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(guò)程的設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)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(shí)，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過(guò)程中物料需加熱或冷卻時(shí)，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(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。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(shí)間較長(zhǎng)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(guò)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(shí)，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(shí)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(jiǎn)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(duì)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(huì)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(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)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(chǎng)合，釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時(shí)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。大規(guī)模生產(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(duì)大多數(shù)反應(yīng)皆為不利因素，應(yīng)通過(guò)反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以抑制。由長(zhǎng)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)。1、由于反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)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(shí)間而變化，只隨管長(zhǎng)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(shí)所需管道過(guò)長(zhǎng)，工業(yè)上不易實(shí)現(xiàn)。
由無(wú)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(duì)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。
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。
將管式反應(yīng)器做成盤(pán)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。
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(guò)程。U形管的直徑大，物料停留時(shí)間增長(zhǎng)，可應(yīng)用于反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)。
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。由長(zhǎng)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(guò)程和液液相、氣液相、氣液固相等多相反應(yīng)過(guò)程。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(shí)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(shí)，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(shí)，應(yīng)用此類反應(yīng)器最為普遍。
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(shí)間較長(zhǎng)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(guò)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。
連續(xù)釜式反應(yīng)器,或稱連續(xù)釜釜式攪拌反應(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。
用于實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相反應(yīng)過(guò)程的塔式設(shè)備，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等。
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。
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(guò)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。
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(guò)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極高的液相轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，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(dòng)壓降較大和傳質(zhì)表面較小等缺點(diǎn)。
噴淋塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(guò)小，氣相和液相返混較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)。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(guò)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(dòng)，流體通過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)。它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)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(shí)，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(guò)床層，呈氣液固相接觸。
流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無(wú)熱交換。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，催化劑均勻堆置于床內(nèi)，床內(nèi)沒(méi)有換熱裝置，預(yù)熱到一定溫度的反應(yīng)物料流過(guò)床層進(jìn)行反應(yīng)就可以了。
流體沿徑向流過(guò)床層，可采用離心流動(dòng)或向心流動(dòng)，床層同外界無(wú)熱交換。徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動(dòng)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(chǎng)合。
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(wàn)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(jí)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(shí)，可將多個(gè)絕熱反應(yīng)器串聯(lián)成多級(jí)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。
流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過(guò)顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過(guò)程或液固相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時(shí)，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(jiàn)煤氣化爐）；但現(xiàn)代流化反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)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。
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(dòng)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(guò)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。
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(dòng)，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(guò)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(dòng)床反應(yīng)器就曾被用于煤的氣化。1934年研制成功的移動(dòng)床加壓氣化器（魯奇爐），至今仍是規(guī)模最大的煤氣化裝置，其單臺(tái)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(dòng)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(dòng)床反應(yīng)器的重要化工生產(chǎn)過(guò)程有連續(xù)重整、二甲苯異構(gòu)化等催化反應(yīng)過(guò)程和連續(xù)法離子交換水處理過(guò)程。來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
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