化学反应器分类及其特点

1化学反应器的分类及特点秦财德（中南大学、化学化工学院、化工1002班）摘要:反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样。化学反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。本文主要介绍化学反应器的分类和特点关键词：化学反应器特点典型反应现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。反应器的种类很多，设计和选型很重要，座椅应该按照实际情况来设计制造。一．釜式反应器（一）反应器的简介一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。（二）反应器的特点反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。（三）典型反应：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+C2H5OH二．管式反应器（一）反应器的简介管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），2物料的流动可近似地视为平推流.（二）反应器的特点（1）由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。（2）管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。（3）由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。（4）管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。（5）和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。（6）管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。（三）典型反应：（1）将乙烷热裂解以生产乙烯：26242CHCHH（2）二氟一氯甲烷分解反应为:2242()()2()CHClFgCFgHClg三．塔式反应器（一）反应器的简介(1)填料塔结构简单，耐腐蚀，适用于快速和瞬间反应过程，轴向返混可忽略。能获得较大的液相转化率。由于气相流动压降小，降低了操作费用，特别适宜于低压和介质具腐蚀性的操作。但液体在填料床层中停留时间短，不能满足慢反应的要求，且存在壁流和液体分布不均等问题，其生产能力低于板式塔。填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蚀性强及强度和润湿等性能优良。常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍等，材质有陶瓷、不锈钢、石墨和塑料。(2)板式塔适于快速和中速反应过程。具有逐板操作的特点，各板上维持相当的液量、以进行气液相反应。由于采用多板，可将轴向返混降到最低，并可采用最小的液流速率进行操作，从而获得极高的液相转化率。气液剧烈接触，气液相界面传质和传热系数大，是强化传质过程的塔型，因此适用于传质过程控制的化学反应过程。板间可设置传热构件，以移出和移入热量。但反应器结构复杂，气相流动压降大，且塔板需用耐腐蚀性材料制作，因此大多用于加压操作过程。(3)喷雾塔喷雾塔是气膜控制的反应系统，适于瞬间反应过程。塔内中空，特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的体系。但储液量低，液相传质系数小，且雾滴在气流中的浮动和气流沟流存在。气液两相返混严重。(4)鼓泡塔储液量大，适于速度慢和热效应大的反应。掖相袖向返混严重，连续操作型反应速率明显下降。在单一反应器中，很难达到高的液相转化率，因此常用多级鼓泡塔串联或采用间歇操作方式。3（二）典型反应：全回流塔式反应器制备二氢月桂烯醇四．固定床反应器（一）反应器的简介固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。（二）反应器的特点固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械损耗小。③结构简单。固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。（三）典型反应：乙苯脱氢制苯乙烯主反应：主反应：副反应：五．流化床反应器（一）反应器的简介流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪420年代出现的粉煤气化；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。（二）反应器的特点流化床反应器的优点：（1）由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可高达3280~16400m²/m³），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。（2）由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高[200～400W/（m²•K）]，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应—再生、吸热—放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。流化床反应器的缺点（1）气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。（2）催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。（3）由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产过程特别有利（三）典型反应：自由流化床合成乙酸乙烯：乙烯气相水合后与气化乙酸直接酯化生成乙酸乙酯。此反应的反应式：CH2CH2+CH3COOH＝CH3COOCH2CH3六、结束语：化学反应器实现反应过程的设备，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。化学反应工程以工业反应器中进行的反应过程为研究对象，运用数学模型方法建立反应器数学模型，研究反应器传递过程对化学反应的影响以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，以实现工业反应器的可靠设计和操作控制。化学反应器的设计选择十分重要，它关系到生产的吃呢公共与否和经济的进步与否。所以应该慎重选择化学反应器。5【参考文献】SmithJM.化工动力学，王建华，许学书，黄世英译。北京：化学工业出版社，1988余国琮，化工容器及设备，北京：化工工业出版社，1980李绍芬,高文新,廖晖;内循环式无梯度反应器的研究[J];化工学报;1980年01期范正,黄安吉,陈家镛;气体提升搅拌反应器的研究[J];化工学报;1980年02期梁美基,陆乃宸;乙苯、丙烯共氧化中环氧化反应器数学模型的分析[J];化学工程;1980年01期张华丽，流化床化学反应器的模拟与专家系统[D];大连理工大学;2002年何若，生物反应器填埋场中生活垃圾快速降解及其生物脱氮的机理研究[D];浙江大学;2004年刘宏远，生物反应器填埋场系统的仿真研究[D];浙江大学;2003年梁美基,陆乃宸;乙苯、丙烯共氧化中环氧化反应器数学模型的分析[J];化学工程;1980年01期胡宗定，乙烯直接水合制乙醇反应器的数学模拟放大[J];化学工程;1980年01期支银芳，上向连续流A/O反应器生物除磷的探索与试验[D];重庆大学;2002年