第四節　反　應　釜

一、反應釜概述

反應釜（或稱反應器）是通過化學反應得到反應產物的設備，或者是為細胞或酶提供適宜的反應環境以達到細胞生長代謝和進行反應的設備。幾乎所有的過程裝備中，都包含反應釜。因此如何選用合適的反應器型式，確立最佳的操作條件和設計合理可靠的反應器，對滿足日益發展的過程工業的需求具有十分重要的意義。

（一）反應釜的作用

反應釜的主要作用是提供反應場所，并維持一定的反應條件，使化學反應過程按預定的方向進行，得到合格的反應產物。

一個設計合理、性能良好的反應釜，應能滿足如下要求：

（1）應滿足化學動力學和傳遞過程的要求，做到反應速率快、選擇性好、轉化率高、目的產品多、副產物少；

（2）應能及時有效地輸入或輸出熱量，維持系統的熱量平衡，使反應過程在適宜的溫度下進行；

（3）應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）應做到制造容易，安裝檢修方便，操作調節靈活，生產周期長。

（二）反應釜的分類

反應釜一般可根據用途、操作方式、結構等不同方法進行分類。例如根據用途可把反應釜分為催化裂化反應器、加氫裂化反應器、催化重整反應器、氨合成塔、管式反應爐、氯乙烯聚合釜等類型。根據操作方式又可把反應釜分為連續式操作反應釜、間歇式操作反應釜和半間歇式操作反應釜等類型。

最常見的是按反應釜的結構來分類，可分為釜式反應器、管式反應器、塔式反應器、固定床反應器、流化床反應器等類型。

1.釜式反應器

釜式反應器也稱攪拌釜式、槽式、鍋式反應器，主要由殼體、攪拌器和傳熱部件等組成。釜式反應器具有投資少、投產快、操作靈活方便等特點。

2.管式反應器

管式反應器一般是由多根細管串聯或并聯而構成的一種反應器。其結構特點是反應器的長度和直徑之比較大，一般可達50～100，常用的有直管式、U形管式、盤管式和多管式等幾種形式。管式反應器的主要特點是反應物濃度和反應速率只與管長有關，而不隨時間變化。反應物的反應速率快，在管內的流速高，適用于大型化、連續化的生產過程，生產效率高。

3.塔式反應器

塔式反應器的高徑比介于釜式反應器和管式反應器之間，約為8～30，主要用于氣液反應，常用的有鼓泡塔、填料塔和板式塔。

鼓泡塔為圓筒體，直徑一般不超過3m，底部裝有氣體分布器，頂部裝有氣液分離器。在塔體外部或內部可安裝各種傳熱裝置或部件。還有一種帶升氣管的鼓泡塔，是在塔內裝有一根或幾根升氣管，使塔內液體在升氣管內外做循環流動，所以稱為氣升管式鼓泡塔。

填料塔是在圓筒體塔內裝有一定厚度的填料層及液體噴淋、液體再分布及填料支承等裝置。其特點是氣液返混少、溶液不易起泡、耐腐蝕和壓降小。

板式塔是在圓筒體塔內裝有多層塔板和溢流裝置，在各層塔板上維持一定的液體量，氣體通過塔板時，氣液相在塔板上進行反應。其特點是氣、液逆向流動接觸面大、返混少，傳熱傳質效果好，液相轉化率高。

4.固定床反應器

固定床反應器是指流體通過靜止不動的固體物料所形成的床層而進行化學反應的設備。以氣固反應的固定床反應器最常見。固定床反應器根據床層數的多少又可分為單段式和多段式兩種類型。單段式一般為高徑比不大的圓筒體，在圓筒體下部裝有柵板等板件，其上為催化劑床層，均勻地堆置一定厚度的催化劑（能改變化學反應速率，而其自身的數量和組成在反應前后保持不變的物質）固體顆粒。單段式固定床反應器結構簡單、造價便宜、反應器體積利用率高。多段式是在圓筒體反應器內設有多個催化劑床層，在各床層之間可采用多種方式進行反應物料的換熱。其特點是便于控制、調節反應溫度，防止反應溫度超出允許范圍。

5.流化床反應器

細小的固體顆粒被運動著的流體攜帶，具有像流體一樣能自由流動的性質，這種現象稱為固體的流態化。一般，把反應器和在其中呈流態化的固體催化劑顆粒合在一起，稱為流化床反應器。

流化床反應器多用于氣固反應過程。當原料氣通過反應器催化劑床層時，催化劑顆粒受氣流作用而懸浮起來呈翻滾沸騰狀，原料氣在處于流態化的催化劑表面進行化學反應，此時的催化劑床層即為流化床，也叫沸騰床。

流化床反應器的形式很多，但一般都由殼體、內部構件、固體顆粒裝卸設備及氣體分布、傳熱、氣固分離裝置等構成。流化床反應器也可根據床層結構分為圓筒式、圓錐式和多管式等類型。

圓筒式的床層為圓筒形，結構簡單、制造方便，設備容積利用率高，使用較廣泛。圓錐式的結構特點是床層橫截面從氣體分布板向上逐漸擴大，使上升氣體的氣速逐漸降低，固體顆粒的流態化較好，特別適用于粒徑分布不均的催化劑和反應時氣體體積增大的反應過程。多管式的結構是在大直徑圓筒形反應器床層中豎直安裝一些內換熱管，其特點是氣固返混少，床層溫度較均勻和轉化率高。

流化床反應器氣固湍動、混合劇烈，傳熱效率高，床層內溫度較均勻，避免了局部過熱，反應速率快。流態化可使催化劑作為載熱體使用，便于生產過程實現連續化、大型化和自動控制。但流化床使催化劑的磨損較大，對設備內壁的磨損也較嚴重。另外，也易產生氣固的返混，使反應轉化率受到一定的影響。

（三）反應釜的工作過程

石油化工生產時，在反應釜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、混合等物理傳遞過程。在反應釜中，化學反應的機理、步驟和速率是根據化學動力學的規律進行的。如對于氣液反應，反應速率除與溫度和濃度有關外，還與相界面的大小和相間的擴散速度有關。對于氣固反應，不論在什么條件下進行，氣相組分都必須先擴散到固體催化劑的表面上，再在催化劑表面進行化學反應。化學反應過程是反應釜工作的本質過程。

由于化學反應時原料的種類很多，反應過程也很復雜，對反應產物的要求也各不相同。為滿足不同的反應要求，反應釜的結構類型和尺寸大小也多種多樣、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釜，原料是一次性加入的；而連續式操作的反應釜，原料是連續加入的。不同結構形式和尺寸的反應釜及不同的操作條件和方式，必將影響流體的流動狀態和物料的傳熱、傳質及混合等傳遞過程。而傳遞過程是實現反應過程的必要條件。因此反應釜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。

二、反應釜的結構

反應釜主要由釜體、釜蓋、傳動裝置、攪拌器、密封裝置等組成，如圖2-51所示。

（一）殼體

殼體由圓形筒體、上蓋、下封頭構成。上蓋與筒體的連接有兩種方法，一種是蓋子與簡體直接焊死構成一個整體；另一種是考慮拆卸方便用法蘭連接。上蓋開有人孔、手孔和工藝接孔等。殼體材料根據工藝要求來確定，最常用的是鑄鐵和鋼板，也有的采用合金鋼或復合鋼板。當用來處理有腐蝕性介質時，則需用耐腐蝕材料來制造反應釜，或者將反應釜內表搪瓷、襯瓷板或橡膠。

（二）攪拌裝置

在反應釜中，為加快反應速率、加強混合及強化傳質或傳熱效果等，一般都裝有攪拌裝置。它由攪拌器和攪拌軸組成，用聯軸器與傳動裝置連成一體。攪拌器形式很多，應根據工藝要求來選擇，下面介紹幾種常用攪拌器的形式、結構和特點。

1.槳式攪拌器

圖2-52所示的槳式攪拌器由槳葉、鍵、軸環、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或角鋼制造，當被攪拌物料對鋼材腐蝕嚴重時，可用不銹鋼或有色金屬制造，也可采用鋼制槳葉的外面包覆橡膠、環氧樹脂或酚醛樹脂、玻璃鋼等材質。槳式攪拌器的轉速較低，一般為20～80r/min，圓周速度在1.5～3m/s范圍內比較合適。槳式攪拌器直徑取反應釜內徑D_i的1/3～2/3，槳葉不宜過長，因為攪拌器消耗的功率與槳葉直徑的五次方成正比。槳式攪拌器的最新標準為HG/T 2051.4—2013《搪玻璃攪拌器　槳式攪拌器》。當反應釜直徑很大時采用兩個或多個槳葉。

槳式攪拌器適用于流動性大、黏度小的液體物料，也適用于纖維狀和結晶狀的溶解液，如果液體物料層很深時可在軸上裝置數排槳葉。

2.框式和錨式攪拌器

圖2-53為框式攪拌器，圖2-54為錨式攪拌器。框式攪拌器可視為槳式攪拌器的變形，即將水平的槳葉與垂直的槳葉連成一體成為剛性的框子，其結構比較堅固，攪動物料量大。如果這類攪拌器底部形狀和反應釜下封頭形狀相似時，通常稱為錨式攪拌器。

錨式攪拌器制造方法較多，一種是用扁鋼或角鋼彎制，攪拌葉之間、攪拌葉與軸套之間全部焊接；另一種是做成可拆卸式的攪拌器，用螺栓來連接各攪拌葉，檢修時可拆卸。特殊情況下可采用整體鑄造或管材焊制，如鑄鐵攪拌器和搪玻璃攪拌器。

框式攪拌器直徑較大，一般取反應器內徑的2/3～9/10，線速度約0.5～1.5m/s，轉速范圍約為50～70r/min。鋼制框式攪拌器最新標準為HG/T 2051.2—2013《搪玻璃攪拌器 框式攪拌器》。框式攪拌器與釜壁間隙較小，有利于傳熱過程的進行，快速旋轉時，攪拌器葉片所帶動的液體把靜止層從反應釜壁上帶下來；慢速旋轉時，有刮板的攪拌器能產生良好的熱傳導。這類攪拌器適用于大多數的反應過程，有利于傳質與傳熱。

3.推進式攪拌器

圖2-55是推進式攪拌器，常用整體鑄造，加工方便，采用焊接時，需模鍛后再與軸套焊接、加工較困難。因推進式攪拌器轉速高，制造時要做靜平衡試驗。攪拌器可用軸套以平鍵（或緊固螺釘）與軸固定。推進式攪拌器通常為兩個攪拌葉，第一個槳葉安裝在反應釜的上部，把液體或氣體往下壓；第二個槳葉安裝在下部，把液體往上推。攪拌時能使物料在反應釜內循環流動，所起作用以容積循環為主，剪切作用較小，上下翻騰效果良好。當需要有更大的流速時，反應釜內設有導流筒。

推進式攪拌器直徑約取反應釜內徑D_i的1/4～1/3，線速度可達5～15m/s，轉速范圍為300～600r/min，攪拌器的材料常用鑄鐵和鑄鋼。推進式攪拌器的最新標準為HG/T 3796.8—2005 《推進式攪拌器》。

4.渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器有很多，圖2-56為圓盤式。槳葉又分為平直葉和彎曲葉兩種。攪拌葉一般與圓盤焊接（或以螺栓連接），圓盤焊在軸套上。攪拌器用軸套以平鍵和銷釘與軸固定。渦輪式攪拌器的主要優點是當能量消耗不大時，攪拌效率較高，攪拌時液體流動的方向如圖2-57所示。因此它適用于乳濁液、懸浮液等的攪拌。

渦輪式攪拌器速度較大，線速度約為3～8m/s，轉速范圍為300～600r/min，開啟渦輪式攪拌器的最新標準為HG/T 3796.4—2005《開啟渦輪式攪拌器》。

5.特殊形式攪拌器

圖2-58為一種螺帶式攪拌器，常用扁鋼按螺旋形繞成，直徑較大，常做成幾條緊貼釜內壁，與釜壁的間隙很小，所以攪拌時能不斷地將粘于釜壁的沉積物刮下來。對黏稠物料，采用行星傳動的攪拌器，如圖2-59所示。行星攪拌器的優點是攪拌強度很大，被旋轉部分帶動攪拌的物料體積很大，缺點是結構復雜。上述兩種攪拌器目前使用較少。

（三）軸封

在反應釜中使用的軸封裝置為動密封結構，主要有填料密封和機械密封兩種，前者使用普遍，有豐富的使用經驗，后者的使用范圍已日趨廣泛。

1.填料密封

填料密封結構如圖2-60所示，填料箱由箱體、填料、油環、襯套、壓蓋和壓緊螺栓等零件組成，旋轉壓緊螺栓時，壓蓋壓緊填料，使填料變形并緊貼在軸表面上，達到密封目的。在石油化工生產中，軸封容易泄漏，一旦有毒氣體逸出會污染環境，因而需控制好壓緊力。壓緊力過大，軸旋轉時軸與填料間摩擦增加，會使磨損增大，在填料處定期加潤滑劑，可減少摩擦，并能減少因螺栓壓緊力過大而產生的摩擦發熱。填料要富于彈性，有良好的耐磨性和導熱性。填料的彈性變形要大，使填料緊貼轉軸，對轉軸產生收縮力，同時還要求填料有足夠的圈數。使用中由于磨損應適當增補填料，調節螺栓的壓緊力，以達到密封效果。填料壓蓋要防止歪斜，壓蓋的內徑與軸的間隙為0.75～1.0mm。有的設備在填料箱處設有冷卻夾套，可防止填料摩擦發熱。

2.機械密封

機械密封在反應釜上已廣泛應用，它的結構和類型繁多，但它們的工作原理和基本結構都是相同的。圖2-61是一種結構比較簡單的釜用機械密封裝置。

機械密封包括彈簧加荷裝置、動環、靜環及輔助密封圈等四個部分。機械密封工作原理如圖2-61所示，機械密封一般有四個密封面，A處是靜環座和設備之間的密封，是靜密封，采用一般墊片就可以密封；B處是靜環與靜環座之間的密封，也是靜密封，通常采用具有彈性的輔助密封圈來防止泄漏；D處是動環與軸（或軸套）之間的密封，這也是一個相對靜止的密封，常用O形圈來密封。上述三處密封均是靜密封，可以采取措施，防止泄漏。圖2-61中C處是動環和靜環間相對旋轉時的密封，屬于動密封，是依靠彈簧加荷裝置和介質壓力，在相對運轉時使動環和靜環的接觸面（端面）上產生一個合適的壓緊力，使這兩個光潔、平直的端面緊密貼合，端面間維持一層極薄的流體膜（這層膜起著平衡壓力和潤滑端面的作用）而達到密封目的。

機械密封安裝要點如下：

（1）動環與靜環端面之間，初次啟動時應加潤滑劑，用手輕盤車，使端面形成油膜，防止干摩擦燒毀靜（或動）環。

（2）油槽內油面高于靜環面，在運轉狀態下，機械密封油槽應不產生連續小氣泡。

（3）端面比壓要調節適當，不可任意改變彈簧規格。

（4）在運轉狀態下，防止軸擺動量過大，靜環端面對軸線允許垂直度誤差小于0.05mm（主軸轉速在200r/min以下）。

三、反應釜的生產維護

（一）維護

1.傳動裝置

反應釜用的攪拌器都有一定的轉速要求，常用電動機通過減速器帶動攪拌器轉動。減速器為立式安裝，要求潤滑良好、無振動、無泄漏、長期穩定運轉，因此日常的維護是很重要的。減速器的潤滑如表2-8所示。

減速器在轉動時如發生振動，一般有以下原因，應及時檢查并調整。

（1）釜內負荷過大或加料不均勻。

（2）齒輪中心距或齒輪側隙不合適。

（3）齒輪表面加工精度不符合要求。

減速器試車中溫升超過規定指標時，一般原因如下：

（1）軸彎曲變形。

（2）齒輪嚙合間隙過小；軸套與軸配合過緊。

（3）密封圈或填料與軸配合過緊。

（4）軸承安裝間隙不合適，軸承磨損或松動。

（5）潤滑油質量不好；油量不足或斷油。

2.攪拌器

攪拌器是反應釜中的主要部件，在正常運轉時應經常檢查軸的徑向擺動量是否大于規定值。攪拌器不得反轉，與釜內的蛇管、壓料管、溫度計套管之間要保持一定距離，防止碰撞。定期檢查攪拌器的腐蝕情況，檢查有無裂紋、變形和松脫。有中間軸承或底軸瓦的攪拌裝置，定期檢查項目如下：

（1）底軸瓦（或軸承）的間隙。

（2）中間軸承的潤滑油是否有物料進入而損壞軸承。

（3）固定螺栓是否松動，松動會使攪拌器擺動量增大，引起反應釜振動。

（4）攪拌軸與槳葉的固定要保證垂直，其垂直度允許偏差為槳葉總長度的4/1000，且不大于5mm。

3.殼體（或襯里）檢測

殼體（或襯里）的檢測有以下幾種。

（1）宏觀檢查　將殼體（或襯里）清洗干凈，用肉眼或五倍放大鏡檢查腐蝕、變形、裂紋等缺陷。

（2）無損檢測法　將被測點除銹、磨光，用超聲波測厚儀的探頭與被測部位緊密接觸（接觸面可用機油等液體作耦合劑）。利用超聲波在同一種均勻介質中傳播時，聲速是一個常數，而遇到不同介質界面時，具有反射的特性，通過儀器可用數碼直接反映出來，并可測出該部位的厚度。

（3）鉆孔實測法　當使用儀器無法測量時，采用鉆孔方法測量。可用手電鉆鉆孔實際測量厚度，測后應補焊修復。對用鑄鐵、低合金高強度鋼等可焊性差的材料制作的容器，不宜采用本法測厚。

（4）測定殼體內、外徑　對于鑄造的反應釜，內、外徑經過加工的設備，在使用過程中，發生的腐蝕屬于均勻腐蝕。測量殼體內、外徑實際尺寸，并查閱技術檔案，來確定設備減薄程度。

（5）氣密性檢查　主要對襯里而言，在襯里與殼體之間通入空氣或氨氣，其壓力為0.03～0.1MPa（壓力大小視襯里的穩定性而定），通入空氣時可用肥皂水涂于焊縫或腐蝕部位，檢查有無泄漏；通入氨氣時，可在焊縫和被檢查的腐蝕部位貼上酚酞試紙，在保壓5～10min后，以試紙上不出現紅色斑點為合格。

（二）維護要點

1.常規維護要點

（1）反應釜在運行中，嚴格執行操作規程，禁止超溫、超壓。

（2）按工藝指標控制夾套（或蛇管）及反應器的溫度。

（3）避免溫差應力與內壓應力疊加，使設備產生應變。

（4）要嚴格控制配料比，防止劇烈反應。

（5）要注意反應釜有無異常振動和聲響，如發現故障，應檢查修理并及時消除故障。

2.搪玻璃反應釜在正常使用中的注意事項

（1）加料要嚴防金屬硬物掉入設備內，運轉時要防止設備振動，檢修時按GB 25025—2010《搪玻璃設備技術條件》執行。

（2）盡量避免冷罐加熱料和熱罐加冷料，嚴防溫度驟冷驟熱。搪玻璃耐溫劇變小于120℃。

（3）盡量避免酸堿液介質交替使用，否則，將會使搪玻璃表面失去光澤而腐蝕。

（4）嚴防夾套內進入酸液（如果清洗夾套一定要用酸液時，不能用pH<2的酸液），酸液進入夾套會產生氫效應，引起搪玻璃表面像魚鱗片一樣大面積脫落。一般清洗夾套可用2%的次氯酸鈉溶液，最后用水清洗夾套。

（5）出料釜底堵塞時，可用非金屬棒輕輕疏通，禁止用金屬工具鏟打。對粘在罐內表面上的反應物料要及時清洗，不宜用金屬工具，以防損壞搪玻璃襯里。

（三）常見故障與處理方法

反應釜常見故障與處理方法如表2-9所示。

四、反應釜的檢修

（一）反應釜檢修前的準備

凡進入裝有易燃、易爆、有毒、有窒息性物質的釜內檢修時，首先應該做到以下幾點：

（1）切斷外接電源，掛上“禁動”警告牌。

（2）排除釜內的壓力。

（3）在進料、進氣管道上安裝盲板。

（4）清洗置換，經氣體分析合格后（設有專人監護），方可進入釜內。

（二）反應釜的檢修項目

反應釜檢修項目包括：

（1）減速器檢修。

（2）釜體檢修。

（3）密封裝置檢修。

（三）反應釜的檢修質量標準

1.傳動裝置

反應釜的傳動裝置一般采用行星擺線針齒減速器，其質量標準可參照《行星擺線針輪減速機維護檢修規程》規定執行。

2.密封裝置

（1）填料密封

①填料壓蓋與填料箱的配合為G7/a11。

②填料壓蓋孔與攪拌軸的間隙為0.75～1.0mm（軸徑為50～110mm）。

③填料壓蓋的端面與填料箱端面間距應相等，間距允許偏差為±0.3mm。

④填料應充填均勻，盤根填料應等軸徑繞制，開口準確，每層交叉放置，防止接至同一方位上重疊。

（2）機械密封

①機械密封端面比壓要適當，不可任意改變彈簧的規格。

②靜環端面對軸線垂直度允差小于0.05mm（轉速在200r/min以下）。

③設備進行水壓試驗時，密封處的泄漏量不超過10mL/h為合格。

④設備進行氣密性試驗時，在轉動狀態下，機械密封的油槽應不產生連續小氣泡為合格。

3.攪拌裝置

（1）在密封處軸的徑向擺動量：機械密封不大于0.5mm，填料密封如表2-10所示。

（2）軸的直線度偏差應不大于0.1mm/1000mm。

（3）攪拌扭轉角建議控制在0.25°～0.5°/m。

（4）攪拌軸與槳葉垂直，其允許偏差為槳葉總長度的4/1000，且不超過5mm。

（5）轉速高于200r/min的渦輪式、推進式攪拌器做靜平衡后方可使用。

（6）渦輪式、推進式攪拌器的葉輪與攪拌軸的配合應采用H7/js6。

（7）軸套的軸徑與配合間隙應如表2-11所示。

（四）反應釜的試車與驗收

1.試車前的準備

（1）設備檢修記錄齊全，新裝設備及更換的零部件均應有質量合格證。

（2）按檢修計劃任務書檢查計劃完成情況，并詳細復查檢修質量，做到工完、料凈、場地清，零部件完整無缺，螺栓牢固。

（3）檢查潤滑系統、水冷卻系統暢通無阻。

（4）檢查電動機、主軸轉向應符合設計規定。

2.試車

空載試車應滿足以下要求：

（1）轉動輕快自如，各部位潤滑良好。

（2）機械傳動部分應無異常雜音。

（3）攪拌器與設備內加熱蛇管、壓料管、溫度計套管等部件應無碰撞。

（4）釜內的襯里不滲漏、不鼓包，內蛇管、壓料管、溫度計套管牢固可靠。

（5）電動機、減速器溫度正常，滾動軸承溫度應不超過70℃，滑動軸承溫度應不超過65℃。

（6）密封可靠，泄漏符合要求；密封處的擺動量不應超過規定值。

（7）電流穩定，不超過額定值，各種儀表靈敏好用。

（8）空載試車后，應進行水試車4～8h，加料試車應不少于一個反應周期。

3.驗收

試車合格后按規定辦理驗收手續，移交生產。驗收技術資料應包括如下內容：

（1）檢修質量及缺陷記錄。

（2）水壓試驗、氣密性試驗及液壓試驗記錄。

（3）主要零部件的無損檢驗報告。

（4）更換零部件的清單。

（5）結構、尺寸、材質變更的審批文件。