精细化工过程与设备教案 第二章 釜式反应器

  罐体的上端和顶盖上焊以成对的法兰，法兰之间安放填料，然后借螺钉将其拧紧，以保证反应设备的密闭。法兰可由钢板切成（适用于罐体直径不大的情况），或由扁钢或角钢圈制，或用钢铸制，或者锻制。关于法兰的直径、厚度、螺钉的规格、数量等均在国家标准中有具体规定。

  釜式反应器一般在常压之下操作，也可以在加压之下操作。但即使是在常压之下操作的反应釜，一般也将它设计到能耐三个大气压，因为工业上常利用压缩气体从设备内压出液体物料。而压料用的压缩气体的压力一般在三个大气压以下。既然有在加压之下使用的可能性，那么就一定要有能保证内部空间密闭性的结构。这种密闭结构对那些能放出具有危险性（易燃、易爆、有毒）的蒸汽或气体的物料也是必须的。因此按照3－4个大气压设计的反应釜是应用得十分普遍的一类设备。

  压料管是利用压缩空气或其他气体从反应釜中将全部液态物料压出时所用的管子。并不是每一个反应釜都必须有这样一根压料管，只有在这一反应釜内的物料要输送到位置更高或并列的另一设备中去，才考虑安装压料管。压料管的位置一般贴着釜壁安装。

  对于较粘稠的物料，或含有固体的悬浮液，常常采用釜底放料的办法。釜底放料口安装有釜底阀。常用的阀门有考克、上展阀和下展阀。

  反应釜支架有二种：悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上。

  精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。搅拌的目的是：

  ③促进化学反应和加速物理变化过程，如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过程。也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。

  如图2.15，可以用钢制，也可以用木板或高分子材料制造成。适用于不需要剧烈混合的场合，例如用于物料的缓慢溶解、将物料保持在悬浮状态等。它可以适用于混合粘度达200000厘泊的液体系统。桨叶的形式可以是平直叶或折叶，桨叶的总长度约为反应釜直径的三分之一到三分之二，转速为12－80转/分（反应釜容积越大，转速越小），在反应釜中视需要情况能安装好几层桨叶，各层桨叶可以平行安装，也可以错开90°角安装。最下一层桨叶与釜底的距离约为反应釜直径的六分之一到十分之一，各层桨叶的最大距离约为釜直径的三分之二左右。

  搅拌器的选型主要是依据物料性质、搅拌目的、工艺过程对搅拌的要求及各种搅拌器的性能特征来进行。

  对于低粘度均相液体混合，控制因素是宏观混合速率，亦即循环流量。各种搅拌器的循环流量从大到小顺序排列：推进式、涡轮式、桨式。因此，应优先选择推进式搅拌器。如果不需要剧烈搅拌，能够使用浆式搅拌器。

  对于非均相液液分散过程，控制因素为剪切作用，同时也要求有较大的循环流量。各种搅拌器的剪切作用从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。所以，应优先选择涡轮式搅拌器。

  左图是一种典型的釜式反应器，由图可见其结构主要由以下几部分所组成：壳体结构、搅拌器、密封装置和换热装置。

  釜式反应器具有各种各样的搅拌装置、不同形式的传热装置，并且同时又装配着许多零件，这些零件和结构往往也可能以不同的组合形式出现在其它形式的反应设备中，因此我们仔细研究这类设备的结构之后，对其他形式的反应器的结构也就不难理解和掌握了。

  当向反应釜内加料时，原则上不允许用连管直接加料，因为这样会使液体散在釜盖的内表面上，并流入设备的法兰之间垫料圈中去，引起腐蚀和渗漏。因此在连管内必须另装加料管。加料管是一根短管插在加料用的连管内，借法兰和螺钉与连管连接，加料管的下端应截成与水平成45°角，为的是使液体在加料时不致四面溅开，也不致落在釜壁上。在计算加料管直径时，通常依据每小时所加物料的体积和液体在管内的流速，液体在管内的流速一般在0.75－1米/秒的限度之内。

  实际操作中，搅拌可以同时达到上述几种目的。例如，在液体的催化加氢反应中，采用搅拌操作，一方面能使固体催化剂颗粒保持悬浮状态，另一方面能将反应生成的热量迅速移除。同时，还能使气体均匀地分散于液相中。

  不同的生产的全部过程对搅拌程度有不同的要求。在有些生产的全部过程中，例如，炼油厂大型油罐内原油的搅拌，只要求罐内原油宏观上混匀，这样的搅拌任务非常容易达到；在另外一些过程中，如两液体的快速反应，不但要求混合物宏观上混匀，而且希望在小尺度上也获得快速均匀的混合，从而对搅拌提出了更高的要求。针对不同的搅拌目的，选择恰当的搅拌器构型和操作条件，才可以获得最佳的搅拌效果。

  底和盖可以有各种不同的式样，常用的有折边椭圆形、折边球形、平面形和蝶形，有时也用锥形。各种底和盖式样的选择是根据设备的操作条件来决定的。

  在一般的釜式反应器中最常用的是折边椭圆形和折边球形的底和盖。它们适用于操作压力大于0.7大气压的设备，是用钢板由冲压或人工锻打而制成的。用作底时与同样直径的罐体焊接在一起即可。而用作顶盖时，则将它们与法兰焊在一起。从应力分布情况去看，椭圆形的底应力分布较为均匀，而折边球形的底在转折处有应力集中现象，因此在选型和设计时一般都推荐椭圆形底。

  见图2.16，用扁钢、木材或高分子材料制造成，框式搅拌器可以看作是浆式搅拌器的变形，二者的不同之处在于框式搅拌器可使物料作不大剧烈的上下混合，例如用于糊状物的稀释、浆状物的混合和使传热加强，以及在生产的全部过程中有沉淀析出于反应釜壁和反应釜底的场合。对于直径在600－1500毫米（容积为250－1800升）的设备而言，框边与釜壁的距离为25－30毫米，转速为12－60转/分。

  见图2.17，可看成是一种特殊的框式搅拌器，过去由铸铁浇铸而成，现在可以有不锈钢、高分子材料和用无缝钢管外面涂以搪玻璃材料制造成。其作用情况大体上与框式搅拌器相同，非常适合于搅拌粘稠而且有腐蚀性的物料。为了刮除粘着在釜壁上的物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，锚式搅拌器的宽度能做成几乎与反应釜的直径相等。但在正常的情况下锚式搅拌器的宽度与框式搅拌器相同，在特殊情况下，锚式搅拌器与反应釜壁的距离可缩小到5毫米左右。

  见图2.19，这类搅拌器能保证被处理物料作最剧烈的混合，用以混合几种比重不同的粘稠液体形成乳浊液是最有效的，它是由拧紧在轴上的所谓涡轮组成。在涡轮旋转时被混合液体从中心被吸入，在离心力的作用下向四面喷散。涡轮的直径一般在反应釜直径的四分之一到三分之一，转速为200－1000转/分。

  搅拌的方法很多，使用最早、且仍在普遍的使用的是机械搅拌，本节主要讨论搅拌器类型、操作特性等问题。常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、旋浆式、涡轮式和螺带式等。搅拌装置的形式和构造主要根据物料的聚集状态、粘度、比重和处理物料的多少等等。在选择和设计搅拌器构造时。最基本的原则是：取得最高的搅拌效率、消耗最小的动力、具有简单的构造和成本。

  实现搅拌操作的主要部件是叶轮，针对不同的物料系统和不同的搅拌目的，制成了上述不同结构类型的叶轮。它的作用是通过其自身的旋转将机械能传送给液体，使叶轮附近区域的流体湍动同时所产生的高射流推动全部液体在反应釜内沿一定途径作循环流动。当液体从叶轮轴向流入并流出时我们称此叶轮为轴向叶轮，当液体从叶轮轴向流入，从半径方向流出时，此叶轮称径向叶轮。见图2.20.

  在大多数反应釜的盖上都有人孔(或手孔),人孔（或手孔）被用来加入固态物料，和清理检修反应釜内部。人孔的直径为400毫米（圆形的）或300×400毫米（椭圆形的），大部分人孔是圆形的。人孔或手孔有多种形式，它包括焊接固定在釜盖上的孔体，平的或凸形的孔盖，用螺钉拧紧孔盖，使其密闭。

  见图2.18，一般用不锈钢制成，用于对所处理的物料作剧烈的混合，它可以搅拌粘度在6000厘泊以上的液体，它可以使易分层的液体形成乳浊液，或保持物料在悬浮状态。推进器可由两个叶片组成，也可以有三个叶片组成。搅拌器的直径一般为反应釜直径的四分之一到三分之一，搅拌器的转速为160－1000转/分。搅拌器与反应釜底的距离约为搅拌器直径的二分之一。有时为提高搅拌效率，推进器式搅拌器常常被放进一个转向器，转向器是用来引导循环液流的方向的，转向器与搅拌器叶轮之间的间隙为7.5－10毫米。

  螺旋桨式叶轮是一种非常快速地旋转且能引起轴向流动的搅拌器，流体在器内作轴向和切向运动，产生高度湍流。由于液流能持久且渗及远方，因此对搅拌低粘度的大量液体有良好效果。它大多数都用在互溶液体混合、釜内传热等。螺带式搅拌器的工作原理与螺旋桨相似，有二个倾斜式叶片浆式叶轮，除产生轴向流动外还有某些特定的程度的径向流动。

  罐体是将钢板卷成圆筒形，沿着直线进行V形加强焊而制成的。罐体的高度，除了应符合生产的全部过程的要求外，通常尽可能使罐体的高度接近罐体的直径，或尽可能按钢板的规格考虑。一般用钢板的宽度作为罐体的高度。如果一块钢板的宽度比罐体的高度大需要切割时，则应按钢板的宽度的二分之一、三分之一或四分之一进行切割。相当一部分反应釜罐体的高度与直径之比为二比一。

  对于固体悬浮操作，固液密度差小，应优先选择推进式搅拌器。当固液密度差大，固体颗粒沉降速度大时，应选用开启式涡轮搅拌器。当固体颗粒对叶轮的腐蚀性较大时，应选用开启弯叶涡轮搅拌器。正常的情况下，可采用框式搅拌器。

  对于固体溶解，开启式涡轮搅拌最适合。对一些易溶的块状固体则常用桨式或框式等搅拌器。

  在反应釜中所处理的物料温度，主要是利用放在特制的套管中的长温度计或热电偶来进行计量的。这类套管都是用铸铁或钢做成的一端封闭的管子，在这类管子中注入一些机油或其它高沸点的液体，以建立较好的传热条件，然后插入温度计或热电偶。再通过连管插到反应釜中去，并用螺钉使它与连管固定。

  平叶片浆式搅拌器也属于径向流叶轮，其叶片长、转速慢、液体的径向速度小、产生的压头也较低，适用于以宏观调匀为目的的搅拌过程，如简单的液体混合、固体溶解、结晶和沉淀等操作。锚式搅拌器、框式搅拌器其实就是平叶片浆式搅拌器的变形，但转动半径更大。这几种搅拌器不产生高速液流，适用于较高粘度的液体的搅拌。

  六个平片的涡轮叶轮是径向叶轮的代表，其工作时，叶轮的叶片对液体施以径向离心力，液体在惯性离心力作用下沿叶轮的半径方向流出并在釜内循环。由于涡轮的转速高，叶片比较宽，除了能对液体产生较高的剪切作用外，还能在釜内造成较大的液体循环量。正是由于这种特点，涡轮叶轮能有效的完成几乎所有的化工生产的全部过程对搅拌操作的要求，并能处理粘度范围很广的液体。

  连管绝大多数反应釜都要和各种各样的管道相连接，而这些管道通常是与安装在反应釜盖上的连管相连接。连管的短管部分通常焊接在釜盖上。布置在釜盖上的几个连管通常应具有相同的直径。一般来说连管的截面积以在15－30分钟内将釜内全部液体取尽为原则。大致尺寸如下：

  精细化工生产中经常遇到气－液、液－液和液－固相反应，应用最为广泛的一类反应设备是釜式反应器。它们被用于进行许多不同的反应过程，例如：硝化、还原、磺化、碱熔、氯化和缩合等，以及各种辅助过程，例如：溶解、稀释、中和、酸化、混合等。图2.1是一种标准的釜式反应器。它由钢板卷焊制成圆筒体，再焊接上由钢板压制的标准釜底，并配上釜盖、夹套、搅拌器等部件。

  釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。

  釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。釜底和釜盖常用的形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，釜底也有锥形，见图。