反應器（反應釜）的結構和工作原理

　　反應器是一種實現(xiàn)反應過程的設備，用于實現(xiàn)液相單相反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應過程。器內(nèi)常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內(nèi)設置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱。

　　按操作方式分

　　1、間歇釜式反應器或稱間歇釜

　　操作靈活，易于適應不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應過程，如一些發(fā)酵反應和聚合反應，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。

　　間歇操作反應器系將原料按一定配比一次加入反應器，待反應達到一定要求后，一次卸出物料。連續(xù)操作反應器系連續(xù)加入原料，連續(xù)排出反應產(chǎn)物。當操作達到定態(tài)時，反應器內(nèi)任何位置上物料的組成、溫度等狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化。半連續(xù)操作反應器也稱為半間歇操作反應器，介于上述兩者之間，通常是將一種反應物一次加入，然后連續(xù)加入另一種反應物。反應達到一定要求后，停止操作并卸出物料。

　　間歇反應器的優(yōu)點是設備簡單，同一設備可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品，尤其適合于醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門小批量、多品種的生產(chǎn)。另外，間歇反應器中不存在物料的返混，對大多數(shù)反應有利。缺點是需要裝卸料、清洗等輔助工序，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。

　　2、連續(xù)釜式反應器,或稱連續(xù)釜

　　可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內(nèi)物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯(lián)副反應的場合，釜式反應器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時可采用多釜串聯(lián)反應器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。

　　生產(chǎn)應盡可能采用連續(xù)反應器。連續(xù)反應器的優(yōu)點是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于操作控制。其缺點是連續(xù)反應器中都存在程度不同的返混，這對大多數(shù)反應皆為不利因素，應通過反應器合理選型和結構設計加以抑制。

　　按結構分

　　一、管式反應器

　　由長徑比較大的空管或填充管構成，可用于實現(xiàn)氣相反應和液相反應。

　　性能特點：

　　1、由于反應物的分子在反應器內(nèi)停留時間相等，所以在反應器內(nèi)任何一點上的反應物濃度和化學反應速度都不隨時間而變化，只隨管長變化。

　　2、管式反應器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應較大的反應。

　　3、由于反應物在管式反應器中反應速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。

　　4、管式反應器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。

　　5、和釜式反應器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。

　　6、管式反應器既適用于液相反應，又適用于氣相反應。用于加壓反應尤為合適。

　　此外，管式反應器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點是，反應速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。

　　二、水平管式反應器

　　1.由無縫鋼管與U形管連接而成。這種結構易于加工制造和檢修。高壓反應管道的連接采用標準槽對焊鋼法蘭，可承受1600-10000kPa壓力。如用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達10000-20000kPa。

　　2.立管式反應器被應用于液相氨化反應、液相加氫反應、液相氧化反應等工藝中。

　　3.盤管式反應器將管式反應器做成盤管的形式，設備緊湊，節(jié)省空間。但檢修和清刷管道比較困難。

　　4.U形管式反應器的管內(nèi)設有多孔擋板或攪拌裝置，以強化傳熱與傳質(zhì)過程。U形管的直徑大，物料停留時間增長，可應用于反應速率較慢的反應。

　　5.多管并聯(lián)結構的管式反應器一般用于氣固相反應，例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器中反應制氯乙烯，氣相氮和氫混合物在多管并聯(lián)裝有固相鐵催化劑的反應器中合成氨。

　　二、釜式反應器:由長徑比較小的圓筒形容器構成，常裝有機械攪拌或氣流攪拌裝置，可用于液相單相反應過程和液液相、氣液相、氣液固相等多相反應過程。

　　性能特點：

　　1.釜式反應器具有適用的溫度和壓力范圍寬、適應性強、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。但用在較高轉化率工藝要求時，需要較大容積。通常在操作條件比較緩和的情況下操作，如常壓、溫度較低且低于物料沸點時，應用此類反應器最為普遍。

　　2.間歇釜式反應器,或稱間歇釜。操作靈活，易于適應不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應過程，如一些發(fā)酵反應和聚合反應，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。

　　3.連續(xù)釜式反應器,或稱連續(xù)釜

　　4.釜式攪拌反應器有立式容器中心攪拌、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器是最典型的一種。

　　多級串聯(lián)反應釜

　　三、塔式反應器

　　用于實現(xiàn)氣液相或液液相反應過程的塔式設備，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。

　　1.鼓泡塔反應器

　　鼓泡塔反應器廣泛應用于液體相也參與反應的中速、慢速反應和放熱量大的反應。例如，各種有機化合物的氧化反應、各種石蠟和芳烴的氯化反應、各種生物化學反應、污水處理曝氣氧化和氨水碳化生成固體碳酸氫銨等反應，都采用這種鼓泡塔反應器。

　　2.填料塔反應器

　　填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質(zhì)設備。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(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)設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。

　　3.板式塔反應器

　　板式塔反應器的液體是連續(xù)相而氣體是分散相，借助于氣相通過塔板分散成小氣泡而與板上液體相接觸進行化學反應。板式塔反應器適用于快速及中速反應。采用多板可以將軸向返混降低至最小程度，并且它可以在很小的液體流速下進行操作，從而能在單塔中直接獲得*的液相轉化率。同時，板式塔反應器的氣液傳質(zhì)系數(shù)較大，可以在板上安置冷卻或加熱元件，以適應維持所需溫度的要求。但是板式塔反應器具有氣相流動壓降較大和傳質(zhì)表面較小等缺點。

　　4.噴淋塔反應器

　　噴淋塔反應器結構較為簡單，液體以細小液滴的方式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相，具有相接觸面積大和氣相壓降小等優(yōu)點。適用于瞬間、界面和快速反應，也適用于生成固體的反應。噴淋塔反應器具有持液量小和液側傳質(zhì)系數(shù)過小，氣相和液相返混較為嚴重的缺點。

　　四、固定床反應器

　　又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現(xiàn)多相反應過程的一種反應器。固體物通常呈顆粒狀，粒徑2～15mm左右，堆積成一定高度（或厚度）的床層。床層靜止不動，流體通過床層進行反應。它與流化床反應器及移動床反應器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。固定床反應器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反應，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應時，床層則填裝固體反應物。涓流床反應器也可歸屬于固定床反應器，氣、液相并流向下通過床層，呈氣液固相接觸。

　　1.軸向絕熱式固定床反應器

　　流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無熱交換。

　　2.絕熱式固定床反應器

　　它的結構簡單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，床內(nèi)沒有換熱裝置，預熱到一定溫度的反應物料流過床層進行反應就可以了。

　　3.徑向絕熱式固定床反應器

　　流體沿徑向流過床層，可采用離心流動或向心流動，床層同外界無熱交換。徑向反應器與軸向反應器相比，流體流動的距離較短,流道截面積較大,流體的壓力降較小。但徑向反應器的結構較軸向反應器復雜。以上兩種形式都屬絕熱反應器,適用于反應熱效應不大,或反應系統(tǒng)能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的溫度變化的場合。

　　4.列管式固定床反應器

　　由多根反應管并聯(lián)構成。管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數(shù)可多達上萬根。列管式固定床反應器適用于反應熱效應較大的反應。此外，尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應器，稱為多級固定床反應器。例如：當反應熱效應大或需分段控制溫度時，可將多個絕熱反應器串聯(lián)成多級絕熱式固定床反應器,反應器之間設換熱器或補充物料以調(diào)節(jié)溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。

　　五、流化床反應器

　　流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應器。流化床反應器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應用為20世紀20年代出現(xiàn)的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）；但現(xiàn)代流化反應技術的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。目前，流化床反應器已在化工、石油、冶金、核工業(yè)等部門得到廣泛應用。

　　優(yōu)點是：

　　1、可以實現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；

　　2、流體和顆粒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；

　　3、便于進行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。

　　流化床反應器的床型

　　六、移動床反應器

　　由固體顆粒參與的反應器，與固定床反應器相似，不同之處固體顆粒自反應器頂部連續(xù)加入，自上而下移動，由底部卸出。適用于催化劑需連續(xù)進行再生的催化反應過程和固相加工反應。

　　鋼鐵工業(yè)和城市煤氣工業(yè)發(fā)展之初，移動床反應器就曾被用于煤的氣化。1934年研制成功的移動床加壓氣化器（魯奇爐），至今仍是的煤氣化裝置，其單臺日生產(chǎn)能力已達到1Mm以上。石油催化裂化發(fā)展初期，曾采用移動床反應器，但現(xiàn)已被流化床反應器和提升管反應器所取代。目前，應用移動床反應器的重要化工生產(chǎn)過程有連續(xù)重整、二甲苯異構化等催化反應過程和連續(xù)法離子交換水處理過程。