化学反应器设计

化学反应器现状及设计【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,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。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。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。本文主要介绍化学反应器的分类和设计选择。

【关键词】化学反应器，密闭，换热，自控

【前言】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、化学反应器分类

化学反应种类繁多，性质各异、化学反应器的一个特点是具有相差甚远的构性和尺寸，如窑炉、锅炉、斧、塔、混合器、高炉、回转炉，甚至简单的管子。

实现化学反应为其共同点，但特殊性的考虑十分重要。化工反应器的种类可从可从影响反应的几个重要的方面进行大致区分。

1、按反应器中的物相分类：

反应器可分为单（均）相和多（复）相。单相可分为单——气相或者单——液相。多相可分为气——液相（G-L），液——液相(L-L)，气——固相（G-S），液——固相（L-S）和气液——固——相(S-L-S),也可有两种以上流体相和固相的反应。

2、按操作方式分类

反应器可分为间歇操作、连续操作和半连续操作。

3、按物料流动状态分类

连续反应器的流动状态（如返混）影响反应器中反应物的浓度分布和温度分布，也影响反应物通过反应器的停留时间的分布，对反应结束有重要效应。活塞流型和全混流型是返混为零或无穷大的两种极限流型。实际工业反应器中物料流型只可能趋近于前者（统称管式反应器）或后者（通称搅拌釜式反应器或者釜式反应器），不可能完全一致。应根据反应特征选择反应器的流动形态。为了限制返混可以采用多级串联搅拌釜是反应器。表1-1[1]为不同类型反应器在工业生产中的使用程度。

物相

操作方式

间歇

连续

管式多级斧式斧式

单相G 少用或不用常用（裂解炉）少用或不用少用或不用

L 常用（溶液聚合）较常用较常用常用（溶液聚合）

多相

G+L 较常用（发酵罐）常用（填料塔）较常用（板式塔）常用（搅拌釜鼓泡塔）L+L 较常用（搅拌釜）较常用较常用（筛板塔）较常用（搅拌釜）G+S 少用或不用常用（固定床，移动

床）

较常用（多层流

化床）

较常用（流化床）

L+S 较常用（搅拌釜）较常用（固定床，移

动床）

较常用（多层流

化床）

较常用（流化床）G+L+S 常用（娟流床，高炉）较常用常用(桨式反应器)

表1-1

4、按传热特征分类

化学反应不可避免的伴有热效应。捂热交换的反应器为绝热反应器。热交换

能力极强（或热效应可以忽略）以致可视为等温的反应器为等温反应器。工业上

常见的是非等温非绝热反应器[2]。后者有一定的换热能力，既不同于绝热型，也

不同于等温型。

除以上分类以外，尚可按物料的流向等特点分类。

各种反应器适用于不同反应、间歇反应器操作灵活，适用于多品种生产和产

量小、反应时间长的情形，但操作控制不便，产品质量不易稳定。连续反应器适

用于大生产量品种的生产。管式反应器由于体积限制，适用于快速反应。较慢的反应由于其对停留时间的要求，常考虑用复式反应器。

二、化工反应器的特征

化工反应器的型式繁多，合理的选型是成功的工程放大的基础。选型的依据是[3]：

（1）、反应的特征，主副反应的主要途径，反应速率等。

（2）、反应器的特征，返混大小，流动状态，界面大小，换热能力等；

（3）、过程的要求，转化率和选择性，压降和能耗的限制等。

作为两种最重要的反应器的流动床和固定床，气——固流化床返混大，存在气泡相，使气泡相中的气体反应不全。乳化相气体又可能因过度反应而产生副产物，催化剂易破损，且回收困难。

另一类为数众多的反应器为气——液反应器。各类气——液反应器在气——液界面大小、存液量等方面可以有极大得的出入。选用的原则是：快反应选用大界面反应器（如文氏洗涤器等），慢反应则选用大界面反应器如喷洒塔、搅拌釜等。

三、反应器的选型判别[5]

1、反应类别

反应类别即反应介质类别，例如气——液相或者气——固相或气相反应。这是最简单却是应首先使用的判据。

2、催化剂的失活速度

对于催化反应，应判别催化剂的失活速度。如催化剂失活速度很快，床层的操作周期很短，例如几秒钟、几分钟或者几小时，则应采用流化床等床型，否则应采用其它形势的反应器用来减少投资和操作费用。

3、有反应的浓度效应决定的混合要求

反应器中的物流混合按照尺度可分为宏观混合和微观混合两种。微观混合是指大尺度的混合现象，如在搅拌釜式反应器中由于机械搅拌反应物流发生设备尺度的循环流动。在连续流动反应器中，宏观混合就是返混，返混使反应物的平均浓度降低产物的平均浓度升高。

4、由反应的热负荷和温度效应所决定的热量传递和温度控制要求

应该按照反应系统的绝热温升和过程温度控制的要求，由简到繁选择反应器的形式。

绝热固定床是结构最简单的反应区器，应首先选用。若反应器的绝热温升过大，或者反应的热效应使反应过程呢个的温度不符合适宜的温度要求，因而不能采用单段绝热床时，应首先考虑将催化剂床曾分为若干段，在段间进行热换或加冷物料。

当反应的适宜温度范围比较窄时，若用多段绝热床则反应器的段数过多，造成流程过于复杂或者反应过程压降过大。在这种情况下可以考虑采用类管式反应器。

对强放热反应过程，有两种可能的选择;

(1)、采用控制反应热的补充方法，如加大出口物料的循环、喜事催化剂或者加入水蒸气