反应器的基础知识.docx

反应器的基础知识
化学反应器是化工生产的核心设备，反应器的形式对化工生产有着十分重要的影响，能够直接影响生产安全和产品的质量。根据反应器的形式特点，主要可以分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、床式反应器、微反应器等。
釜式反应器
釜式反应器又称反应釜、锅式反应器。它是各类反应器中结构较为简单且应用最为广泛的一种反应器，被广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药等领域。它可用来进行均相反应或者以液相为主的非均相反应，如液-液相、液-固相、气-液相、气-液-固相等。
釜式反应器具有较宽的适用温度和压力范围、适应性强、操作弹性大、连续操作时温度浓度容易控制、产品质量均一等特点。通常在操作条件比较缓和的情况下，如常压、低温且低于物料沸点时，应用此类反应器最为常见。反应条件较为苛刻时（如高温、高压、强腐蚀性等），也可采用专用釜式反应器进行生产。
釜式反应器的主体结构主要由釜体、搅拌装置、传动装置、轴封装置和换热装置组成。
釜式反应器按操作方式可分为
（1）间歇釜  又称间歇釜式反应器，其主要特点是操作灵活，能适应不同操作条件和产品品种，对于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产尤为适用。间歇釜的缺点是需有装料和卸料等辅助操作过程，产品质量不易稳定。但有些反应过程，如发酵反应和聚合反应等，实现连续生产尚有困难，目前仍然采用间歇釜进行生产。

（2）连续釜  又称连续釜式反应器，由多个反应釜串联组成。与间歇釜相比，连续釜能够节省加料和卸料时间，生产连续，产品质量比较稳定。连续釜的缺点是由于搅拌的作用易造成物料返混，影响产品的转化率。

（3）半连续釜  又称半连续釜式反应器，指一种或多种原料一次性加入，另一种或多种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。反应釜按照搅拌方式的不同又可以分为立式容器中心搅拌、偏心搅拌、倾斜搅拌，卧式容器搅拌等类型，其中以立式容器中心搅拌反应器是最为常用。
管式反应器
管式反应器通常长径比较大，外形呈管状，是一种连续操作反应器，属于平推流反应器，多用于均相反应过程。管式反应器具有返混小、比表面积大、容积效率（单位容积生产能力）高等特点，对要求转化率高或有串联副反应的工艺尤为适用。但对于慢速反应，则需要的管路更长，导致反应器内压降较大，影响反应效果。此外，管式反应器还可分段实现工艺条件控制，创造适宜的温度梯度、压力梯度、浓度梯度。因此，管式反应器具有转化率高和选择性高等特点。
在连续操作的生产过程中，长径比较大的管式反应器可以近似看成理想置换流动反应器。它既适用于液相反应，又适用于气相反应。由于管式反应器承受压力较高，因此，适用于加压反应。与釜式反应器相比，管式反应器热交换面积大、冷却能力强，所以管式反应器可适用于强放热反应过程。
管式反应器按照结构可分为
（1）水平管式反应器  水平管式反应器由无缝钢管与U形管或法兰连接而成，其特点是制造简单、维修方便，能承受较高的压力。
（2）立管式反应器  立管式反应器在工业生产中使用广泛，目前在液相氨化、液相加氢、液相氧化等反应中都有应用。它包括单程式立管反应器和多程式立管反应器。
（3）盘管式反应器  盘管式反应器将管式反应器做成水平盘管的形状，设备紧凑、节省空间，但不利于检修维护和管道清洗。
（4）U形管反应器 U形管反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管反应器的管路直径大，物料停留时间长，可应用于反应速率较慢的化学反应。如带多孔挡板的U形管反应器已经被广泛应用于己内酰胺的聚合反应。带搅拌的U形管反应器适用于非均相反应或液固相悬浮反应，如甲苯连续硝化和蒽醌连续磺化等反应类型。
（5）多管并联式反应器  由于管式反应器结构比较灵活，在工业生产中为满足不同工艺的生产需要，经常采用多管并联结构的管式反应器。如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制备氯乙烯，气相氮和氢气混合物在多管并联装有固相催化剂的反应器中合成氨。
塔式反应器
塔式反应器除广泛用于精馏、吸收、萃取等工艺外，还可用作反应器进行化学反应，如加氢、磺化、卤化等。常见的塔式反应器主要分为以下几种∶

（1）填料塔反应器 填料塔反应器主要用于气液相参与的化学反应，是以塔内的填料作为气液两相传质的设备。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面下流，在填料表面形成液膜。气体从塔底送入，经气体分布器（小直径塔也可不设气体分布器）分布后，与液体形成逆向流动，连续通过填料层的空隙。在填料表面上，气液两相密切接触，进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化。一般情况下，气相为连续相，液相为分散相。
填料塔反应器的结构简单，压降小，适用于有腐蚀性物料参与或生成的反应。但是在填料塔反应器中，各相物料接触时间较短，对于快速和瞬间反应过程，能够获得较大的产品转化率，但对于较慢的化学反应并不适用。另外，塔式反应器热交换效果差，对于放热量较大的反应，只能采取增加液体喷淋量来降低反应器内部的温度。
（2）鼓泡塔反应器 鼓泡塔反应器是塔内充满液体，气体从反应器底部连续进入，分散成气泡，沿着液体上升，与液相接触进行反应的同时，搅动塔内液体以增加传质速率。这类反应器适用于液相参与的中、慢速反应和放热量较大的反应。如各种有机化合物参与的氧化反应等。
鼓泡塔反应器结构简单、造价低廉、使用和维护比较方便，参与反应的气液两相接触面积大，混合充分。但是，在鼓泡时消耗的压降较大，塔内物料返混严重，很难在单一连续反应器中获得较高的液相转化率。
（3）板式塔反应器 板式塔反应器是液体横向流过塔板后经溢流堰溢流进入降液管，液体在降液管内释放夹带的气体，从降液管底部间隙流至下一层塔板。塔板下方的气体穿过塔板上的气相通道，如筛孔、浮阀等，进入塔板上的液层鼓泡，气液接触进行传质。气相离开液面层而奔向上一层塔板，进行多级的接触传质。
板式塔反应器具有逐板操作的特点，采用的塔板数越多，轴向返混越小，从而获得较高的液相转化率。另外，塔板间可设置传热装置，用来移出和移入热量。
（4）喷淋塔反应器  喷淋塔反应器结构较为简单，液体经喷淋后，以细小液滴的形式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，具有接触面积大和气体压降小等优点。适用于瞬间、界面和快速反应过程，特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的反应体系。但喷淋塔反应器持液量小，传质系数小，气液两相返混严重。
床式反应器
床式反应器主要适用于固相物料或固体催化剂参与的化学反应。常见的床式反应器可以分为以下几种∶
（1）固定床反应器  固定床反应器又称填充床反应器，反应器内部装填有固体催化剂或固体反应物用于实现多相反应过程。固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度或厚度的床层，床层静止不动，流体通过床层发生反应。
固定床反应器有以下几种基本形式
① 轴向绝热式固定床反应器。流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。
②径向绝热式固定床反应器。流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动的方式，床层同外界无热交换。
径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，截面积大，流体的压降较小。但径向反应器的结构较为复杂。以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的反应过程。
③ 列管式固定床反应器。由多根反应管并联构成。管内或管间布置催化剂，冷热载体流经管间或管内进行加热或冷却。列管式固定床反应器适用于反应热效应相对较大的反应。
④ 多级固定床反应器。是根据反应过程中不同的工艺条件的需要，将上述基本形式的反应器串联起来，组合而成的反应器。如∶当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器，反应器之间设换热器或补充物料以调节体系温度，以便于反应在最佳工艺条件下进行。
固定床反应器结构简单，物料不易返混，催化剂机械损耗小，流体同催化剂可进行有效接触。但固定床反应器传热差，热移出效果不好，当反应放热量很大时，易导致热失控，超过工艺最大允许温度范围，从而影响生产安全。另外，固定床反应器操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不适用，此种情况通常以流化床反应器代替固定床反应器。
（2）流化床反应器  流化床反应器主要是指气体在由固体物料或催化剂构成的沸腾床层内进行化学反应的设备。气体以一定的流速将堆积成一定厚度（床层）的催化剂或固体物料强烈搅动，使之像沸腾的液体一样并具有液体的一些特性，如对容器壁有压力的作用、能溢流、具有黏度等。反应器顶部有扩大段，装有旋风分离器，回收被气体带走的催化剂或固体物料。底部设置原料进口管和气体分布器，中部为反应段，装有冷却水管和导向挡板，用以控制反应温度和改善气固两相接触条件。
流化床反应器已在石油、化工、冶金、核工业等领域得到广泛应用。
流化床反应器具有以下优点
①可以实现固体物料的连续输入和输出；
②流体的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；
③便于催化剂的连续再生和循环使用，适用于催化剂失活速率高的反应过程。
（3）移动床反应器  移动床反应器适用于固体颗粒或固体催化剂参与的反应，与固定床反应器相似，不同之处是固体物料或固体催化剂自反应器顶部连续加入，液相或气相通过固体床层以进行反应。随着反应的进行，固体物料逐渐下移，最后由底部卸出。
与固定床反应器及流化床反应器相比，移动床反应器的主要优点是可以控制固体和流体的停留时间，液相返混较小；缺点是控制固体颗粒的均匀下移比较困难。
微反应器
微反应器又称微通道反应器，主要是指用微加工技术生产制造的装置，适用于化学反应研究。微反应器结构较为复杂，是一种集换热、混合、分离和控制等功能于一体的微反应系统。
在科研工作中，微反应器主要应用于催化剂评价和动力学研究，也可用作反应热分析，有较高的灵敏度。随着微反应器技术的日渐发展，根据其自身的性能特点，也可用于以下化学反应过程∶
（1）放热剧烈的反应。对于反应热较大的化学反应，常规反应器一般采用滴加物料的方式，滴加物料瞬时，由于局部浓度过高，容易发生局部剧烈反应，产生较大的反应热，生成一定量的副产物。微反应器能够及时地导出热量，能够实现反应温度的精准控制，消除局部热效应大的弊端，提高产品的转化率。
（2）反应物或产物不稳定的化学反应。某些化学反应，由于反应物或产物不稳定，长时间停留在反应器中易发生分解，从而影响产品的收率。微反应器是连续流动的反应体系，且可以精准控制反应物或生成物的停留时间，从而避免因停留时间过长而产生的物料分解，保证产品收率及安全生产。
（3）要求反应物配比精准的化学反应。对于要求配比精准的反应体系，微反应器可以在很短的时间内达到均匀混合，避免局部过量，减少副产物的生成量。
（4）危险化学反应及高温高压反应。对于一些危险化学反应，生产过程中易发生失控，导致温度急剧升高、压力急剧增大，容易引起冲料甚至爆炸。微反应器能够迅速移出反应热，且能承受较高的压力，使用微反应器进行此类反应更加安全。
随着微反应器技术发展的逐渐成熟，微反应系统已在科研工作中得到广泛应用。但是，微反应器体积小，生产能力低，工业生产需要的设备基数大，监测和控制过程繁杂，反应器内部通道尺寸小、易堵塞，且难以清理，工业化成本高。这些因素都制约了微反应器在工业生产中的规模化使用。
除上述介绍的反应器形式外，还有涓流床反应器、旋流反应器、环流反应器、生物膜反应器等。化工生产涉猎广泛，工艺过程复杂，反应器又是化工生产中的核心设备，选择合适的反应器不但能提高生产效率和产品转化率，也可以使化工生产过程更稳定，而且对化工生产过程安全具有极其重要的意义。因此根据物料及工艺特性，以满足工艺条件和符合实际生产需要为准则，科学合理地选择反应器形式至关重要。