反應器結構以及工作原理

　　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。

　　一、管式反應器

　　一種呈管狀、長徑比很大的連續操作反應器。這種反應器可以很長，如丙烯二聚的反應器管長以公里計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。通常，反應物流處于湍流狀態時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動可近似地視為平推流。

　　1、水平管式反應器

　　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

　　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，節省空間。但檢修和清刷管道比較困難。

　　4、U形管式反應器

　　U形管式反應器的管內設有多孔擋板或攪拌裝置，以強化傳熱與傳質過程。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。

　　圖片

　　5、多管并聯管式反應器

　　多管并聯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裝有固相鐵催化劑的反應器中合成氨。

　　性能特點：

　　1、由于反應物的分子在反應器內停留時間相等，所以在反應器內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，所以它的生產能力高。

　　4、管式反應器適用于大型化和連續化的化工生產。

　　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，工業上不易實現。

　　二、釜式反應器

　　釜式反應器也稱槽式、鍋式反應器，它是各類反應器中結構較為簡單且應用較廣的一種。主要應用于液—液均相反應過程，在氣—液、液—液非均相反應過程中也有應用。在化工生產中，既適用于間歇操作過程，又可單釜或多釜串聯用于連續操作過程，但在間歇生產過程應用最多。

　　1、間歇釜

　　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品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產品質量也不易穩定。但有些反應過程，如一些發酵反應和聚合反應，實現連續生產尚有困難，至今還采用間歇釜。

　　2、連續釜

　　連續釜式反應器,或稱連續釜

　　3、釜式攪拌反應器

　　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

　　常用攪拌器及流型示意

　　性能特點：

　　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、連續操作時溫度濃度容易控制、產品質量均一等特點。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。

　　三、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別在于固體顆粒處于靜止狀態。固定床反應器主要用于實現氣固相催化反應，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。

　　固定床反應器有三種基本形式：

　　1、軸向絕熱式固定床反應器

　　流體沿軸向自上而下流經床層，床層同外界無熱交換。

　　2、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,或反應系統能承受絕熱條件下由反應熱效應引起的溫度變化的場合。

　　3、列管式固定床反應器

　　由多根反應管并聯構成。管內或管間置催化劑，載熱體流經管間或管內進行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數可多達上萬根。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節溫度，以便在接近于最佳溫度條件下操作。

　　性能特點：

　　優點：

　　1、返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯副反應時可得較高選擇性。

　　2、催化劑機械損耗小。

　　3、結構簡單。

　　缺點：

　　1、傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現飛溫（反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍）。

　　2、操作過程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應一般不宜使用，常代之以流化床反應器或移動床反應器。固定床反應器中的催化劑不限于顆粒狀，網狀催化劑早已應用于工業上。目前，蜂窩狀、纖維狀催化劑也已被廣泛使用。

　　四、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，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在用于氣固系統時，又稱沸騰床反應器。流化床反應器在現代工業中的早期應用為20世紀20年代出現的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）；但現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、核工業等部門得到廣泛應用。

　　性能特點：

　　與固定床反應器相比，流化床反應器的優點是：

　　1、可以實現固體物料的連續輸入和輸出；

　　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再生和循環操作，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展就是這一方面的典型例子。

　　然而，由于流態化技術的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反應器來說，流化床又存在很明顯的局限性：

　　1、由于固體顆粒和氣泡在連續流動過程中的劇烈循環和攪動，無論氣相或固相都存在著相當廣的停留時間分布，導致不適當的產品分布，降低了目的產物的收率；

　　2、反應物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機會，降低了反應轉化率；

　　3、由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；

　　4、床層內的復雜流體力學、傳遞現象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統一的規律，也難以脫離經驗放大、經驗操作。

　　五、移動床反應器

　　一種用以實現氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。在反應器頂部連續加入顆粒狀或塊狀固體反應物或催化劑，隨著反應的進行，固體物料逐漸下移，最后自底部連續卸出。流體則自下而上（或自上而下）通過固體床層，以進行反應。由于固體顆粒之間基本上沒有相對運動，但卻有固體顆粒層的下移運動，因此，也可將其看成是一種移動的固定床反應器。

　　魯奇爐

　　鋼鐵工業和城市煤氣工業發展之初，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，其單臺日生產能力已達到1Mm以上。石油催化裂化發展初期，曾采用移動床反應器，但現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過程有連續重整、二甲苯異構化等催化反應過程和連續法離子交換水處理過程。

　　三塔式移動床工藝流程

　　移動床反應工藝流程

　　性能特點：

　　與固定床反應器及流化床反應器相比，移動床反應器的主要優點是固體和流體的停留時間可以在較大范圍內改變，返混較小（與固定床反應器相近），對固體物料性狀以中等速度（以小時計）變化的反應過程也能適用。與此相比，固定床反應器和流化床反應器分別僅適用于固體物料性狀變化很慢（以月計）和很快（以分、秒計）的反應過程。移動床反應器的缺點是控制固體顆粒的均勻下移比較困難。工業生產中有時采用模擬移動床以避免上述缺點（見固定床傳質設備）。

　　六、涓流床反應器

　　又稱滴流床反應器，是氣體和液體并流通過顆粒狀固體催化劑床層，以進行氣液固相反應過程的一種反應器（見圖）。涓流床反應器中催化劑以固定床的形式存在，故這種反應器也可視為固定床反應器的一種。為了有利于氣體在液體中的溶解，涓流床反應器常在加壓下操作。石油煉制中的加氫裂化和加氫脫硫，是應用大型涓流床反應器的工業過程。涓流床反應器在化工生產中也有應用，但規模較小，例如用于以三氧化鎢為催化劑，由丙烯水合制取異丙醇等。涓流床反應器內的流體流動狀況，與填充塔略有不同，氣液兩相并流向下，不會發生液泛；催化劑微孔內貯存一定量近于靜止的液體。涓流床反應器通常采用多段絕熱式,在段間換熱或補充物料以調節溫度;每段頂部設置分布器使液流均布，以保證催化劑顆粒的充分潤濕。

　　性能特點：

　　與氣液固相反應過程常用的漿態反應器相比，涓流床反應器的主要優點是：

　　1、返混小，便于達到較高的轉化率；

　　2、液固比低，液相副反應少；

　　3、避免了催比劑細粉的回收問題。缺點是：溫度控制比較困難；催化劑顆粒內表面往往未能充分利用；反應過程中催化劑不能連續排出再生。

　　七、塔式反應器

　　塔式反應器主要分為以下幾種：

　　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

　　填料塔反應器是廣泛應用于氣體吸收的設備，也可用作氣、液相反應器，由于液體沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而與氣相接觸進行反應，故液相主體量較少。適用于瞬間反應、快速和中速反應過程。例如，催化熱堿吸收CO2、水吸收NOX形成硝酸、水吸收HCl生成鹽酸、吸收SO3生成硫酸等通常都使用填料塔反應器。填料塔反應器具有結構簡單、壓降小、易于適應各種腐蝕介質和不易造成溶液起泡的優點。填料塔反應器也有不少缺點。首先，它無法從塔體中直接移去熱量，當反應熱較高時，必須借助增加液體噴淋量以顯熱形式帶出熱量；其次，由于存在低潤濕率的問題，在很多情況下需采用自身循環才能保證填料的基本潤濕，但這種自身循環破壞了逆流的原則。盡管如此，填料塔反應器還是氣液反應和化學吸收的常用設備。特別是在常壓和低壓下，壓降成為主要矛盾時和反應溶劑易于起泡時，采用填料塔反應器尤為適合。

　　3、板式塔反應器

　　板式塔反應器的液體是連續相而氣體是分散相，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系數較大，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，氣體為連續相，液體為分散相，具有相接觸面積大和氣相壓降小等優點。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系數過小，氣相和液相返混較為嚴重的缺點。