反應(yīng)器（反應(yīng)釜）的結(jié)構(gòu)和工作原理
反應(yīng)器是一種實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的設(shè)備,，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過程和液液,、氣液、液固,、氣液固等多相反應(yīng)過程,。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)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(yīng)過程中物料需加熱或冷卻時,，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套,，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過外循環(huán)進(jìn)行換熱。
按操作方式分
1,、間歇釜式反應(yīng)器或稱間歇釜
操作靈活,，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量,、多品種,、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點(diǎn)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(yīng)過程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng),，實(shí)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(yīng)器系將原料按一定配比一次加入反應(yīng)器,，待反應(yīng)達(dá)到一定要求后,，一次卸出物料。連續(xù)操作反應(yīng)器系連續(xù)加入原料,，連續(xù)排出反應(yīng)產(chǎn)物,。當(dāng)操作達(dá)到定態(tài)時，反應(yīng)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(yīng)器也稱為半間歇操作反應(yīng)器，介于上述兩者之間,，通常是將一種反應(yīng)物一次加入,，然后連續(xù)加入另一種反應(yīng)物。反應(yīng)達(dá)到一定要求后,，停止操作并卸出物料,。
間歇反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，同一設(shè)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(yīng)器中不存在物料的返混，對大多數(shù)反應(yīng)有利,。缺點(diǎn)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(yīng)器,或稱連續(xù)釜
可避免間歇釜的缺點(diǎn),，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(yīng)釜相應(yīng)地稱作全混釜,。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場合,，釜式反應(yīng)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(yīng)器,以減小返混的不利影響,，并可分釜控制反應(yīng)條件,。
生產(chǎn)應(yīng)盡可能采用連續(xù)反應(yīng)器。連續(xù)反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,，易于操作控制,。其缺點(diǎn)是連續(xù)反應(yīng)器中都存在程度不同的返混，這對大多數(shù)反應(yīng)皆為不利因素,，應(yīng)通過反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計加以抑制,。
按結(jié)構(gòu)分
一,、管式反應(yīng)器
由長徑比較大的空管或填充管構(gòu)成,，可用于實(shí)現(xiàn)氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)。
性能特點(diǎn)：
1,、由于反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相等,，所以在反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)上的反應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時間而變化，只隨管長變化,。
2,、管式反應(yīng)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(yīng)較大的反應(yīng)。
3,、由于反應(yīng)物在管式反應(yīng)器中反應(yīng)速度快,、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高,。
4,、管式反應(yīng)器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。
5,、和釜式反應(yīng)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(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng),。用于加壓反應(yīng)尤為合適,。
此外，管式反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)分段溫度控制,。其主要缺點(diǎn)是,，反應(yīng)速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實(shí)現(xiàn),。
二,、水平管式反應(yīng)器
1.由無縫鋼管與U形管連接而成。這種結(jié)構(gòu)易于加工制造和檢修,。高壓反應(yīng)管道的連接采用標(biāo)準(zhǔn)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(dá)10000-20000kPa,。
2.立管式反應(yīng)器被應(yīng)用于液相氨化反應(yīng)、液相加氫反應(yīng),、液相氧化反應(yīng)等工藝中,。
3.盤管式反應(yīng)器將管式反應(yīng)器做成盤管的形式，設(shè)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(yīng)器的管內(nèi)設(shè)有多孔擋板或攪拌裝置,，以強(qiáng)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(yīng)用于反應(yīng)速率較慢的反應(yīng),。
5.多管并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管式反應(yīng)器一般用于氣固相反應(yīng)，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(yīng)器中反應(yīng)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(yīng)器中合成氨,。
二、釜式反應(yīng)器:由長徑比較小的圓筒形容器構(gòu)成,，常裝有機(jī)械攪拌或氣流攪拌裝置,，可用于液相單相反應(yīng)過程和液液相、氣液相,、氣液固相等多相反應(yīng)過程,。
性能特點(diǎn)：
1.釜式反應(yīng)器具有適用的溫度和壓力范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng),、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(diǎn)。但用在較高轉(zhuǎn)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(diǎn)時,，應(yīng)用此類反應(yīng)器最為普遍。
2.間歇釜式反應(yīng)器,或稱間歇釜,。操作靈活,，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量,、多品種,、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點(diǎn)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(yīng)過程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng),，實(shí)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(yīng)器,或稱連續(xù)釜
4.釜式攪拌反應(yīng)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(yīng)器是最典型的一種。
多級串聯(lián)反應(yīng)釜
三,、塔式反應(yīng)器
用于實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相反應(yīng)過程的塔式設(shè)備,，包括填充塔、板式塔,、鼓泡塔等,。
1.鼓泡塔反應(yīng)器
鼓泡塔反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于液體相也參與反應(yīng)的中速、慢速反應(yīng)和放熱量大的反應(yīng),。例如,，各種有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)、各種石蠟和芳烴的氯化反應(yīng),、各種生物化學(xué)反應(yīng),、污水處理曝氣氧化和氨水碳化生成固體碳酸氫銨等反應(yīng)，都采用這種鼓泡塔反應(yīng)器,。
2.填料塔反應(yīng)器
填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)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(shè)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(jìn)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,，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(yīng)器
板式塔反應(yīng)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。板式塔反應(yīng)器適用于快速及中速反應(yīng),。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(jìn)行操作，從而能在單塔中直接獲得*的液相轉(zhuǎn)化率,。同時,，板式塔反應(yīng)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(yīng)維持所需溫度的要求,。但是板式塔反應(yīng)器具有氣相流動壓降較大和傳質(zhì)表面較小等缺點(diǎn)。
4.噴淋塔反應(yīng)器
噴淋塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡單,，液體以細(xì)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(diǎn),。適用于瞬間、界面和快速反應(yīng),，也適用于生成固體的反應(yīng),。噴淋塔反應(yīng)器具有持液量小和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)過小，氣相和液相返混較為嚴(yán)重的缺點(diǎn),。
四,、固定床反應(yīng)器
又稱填充床反應(yīng)器，裝填有固體催化劑或固體反應(yīng)物用以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)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(jìn)行反應(yīng),。它與流化床反應(yīng)器及移動床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng),，如氨合成塔,、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等,。用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時,，床層則填裝固體反應(yīng)物。涓流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)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(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.絕熱式固定床反應(yīng)器
它的結(jié)構(gòu)簡單,，催化劑均勻堆置于床內(nèi),，床內(nèi)沒有換熱裝置，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料流過床層進(jìn)行反應(yīng)就可以了,。
3.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，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,流道截面積較大,流體的壓力降較小。但徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較軸向反應(yīng)器復(fù)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)引起的溫度變化的場合,。
4.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)或管間置催化劑,，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進(jìn)行加熱或冷卻,，管徑通常在25～50mm之間,，管數(shù)可多達(dá)上萬根,。列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。此外,，尚有由上述基本形式串聯(lián)組合而成的反應(yīng)器,，稱為多級固定床反應(yīng)器。例如：當(dāng)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(bǔ)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(yīng)器
流化床反應(yīng)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(yùn)動狀態(tài),，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器,。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床反應(yīng)器,。流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀(jì)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(yīng)技術(shù)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(yīng)器已在化工、石油,、冶金,、核工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。
優(yōu)點(diǎn)是：
1,、可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出,；
2、流體和顆粒的運(yùn)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(qiáng)放熱反應(yīng),；
3,、便于進(jìn)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(jìn)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(yīng)器的床型
六、移動床反應(yīng)器
由固體顆粒參與的反應(yīng)器,，與固定床反應(yīng)器相似,，不同之處固體顆粒自反應(yīng)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(jìn)行再生的催化反應(yīng)過程和固相加工反應(yīng)。
鋼鐵工業(yè)和城市煤氣工業(yè)發(fā)展之初,，移動床反應(yīng)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(dá)到1Mm以上,。石油催化裂化發(fā)展初期，曾采用移動床反應(yīng)器,，但現(xiàn)已被流化床反應(yīng)器和提升管反應(yīng)器所取代,。目前，應(yīng)用移動床反應(yīng)器的重要化工生產(chǎn)過程有連續(xù)重整,、二甲苯異構(gòu)化等催化反應(yīng)過程和連續(xù)法離子交換水處理過程,。
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