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反應器

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,或在器內設置換熱面,也可通過外循環(huán)進行換熱。反應器的應用始于古代,制造陶器的窯爐就是一種原始的反應器。近代工業(yè)中的反應器形式多樣,例如:冶金工業(yè)中的高爐和轉爐；生物工程中的發(fā)酵罐以及各種燃燒器,都是不同形式的反應器。

常用反應器的類型有：

①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。

②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。用于氣液相反應過程的稱為鼓泡攪拌釜（見鼓泡反應器）；用于氣液固相反應過程的稱為攪拌釜式漿態(tài)反應器。

③有固體顆粒床層的反應器。氣體或(和)液體通過固定的或運動的固體顆粒床層以實現(xiàn)多相反應過程,包括固定床反應器、流化床反應器、移動床反應器、涓流床反應器等。

④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）。

⑤噴射反應器。利用噴射器進行混合,實現(xiàn)氣相或液相單相反應過程和氣液相、液液相等多相反應過程的設備。

⑥其他多種非典型反應器。如回轉窯、曝氣池等。

分間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式三種。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)排出反應產物。當操作達到定態(tài)時,反應器內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多種產品,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。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,產品質量不易穩(wěn)定。

大規(guī)模生產應盡可能采用連續(xù)反應器。連續(xù)反應器的優(yōu)點是產品質量穩(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。

對有兩種以上原料的連續(xù)反應器,物料流向可采用并流或逆流。對幾個反應器組成級聯(lián)的設備,還可采用錯流加料,即一種原料依次通過各個反應器,另一種原料分別加入各反應器。除流向外,還有原料是從反應器的一端(或兩端)加入和分段加入之分。分段加入指一種原料由一端加入,另一種原料分成幾段從反應器的不同位置加入,錯流也可看成一種分段加料方式。采用什么加料方式,須根據(jù)反應過程的特征決定。

多數(shù)反應有明顯的熱效應。為使反應在適宜的溫度條件下進行,往往需對反應物系進行換熱。換熱方式有間接換熱和直接換熱。間接換熱指反應物料和載熱體通過間壁進行換熱,直接換熱指反應物料和載熱體直接接觸進行換熱。對放熱反應,可以用反應產物攜帶的反應熱來加熱反應原料,使之達到所需的反應溫度,這種反應器稱為自熱式反應器。

按反應過程中的換熱狀況,反應器可分為：

①等溫反應器反應物系溫度處處相等的一種理想反應器。反應熱效應極小,或反應物料和載熱體間充分換熱,或反應器內的熱量反饋極大（如劇烈攪拌的釜式反應器）的反應器,這樣可近似看作等溫反應器。

②絕熱反應器反應區(qū)與環(huán)境無熱量交換的一種理想反應器。反應區(qū)內無換熱裝置的大型工業(yè)反應器,與外界換熱可忽略時,可近似看作絕熱反應器。

③非等溫非絕熱反應器與外界有熱量交換,反應器內也有熱反饋,但達不到等溫條件的反應器,如列管式固定床反應器。

換熱可在反應區(qū)進行,如通過夾套進行換熱的攪拌釜,也可在反應區(qū)間進行,如級間換熱的多級反應器。

主要指反應器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應過程的敏感因素,必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列,使反應過程在優(yōu)化條件下進行。例如對可逆放熱反應應采用先高后低的溫度序列以兼顧反應速率和平衡轉化率（見化學平衡）。

反應器可在常壓、加壓或負壓（真空）下操作。加壓操作的反應器主要用于有氣體參與的反應過程,提高操作壓力有利于加速氣相反應,對于總摩爾數(shù)減小的氣相可逆反應,則可提高平衡轉化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度,故許多氣液相反應過程、氣液固相反應過程采用加壓操作,以提高反應速率,如對二甲苯氧化等。

對于特定的反應過程,反應器的選型需綜合考慮技術、經濟及安全等諸方面的因素。

反應過程的基本特征決定了適宜的反應器形式。例如氣固相反應過程大致是用固定床反應器、流化床反應器或移動床反應器。但是適宜的選型則需考慮反應的熱效應、對反應轉化率和選擇率的要求、催化劑物理化學性態(tài)和失活等多種因素,甚至需要對不同的反應器分別作出概念設計,進行技術的和經濟的分析以后才能確定。

除反應器的形式以外,反應器的操作方式和加料方式也需考慮。

例如,對于有串聯(lián)或平行副反應的過程,分段進料可能優(yōu)于一次進料。溫度序列也是反應器選型的一個重要因素。例如,對于放熱的可逆反應,應采用先高后低的溫度序列,多級、級間換熱式反應器可使反應器的溫度序列趨于合理。反應器在過程工業(yè)生產中占有重要地位。就全流程的建設投資和操作費用而言,反應器所占的比例未必很大。但其性能和操作的優(yōu)劣卻影響著前后處理及產品的產量和質量,對原料消耗、能量消耗和產品成本也產生重要影響。因此,反應器的研究和開發(fā)工作對于發(fā)展各種過程工業(yè)有重要的意義。

主要指反應器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應過程的敏感因素,必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列,使反應過程在優(yōu)化條件下進行。例如對可逆放熱反應應采用先高后低的溫度序列以兼顧反應速率和平衡轉化率（見化學平衡）。反應器可在常壓、加壓或負壓（真空）下操作。加壓操作的反應器主要用于有氣體參與的反應過程,提高操作壓力有利于加速氣相反應,對于總摩爾數(shù)減小的氣相可逆反應,則可提高平衡轉化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度,故許多氣液相反應過程、氣液固相反應過程采用加壓操作,以提高反應速率,如對二甲苯氧化等。