反應(yīng)器的基礎(chǔ)知識

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化學反應(yīng)器是化工生產(chǎn)的核心設(shè)備，反應(yīng)器的形式對化工生產(chǎn)有著十分重要的影響，能夠直接影響生產(chǎn)安全和產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)反應(yīng)器的形式特點，主要可以分為釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、床式反應(yīng)器、微反應(yīng)器等。釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器又稱反應(yīng)釜、鍋式反應(yīng)器。它是各類反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)用最為廣泛的一種反應(yīng)器，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。它可用來進行均相反應(yīng)或者以液相為主的非均相反應(yīng)，如液-液相、液-固相、氣-液相、氣-液-固相等。釜式反應(yīng)器具有較寬的適用溫度和壓力范圍、適應(yīng)性強、操作彈性大、連續(xù)操作時溫度濃度容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量均一等特點。通常在操作條件比較緩和的情況下，如常壓、低溫且低于物料沸點時，應(yīng)用此類反應(yīng)器最為常見。反應(yīng)條件較為苛刻時（如高溫、高壓、強腐蝕性等），也可采用專用釜式反應(yīng)器進行生產(chǎn)。釜式反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)主要由釜體、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置和換熱裝置組成。釜式反應(yīng)器按操作方式可分為（1）間歇釜??又稱間歇釜式反應(yīng)器，其主要特點是操作靈活，能適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，對于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)尤為適用。間歇釜的缺點是需有裝料和卸料等輔助操作過程，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。但有些反應(yīng)過程，如發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng)等，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，目前仍然采用間歇釜進行生產(chǎn)。（2）連續(xù)釜??又稱連續(xù)釜式反應(yīng)器，由多個反應(yīng)釜串聯(lián)組成。與間歇釜相比，連續(xù)釜能夠節(jié)省加料和卸料時間，生產(chǎn)連續(xù)，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定。連續(xù)釜的缺點是由于攪拌的作用易造成物料返混，影響產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率。（3）半連續(xù)釜??又稱半連續(xù)釜式反應(yīng)器，指一種或多種原料一次性加入，另一種或多種原料連續(xù)加入的反應(yīng)器，其特性介于間歇釜和連續(xù)釜之間。反應(yīng)釜按照攪拌方式的不同又可以分為立式容器中心攪拌、偏心攪拌、傾斜攪拌，臥式容器攪拌等類型，其中以立式容器中心攪拌反應(yīng)器是最為常用。管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器通常長徑比較大，外形呈管狀，是一種連續(xù)操作反應(yīng)器，屬于平推流反應(yīng)器，多用于均相反應(yīng)過程。管式反應(yīng)器具有返混小、比表面積大、容積效率（單位容積生產(chǎn)能力）高等特點，對要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的工藝尤為適用。但對于慢速反應(yīng)，則需要的管路更長，導致反應(yīng)器內(nèi)壓降較大，影響反應(yīng)效果。此外，管式反應(yīng)器還可分段實現(xiàn)工藝條件控制，創(chuàng)造適宜的溫度梯度、壓力梯度、濃度梯度。因此，管式反應(yīng)器具有轉(zhuǎn)化率高和選擇性高等特點。在連續(xù)操作的生產(chǎn)過程中，長徑比較大的管式反應(yīng)器可以近似看成理想置換流動反應(yīng)器。它既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。由于管式反應(yīng)器承受壓力較高，因此，適用于加壓反應(yīng)。與釜式反應(yīng)器相比，管式反應(yīng)器熱交換面積大、冷卻能力強，所以管式反應(yīng)器可適用于強放熱反應(yīng)過程。管式反應(yīng)器按照結(jié)構(gòu)可分為

1（1）水平管式反應(yīng)器??水平管式反應(yīng)器由無縫鋼管與U形管或法蘭連接而成，其特點是制造簡單、維修方便，能承受較高的壓力。（2）立管式反應(yīng)器??立管式反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛，目前在液相氨化、液相加氫、液相氧化等反應(yīng)中都有應(yīng)用。它包括單程式立管反應(yīng)器和多程式立管反應(yīng)器。（3）盤管式反應(yīng)器??盤管式反應(yīng)器將管式反應(yīng)器做成水平盤管的形狀，設(shè)備緊湊、節(jié)省空間，但不利于檢修維護和管道清洗。（4）U形管反應(yīng)器?U形管反應(yīng)器的管內(nèi)設(shè)有多孔擋板或攪拌裝置，以強化傳熱與傳質(zhì)過程。U形管反應(yīng)器的管路直徑大，物料停留時間長，可應(yīng)用于反應(yīng)速率較慢的化學反應(yīng)。如帶多孔擋板的U形管反應(yīng)器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于己內(nèi)酰胺的聚合反應(yīng)。帶攪拌的U形管反應(yīng)器適用于非均相反應(yīng)或液固相懸浮反應(yīng)，如甲苯連續(xù)硝化和蒽醌連續(xù)磺化等反應(yīng)類型。（5）多管并聯(lián)式反應(yīng)器??由于管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比較靈活，在工業(yè)生產(chǎn)中為滿足不同工藝的生產(chǎn)需要，經(jīng)常采用多管并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管式反應(yīng)器。如氣相氯化氫和乙炔在多管并聯(lián)裝有固相催化劑的反應(yīng)器中反應(yīng)制備氯乙烯，氣相氮和氫氣混合物在多管并聯(lián)裝有固相催化劑的反應(yīng)器中合成氨。塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器除廣泛用于精餾、吸收、萃取等工藝外，還可用作反應(yīng)器進行化學反應(yīng)，如加氫、磺化、鹵化等。常見的塔式反應(yīng)器主要分為以下幾種∶（1）填料塔反應(yīng)器?填料塔反應(yīng)器主要用于氣液相參與的化學反應(yīng)，是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相傳質(zhì)的設(shè)備。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面下流，在填料表面形成液膜。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布器（小直徑塔也可不設(shè)氣體分布器）分布后，與液體形成逆向流動，連續(xù)通過填料層的空隙。在填料表面上，氣液兩相密切接觸，進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化。一般情況下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。填料塔反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，壓降小，適用于有腐蝕性物料參與或生成的反應(yīng)。但是在填料塔反應(yīng)器中，各相物料接觸時間較短，對于快速和瞬間反應(yīng)過程，能夠獲得較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率，但對于較慢的化學反應(yīng)并不適用。另外，塔式反應(yīng)器熱交換效果差，對于放熱量較大的反應(yīng)，只能采取增加液體噴淋量來降低反應(yīng)器內(nèi)部的溫度。（2）鼓泡塔反應(yīng)器?鼓泡塔反應(yīng)器是塔內(nèi)充滿液體，氣體從反應(yīng)器底部連續(xù)進入，分散成氣泡，沿著液體上升，與液相接觸進行反應(yīng)的同時，攪動塔內(nèi)液體以增加傳質(zhì)速率。這類反應(yīng)器適用于液相參與的中、慢速反應(yīng)和放熱量較大的反應(yīng)。如各種有機化合物參與的氧化反應(yīng)等。鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、使用和維護比較方便，參與反應(yīng)的氣液兩相接觸面積大，混合充分。但是，在鼓泡時消耗的壓降較大，塔內(nèi)物料返混嚴重，很難在單一連續(xù)反應(yīng)器中獲得較高的液相轉(zhuǎn)化率。（3）板式塔反應(yīng)器?板式塔反應(yīng)器是液體橫向流過塔板后經(jīng)溢流堰溢流進入降液管，液體在降液管內(nèi)釋放夾帶的氣體，從降液管底部間隙流至下一層塔板。塔板下方的氣體穿過塔板上的氣相通道，如篩孔、浮閥等，進入塔板上的液層鼓泡，氣液接觸進行傳質(zhì)。氣相離開液面層而奔向上一層塔板，進行多級的接觸傳質(zhì)。板式塔反應(yīng)器具有逐板操作的特點，采用的塔板數(shù)越多，軸向返混越小，從而獲得較高的液相轉(zhuǎn)化率。另外，塔板間可設(shè)置傳熱裝置，用來移出和移入熱量。（4）噴淋塔反應(yīng)器??噴淋塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡單，液體經(jīng)噴淋后，以細小液滴

2的形式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相，具有接觸面積大和氣體壓降小等優(yōu)點。適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)過程，特別適用于有污泥、沉淀和生成固體產(chǎn)物的反應(yīng)體系。但噴淋塔反應(yīng)器持液量小，傳質(zhì)系數(shù)小，氣液兩相返混嚴重。床式反應(yīng)器床式反應(yīng)器主要適用于固相物料或固體催化劑參與的化學反應(yīng)。常見的床式反應(yīng)器可以分為以下幾種∶（1）固定床反應(yīng)器??固定床反應(yīng)器又稱填充床反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)部裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用于實現(xiàn)多相反應(yīng)過程。固體物通常呈顆粒狀，堆積成一定高度或厚度的床層，床層靜止不動，流體通過床層發(fā)生反應(yīng)。固定床反應(yīng)器有以下幾種基本形式①軸向絕熱式固定床反應(yīng)器。流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。②徑向絕熱式固定床反應(yīng)器。流體沿徑向流過床層，可采用離心流動或向心流動的方式，床層同外界無熱交換。徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動的距離較短，截面積大，流體的壓降較小。但徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較為復雜。以上兩種形式都屬絕熱反應(yīng)器，適用于反應(yīng)熱效應(yīng)不大，或反應(yīng)系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應(yīng)熱效應(yīng)引起的溫度變化的反應(yīng)過程。③列管式固定床反應(yīng)器。由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成。管內(nèi)或管間布置催化劑，冷熱載體流經(jīng)管間或管內(nèi)進行加熱或冷卻。列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)相對較大的反應(yīng)。④多級固定床反應(yīng)器。是根據(jù)反應(yīng)過程中不同的工藝條件的需要，將上述基本形式的反應(yīng)器串聯(lián)起來，組合而成的反應(yīng)器。如∶當反應(yīng)熱效應(yīng)大或需分段控制溫度時，可將多個絕熱反應(yīng)器串聯(lián)成多級絕熱式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器之間設(shè)換熱器或補充物料以調(diào)節(jié)體系溫度，以便于反應(yīng)在最佳工藝條件下進行。固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，物料不易返混，催化劑機械損耗小，流體同催化劑可進行有效接觸。但固定床反應(yīng)器傳熱差，熱移出效果不好，當反應(yīng)放熱量很大時，易導致熱失控，超過工藝最大允許溫度范圍，從而影響生產(chǎn)安全。另外，固定床反應(yīng)器操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不適用，此種情況通常以流化床反應(yīng)器代替固定床反應(yīng)器。（2）流化床反應(yīng)器??流化床反應(yīng)器主要是指氣體在由固體物料或催化劑構(gòu)成的沸騰床層內(nèi)進行化學反應(yīng)的設(shè)備。氣體以一定的流速將堆積成一定厚度（床層）的催化劑或固體物料強烈攪動，使之像沸騰的液體一樣并具有液體的一些特性，如對容器壁有壓力的作用、能溢流、具有黏度等。反應(yīng)器頂部有擴大段，裝有旋風分離器，回收被氣體帶走的催化劑或固體物料。底部設(shè)置原料進口管和氣體分布器，中部為反應(yīng)段，裝有冷卻水管和導向擋板，用以控制反應(yīng)溫度和改善氣固兩相接觸條件。流化床反應(yīng)器已在石油、化工、冶金、核工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。流化床反應(yīng)器具有以下優(yōu)點①可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應(yīng)；③便于催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)使用，適用于催化劑失活速率高的反應(yīng)過程。

3（3）移動床反應(yīng)器??移動床反應(yīng)器適用于固體顆粒或固體催化劑參與的反應(yīng)，與固定床反應(yīng)器相似，不同之處是固體物料或固體催化劑自反應(yīng)器頂部連續(xù)加入，液相或氣相通過固體床層以進行反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進行，固體物料逐漸下移，最后由底部卸出。與固定床反應(yīng)器及流化床反應(yīng)器相比，移動床反應(yīng)器的主要優(yōu)點是可以控制固體和流體的停留時間，液相返混較?。蝗秉c是控制固體顆粒的均勻下移比較困難。微反應(yīng)器微反應(yīng)器又稱微通道反應(yīng)器，主要是指用微加工技術(shù)生產(chǎn)制造的裝置，適用于化學反應(yīng)研究。微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為復雜，是一種集換熱、混合、分離和控制等功能于一體的微反應(yīng)系統(tǒng)。在科研工作中，微反應(yīng)器主要應(yīng)用于催化劑評價和動力學研究，也可用作反應(yīng)熱分析，有較高的靈敏度。隨著微反應(yīng)器技術(shù)的日漸發(fā)展，根據(jù)其自身的性能特點，也可用于以下化學反應(yīng)過程∶（1）放熱劇烈的反應(yīng)。對于反應(yīng)熱較大的化學反應(yīng)，常規(guī)反應(yīng)器一般采用滴加物料的方式，滴加物料瞬時，由于局部濃度過高，容易發(fā)生局部劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生較大的反應(yīng)熱，生成一定量的副產(chǎn)物。微反應(yīng)器能夠及時地導出熱量，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)溫度的精準控制，消除局部熱效應(yīng)大的弊端，提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率。（2）反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的化學反應(yīng)。某些化學反應(yīng)，由于反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定，長時間停留在反應(yīng)器中易發(fā)生分解，從而影響產(chǎn)品的收率。微反應(yīng)器是連續(xù)流動的反應(yīng)體系，且可以精準控制反應(yīng)物或生成物的停留時間，從而避免因停留時間過長而產(chǎn)生的物料分解，保證產(chǎn)品收率及安全生產(chǎn)。（3）要求反應(yīng)物配比精準的化學反應(yīng)。對于要求配比精準的反應(yīng)體系，微反應(yīng)器可以在很短的時間內(nèi)達到均勻混合，避免局部過量，減少副產(chǎn)物的生成量。（4）危險化學反應(yīng)及高溫高壓反應(yīng)。對于一些危險化學反應(yīng)，生產(chǎn)過程中易發(fā)生失控，導致溫度急劇升高、壓力急劇增大，容易引起沖料甚至爆炸。微反應(yīng)器能夠迅速移出反應(yīng)熱，且能承受較高的壓力，使用微反應(yīng)器進行此類反應(yīng)更加安全。隨著微反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展的逐漸成熟，微反應(yīng)系統(tǒng)已在科研工作中得到廣泛應(yīng)用。但是，微反應(yīng)器體積小，生產(chǎn)能力低，工業(yè)生產(chǎn)需要的設(shè)備基數(shù)大，監(jiān)測和控制過程繁雜，反應(yīng)器內(nèi)部通道尺寸小、易堵塞，且難以清理，工業(yè)化成本高。這些因素都制約了微反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中的規(guī)?；褂?。