反應(yīng)器的類型

化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)的核心設(shè)備，其技術(shù)的先進(jìn)程度對化工生產(chǎn)有著重要的影響，直接影響裝置的投資規(guī)模和生產(chǎn)成本。也是化工生產(chǎn)過程的心臟，從原料經(jīng)過反應(yīng)器到我們想要的產(chǎn)品。

反應(yīng)器的類型

反應(yīng)器的類型很多，如果按反應(yīng)器的工作原理來分,可以概括為以下幾種類型：

一、管式反應(yīng)器

在化工生產(chǎn)中，連續(xù)操作的長徑比較大的管式反應(yīng)器可以近似看成是理想置換流動反應(yīng)器（平推流反應(yīng)器，Plug flow reactor，簡稱PFR）。它既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。由于PFR能承受較高的壓力，用于加壓反應(yīng)尤為合適。具有容積小、比表面大、返混少、反應(yīng)參數(shù)連續(xù)變化、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，但對于慢速反應(yīng)，則有需要管子長，壓降大的不足。

管式反應(yīng)器類型

1水平管式反應(yīng)器

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

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。

4U形管式反應(yīng)器

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)管式反應(yīng)器

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。

6活塞流反應(yīng)器

性能特點(diǎn)：

① 反應(yīng)器的長徑比較大。

②假設(shè)不同時刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間不發(fā)生逆向混合（返混）。

③反應(yīng)物沿管長方向流動，反應(yīng)時間是管長的函數(shù)，其濃度隨流動方向從一個截面到另一個截面而變化。

二、釜式反應(yīng)器

釜式反應(yīng)器也稱槽式、鍋式反應(yīng)器，它是各類反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)較為簡單且應(yīng)用較廣的一種反應(yīng)器。它可用來進(jìn)行均相反應(yīng)，也可用于以液相為主的非均相反應(yīng)。如非均相液相、液固相、氣液相、氣液固相等等。

釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),主要由殼體、攪拌裝置、軸封和換熱裝置四大部分組成。

換熱裝置：

攪拌裝置：

1間歇釜

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。

2連續(xù)釜

連續(xù)釜式反應(yīng)器,或稱連續(xù)釜

3釜式攪拌反應(yīng)器

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

性能特點(diǎn)：

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。

4多級串聯(lián)反應(yīng)釜

三、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

下圖是絕熱式固定床反應(yīng)器的示意圖。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。

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。

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。

對外換熱式固定床反應(yīng)器

對外換熱式反應(yīng)器以列管式為多。通常是在管內(nèi)放催化劑，管間走熱載體(在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間，而使管內(nèi)走高壓流體)。

多段絕熱式固定床反應(yīng)器

3自身換熱式反應(yīng)器（ 自熱式反應(yīng)器）

反應(yīng)前后的物料在床層中自己進(jìn)行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。

四、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。

流化床反應(yīng)器的床型

與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(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。

五、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)。

魯奇爐

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），至今仍是規(guī)模最大的煤氣化裝置，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。

三塔式移動床工藝流程圖

移動床反應(yīng)工藝流程

與固定床反應(yīng)器及流化床反應(yīng)器相比，移動床反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是固體和流體的停留時間可以在較大范圍內(nèi)改變，返混較?。ㄅc固定床反應(yīng)器相近），對固體物料性狀以中等速度（以小時計）變化的反應(yīng)過程也能適用。與此相比，固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)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(yīng)過程。移動床反應(yīng)器的缺點(diǎn)是控制固體顆粒的均勻下移比較困難。工業(yè)生產(chǎn)中有時采用模擬移動床以避免上述缺點(diǎn)（見固定床傳質(zhì)設(shè)備）。

六、涓流床反應(yīng)器

又稱滴流床反應(yīng)器，是氣體和液體并流通過顆粒狀固體催化劑床層，以進(jìn)行氣液固相反應(yīng)過程的一種反應(yīng)器。涓流床反應(yīng)器中催化劑以固定床的形式存在，故這種反應(yīng)器也可視為固定床反應(yīng)器的一種。為了有利于氣體在液體中的溶解，涓流床反應(yīng)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(yīng)用大型涓流床反應(yīng)器的工業(yè)過程。

涓流床反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中也有應(yīng)用，但規(guī)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(yīng)器內(nèi)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(fā)生液泛；催化劑微孔內(nèi)貯存一定量近于靜止的液體。涓流床反應(yīng)器通常采用多段絕熱式,在段間換熱或補(bǔ)充物料以調(diào)節(jié)溫度;每段頂部設(shè)置分布器使液流均布，以保證催化劑顆粒的充分潤濕。

與氣液固相反應(yīng)過程常用的漿態(tài)反應(yīng)器相比，涓流床反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1、返混小，便于達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率；

2、液固比低，液相副反應(yīng)少；

3、避免了催比劑細(xì)粉的回收問題。缺點(diǎn)是：溫度控制比較困難；催化劑顆粒內(nèi)表面往往未能充分利用；反應(yīng)過程中催化劑不能連續(xù)排出再生。

七、塔式反應(yīng)器

塔式反應(yīng)器主要分為以下幾種：

1鼓泡塔反應(yīng)器

塔內(nèi)充滿液體，氣體從反應(yīng)器底部通入，分散成氣泡沿著液體上升，既與液相接觸進(jìn)行反應(yīng)同時攪動液體以增加傳質(zhì)速率。這類反應(yīng)器適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)。

優(yōu)點(diǎn):鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易控制、易維修、防腐問題易解決，用于高壓時也無困難。

缺點(diǎn):鼓泡塔內(nèi)液體返混嚴(yán)重，氣泡易產(chǎn)生聚并，故效率較低。

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

液體橫向流過塔板經(jīng)溢流堰溢流進(jìn)入降液管，液體在降液管內(nèi)釋放夾帶的氣體，從降液管底隙流至下一層塔板。塔板下方的氣體穿過塔板上氣相通道，如篩孔、浮閥等，進(jìn)入塔板上的液層鼓泡，氣、液接觸進(jìn)行傳質(zhì)。氣相離開液層而奔向上一層塔板，進(jìn)行多級的接觸傳質(zhì)。

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)小液滴的形式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相。

噴淋塔是氣膜控制的反應(yīng)系統(tǒng)，適于瞬間、界面和快速反應(yīng)過程。塔內(nèi)中空，特別適用于有污泥、沉淀和生成固體產(chǎn)物的體系

八、幾種組合反應(yīng)器

1旋流反應(yīng)器

旋流反應(yīng)器是一種新型高效化工反應(yīng)設(shè)備,由傳統(tǒng)的旋風(fēng)收塵器與水力旋流器改進(jìn)而成,當(dāng)外加一些輔助設(shè)備時可用于高溫下的兩相或三相反應(yīng)。工作時流體從切線方向進(jìn)入反應(yīng)器,在離心力、摩擦力和重力等共同作用下,各組分均沿反應(yīng)器內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動,其間各流體組分充分接觸并發(fā)生反應(yīng)。最后,密度大的組分從反應(yīng)器下部排出,密度小的組分則沿反應(yīng)器的軸向部位逆流而上,從上端排出。

目前在光化學(xué)、生物工程和工業(yè)領(lǐng)域中的水泥窯外分解、碎屑燃料旋流燃燒、旋渦爐以及沸騰焙燒等均有應(yīng)用。但由于旋流反應(yīng)器傳遞特性的研究涉及化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等多門學(xué)科,難度較大,所以其工作機(jī)理研究進(jìn)展較慢。

2環(huán)流反應(yīng)器

環(huán)流反應(yīng)器綜合了鼓泡塔和機(jī)械攪拌釜的優(yōu)良性能,具有反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械傳動部件以及易于工程放大等優(yōu)點(diǎn),是一類高效的氣液接觸反應(yīng)設(shè)備。環(huán)流反應(yīng)器包括上升管、下降管、氣液分離器和底部連接段4部分。

3多相組合膜生物反應(yīng)器

多相組合膜生物反應(yīng)器是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)污水生物處理工藝有機(jī)結(jié)合的新型水處理與回用設(shè)備。精細(xì)化工生產(chǎn)過程中排出的有機(jī)物質(zhì)大多有毒且難以降解,嚴(yán)重危害環(huán)境,因此化工廢液的處理日益得到廣泛關(guān)注。多相組合膜生物反應(yīng)器技術(shù)通過膜組件的高效分離作用,極大提高了分離效率,同時膜的隔離過濾作用為之后的生物反應(yīng)提供了質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的原料,如在固液分離中,膜生物反應(yīng)器中活性污泥的質(zhì)量濃度可達(dá)到(20000～30000)mg/L,由于具有如此高的生物量,因此膜反應(yīng)器對有機(jī)物的降解能力非常顯著,在國內(nèi)外再生水處理工程中得到了推廣應(yīng)用。