反应器知识详解

化学反应器是化工生产的核心设备，其技术的先进程度对化工生产有着重要的影响，直接影响装置的投资规模和生产成本。也是化工生产过程的心脏，从原料经过反应器到我们想要的产品。

反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型：

一、管式反应器

在化工生产中，连续操作的长径比较大的管式反应器可以近似看成是理想置换流动反应器（平推流反应器，Plug flow reactor，简称PFR）。它既适用于液相反应，又适用于气相反应。

由于PFR能承受较高的压力，用于加压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应参数连续变化、易于控制的优点，但对于慢速反应，则有需要管子长，压降大的不足。

?  管式反应器类型

1、水平管式反应器

由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。

2、立管式反应器

立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。

3、盘管式反应器

将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。

4、U形管式反应器

U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。

5、多管并联管式反应器

多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯，气相氮和氢混合物在多管并联装有固相铁催化剂的反应器中合成氨。

6、活塞流反应器

性能特点：

① 反应器的长径比较大。

② 假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混）。

③ 反应物沿管长方向流动，反应时间是管长的函数，其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化。

二、釜式反应器

釜式反应器也称槽式、锅式反应器，它是各类反应器中结构较为简单且应用较广的一种反应器。它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等等。

釜式反应器的结构,主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。

?  换热装置：

?  搅拌装置：

1、间歇釜

间歇釜式反应器,或称间歇釜。操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。

2、连续釜

连续釜式反应器,或称连续釜

3、釜式搅拌反应器

釜式搅拌反应器有立式容器中心搅拌、偏心搅拌、倾斜搅拌，卧式容器搅拌等类型。其中以立式容器中心搅拌反应器是最典型的一种。

性能特点：

釜式反应器具有适用的温度和压力范围宽、适应性强、操作弹性大、连续操作时温度浓度容易控制、产品质量均一等特点。但用在较高转化率工艺要求时，需要较大容积。通常在操作条件比较缓和的情况下操作，如常压、温度较低且低于物料沸点时，应用此类反应器最为普遍。

4、多级串联反应釜

三、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。

1、轴向绝热式固定床反应器

流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。

2、绝热式固定床反应器

下图是绝热式固定床反应器的示意图。它的结构简单，催化剂均匀堆置于床内，床内没有换热装置，预热到一定温度的反应物料流过床层进行反应就可以了。

? 径向绝热式固定床反应器

流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

? 列管式固定床反应器

由多根反应管并联构成。管内或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

? 对外换热式固定床反应器

对外换热式反应器以列管式为多。通常是在管内放催化剂，管间走热载体(在用高压水或用高压蒸汽作热载体时，则把催化剂放在管间，而使管内走高压流体)。

? 多段绝热式固定床反应器

3、自身换热式反应器（ 自热式反应器）

反应前后的物料在床层中自己进行换热称作自热式反应器。

四、流化床反应器

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20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）；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。

? 流化床反应器的床型

与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：

1、可以实现固体物料的连续输入和输出；

2、流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；

3、便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。

五、移动床反应器

由固体颗粒参与的反应器，与固定床反应器相似，不同之处固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。适用于催化剂需连续进行再生的催化反应过程和固相加工反应。

鲁奇炉

钢铁工业和城市煤气工业发展之初，移动床反应器就曾被用于煤的气化。1934年研制成功的移动床加压气化器（鲁奇炉），至今仍是规模最大的煤气化装置，其单台日生产能力已达到1Mm以上。

石油催化裂化发展初期，曾采用移动床反应器，但现已被流化床反应器和提升管反应器所取代。目前，应用移动床反应器的重要化工生产过程有连续重整、二甲苯异构化等催化反应过程和连续法离子交换水处理过程。

三塔式移动床工艺流程图

移动床反应工艺流程

与固定床反应器及流化床反应器相比，移动床反应器的主要优点是固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，返混较小（与固定床反应器相近），对固体物料性状以中等速度（以小时计）变化的反应过程也能适用。

与此相比，固定床反应器和流化床反应器分别仅适用于固体物料性状变化很慢（以月计）和很快（以分、秒计）的反应过程。移动床反应器的缺点是控制固体颗粒的均匀下移比较困难。工业生产中有时采用模拟移动床以避免上述缺点（见固定床传质设备）。

六、涓流床反应器

又称滴流床反应器，是气体和液体并流通过颗粒状固体催化剂床层，以进行气液固相反应过程的一种反应器。涓流床反应器中催化剂以固定床的形式存在，故这种反应器也可视为固定床反应器的一种。为了有利于气体在液体中的溶解，涓流床反应器常在加压下操作。石油炼制中的加氢裂化和加氢脱硫，是应用大型涓流床反应器的工业过程。

涓流床反应器在化工生产中也有应用，但规模较小，例如用于以三氧化钨为催化剂，由丙烯水合制取异丙醇等。涓流床反应器内的流体流动状况，与填充塔略有不同，气液两相并流向下，不会发生液泛；催化剂微孔内贮存一定量近于静止的液体。涓流床反应器通常采用多段绝热式,在段间换热或补充物料以调节温度;每段顶部设置分布器使液流均布，以保证催化剂颗粒的充分润湿。

与气液固相反应过程常用的浆态反应器相比，涓流床反应器的主要优点是：

1、返混小，便于达到较高的转化率；

2、液固比低，液相副反应少；

3、避免了催比剂细粉的回收问题。缺点是：温度控制比较困难；催化剂颗粒内表面往往未能充分利用；反应过程中催化剂不能连续排出再生。

七、塔式反应器

塔式反应器主要分为以下几种：

1、鼓泡塔反应器

塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。

优点：鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。

缺点：鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。

2、填料塔反应器

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

3、板式塔反应器

液体横向流过塔板经溢流堰溢流进入降液管，液体在降液管内释放夹带的气体，从降液管底隙流至下一层塔板。塔板下方的气体穿过塔板上气相通道，如筛孔、浮阀等，进入塔板上的液层鼓泡，气、液接触进行传质。气相离开液层而奔向上一层塔板，进行多级的接触传质。

4、喷淋塔反应器

喷淋塔反应器结构较为简单，液体以细小液滴的形式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。

喷淋塔是气膜控制的反应系统，适于瞬间、界面和快速反应过程。塔内中空，特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的体系。

八、几种组合反应器

1、旋流反应器

旋流反应器是一种新型高效化工反应设备,由传统的旋风收尘器与水力旋流器改进而成,当外加一些辅助设备时可用于高温下的两相或三相反应。工作时流体从切线方向进入反应器,在离心力、摩擦力和重力等共同作用下,各组分均沿反应器内壁旋转向下运动,其间各流体组分充分接触并发生反应。最后,密度大的组分从反应器下部排出,密度小的组分则沿反应器的轴向部位逆流而上,从上端排出。

目前在光化学、生物工程和工业领域中的水泥窑外分解、碎屑燃料旋流燃烧、旋涡炉以及沸腾焙烧等均有应用。但由于旋流反应器传递特性的研究涉及化学、流体力学、传热传质等多门学科,难度较大,所以其工作机理研究进展较慢。

2、环流反应器

环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优良性能,具有反应速度快、结构简单、无机械传动部件以及易于工程放大等优点,是一类高效的气液接触反应设备。环流反应器包括上升管、下降管、气液分离器和底部连接段4部分。

3、多相组合膜生物反应器

多相组合膜生物反应器是一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型水处理与回用设备。精细化工生产过程中排出的有机物质大多有毒且难以降解，严重危害环境，因此化工废液的处理日益得到广泛关注。

多相组合膜生物反应器技术通过膜组件的高效分离作用，极大提高了分离效率，同时膜的隔离过滤作用为之后的生物反应提供了质量分数较高的原料，如在固液分离中,膜生物反应器中活性污泥的质量浓度可达到(20000～30000)mg/L，由于具有如此高的生物量，因此膜反应器对有机物的降解能力非常显著，在国内外再生水处理工程中得到了推广应用。

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