可以流动的流体,故称为流化床。物料在床层内如沸腾的液体(有很多悬浮气泡),因此又称为沸腾床。使固体粒子流态化的流体可以是液体,也可以是气体,所以流化床反应器越来越被重视,其适用于气-固相和液-固相反应。
流化床反应器的最大优点是传热面积大、传热系数高、传热效果好。对于流态化较好的流化床反应器,其床层内各点温度相差不会超过5℃,这样可以防止局部过热。其中进料、出料、排废渣都可以用气流流化的方式进行,易于实现连续化,也易于实现自动化生产和控制,生产能力较大,在气相-气相反应物(固相催化)、气相-固相反应物、气相-液相反应物(固相催化)、液相-液相反应物(固相催化)及液相-固相反应物体系中应用越来越普遍。
由于流化床反应器内物料返混和固体粒子磨损严重,通常要有固体粒子回收和集尘的装置。流化床反应器还存在床型和构件比较复杂、操作技术要求高及造价较高等问题。