反应器

对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。对几个反应器组成级联的设备，还可采用错流加料,即一种原料依次通过各个反应器,另一种原料分别加入各反应器。除流向外，还有原料是从反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。分段加入指一种原料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。采用什么加料方式，须根据反应过程的特征决定。

反应器是一种实现反应过程的设备，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。

反应器按操作方式可分为：

①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。

间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。

间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。

②连续釜式反应器,或称连续釜

)。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。

大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。

③半连续釜式反应器。

指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。

对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。

反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。

除反应器的形式以外，反应锅的操作方式和加料方式也需考虑。例如,对于有串联或平行副反应的过程,分段进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但其性能和操作的优劣却影响着前后处理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对于发展各种过程工业有重要的意义。

主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化率（见化学平衡）。

反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应,则可提高平衡转化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还可增加气体在液体中的溶解度，故许多气液相反应过程、气液固相反应过程采用加压操作，以提高反应速率，如对二甲苯氧化等。

常用反应器的类型（见表）有：①管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。⑤喷射反应器。利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。⑥其他多种非典型反应器。如回转窑、曝气池等。

多数反应有明显的热效应。为使反应在适宜的温度条件下进行，往往需对反应物系进行换热。换热方式有间接换热和直接换热。间接换热指反应物料和载热体通过间壁进行换热，直接换热指反应物料和载热体直接接触进行换热。对放热反应，可以用反应产物携带的反应热来加热反应原料，使之达到所需的反应温度，这种反应器称为自热式反应器。

按反应过程中的换热状况，反应器可分为：

①　等温反应器　反应物系温度处处相等的一种理想反应器。反应热效应极小，或反应物料和载热体间充分换热，或反应器内的热量反馈极大（如剧烈搅拌的釜式反应器）的反应器，这样可近似看作等温反应器。

②　绝热反应器　反应区与环境无热量交换的一种理想反应器。反应区内无换热装置的大型工业反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝热反应器。

③　非等温非绝热反应器　与外界有热量交换，反应器内也有热反馈，但达不到等温条件的反应器，如列管式固定床反应器。

换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。

有两种反应器操作技术：一个是绝热搅拌高压反应釜，一个是带冷却介质夹套的管式反应器。高压反应器的停留时间非常短，能够在不同反应器等级之间快速地切换。因此反应过程很灵活，能在单一反应器中生产出大量牌号的产品。

所得到的聚合物呈熔融态。由于新鲜进料物流与催化剂的注入，两种反应器技术均为错流操作。聚合物浓度随着反应器长度的增加而不断地增加，而树脂的质量可以通过恰到好处的操作温度来保证，这个温度取决于过氧化物的类型，而过氧化物的类型又以其特殊的分解温度和反应速率为基础。为了控制分子量，要在单体物流中注人极性调节剂或脂肪烃。

高压釜式反应器技术率先实现工业化，反应在绝热操作的搅拌容器中进行，其间没有明显的热量通过器壁移出。反应混合物在套管换热器中预冷，以便在进入反应器之前保持最大的绝热潜力。通过向不同的反应器区域注入新鲜的冷乙烯，反应器可以在不同的温度下运行，从而建立起所设计的温度分布。将不同的过氧化物注入到各个区域中来满足所运行的不同级别的反应器的温度分布；过氧化物像载体一样溶解在碳氢化合物溶剂中。引发剂必须在反应器中完全消耗掉，这一点很重要，否则反应过程会变得混乱，并降低产品性能。高压釜式反应器有一个能实现良好混合的搅拌桨，其作用如同连串的绝热连续搅拌釜式反应器(CSTRS)。驱动搅拌器的电机安装在反应器内顶部区域，由部分乙烯进料物流进行冷却。加长型反应器形式将制造要求与功能性设计结合起来。反应器为长圆筒型，长径比接近12；反应器内部也有固定件和隔板，能在适宜的温度下将反应路径长度分割成很多段。

能力较强的高压釜式反应器的容积在1000～2000L之间变化，停留时间约为十分之几秒。安置在反应器壁槽洞内的热电偶和泄压设施可以用来监测和控制操作参数：温度在180～300℃之间，压力在180～220MPa之间，对于线型低密度聚乙烯的共聚合反应，压力控制在110MPa以下。

过量的新鲜乙烯用来移走放热的聚合反应所产生的热量。乙烯转化成聚合物的转化率可以粗略地用通过反应器的绝热温差来表示，单程转化率接近20%。由于敏感的乙烯逆焦耳-汤姆逊效应，聚合物混合物被加热，采用专利的喷射泵、喷射器有助于聚合物物流冷却，同时也有助于工艺过程节能。实际上，部分气体也代表着部分需要压缩的新鲜气。

在管式反应器工艺中，反应物在长管中被夹套里的水冷却。反应器一经运行，就有蒸汽的净增加；利用聚合反应移热设备加热反应器夹套中的循环热水，通过锅炉产生蒸汽。

管式反应器的机械设计包括内径为3～5in带TSDs的承压管，能承受350MPa的压力，厚度接近1/2in。反应管长度为10—15m，为水泥底座的蛇形结构。

操作压力条件为250—300MPa，温度上限为320℃。部分反应管用于预热气体，使过氧化物升温并开始反应。所设计的反应温度分布曲线包括几个峰值，每一个峰值都与注入的新鲜乙烯和适宜的过氧化物与氧气的平衡相对应。反应器的末端起到冷却的作用，一般通过高压分离器控制温度。

沿着反应器长度安装了热电偶，用以跟踪聚合反应进程。聚合物链长的温度控制无法提供定制聚合物性能足够的自由度，因此，需要链转移剂。一般来说，需要使用极性链转移剂(调节剂)。而在很高的聚合温度下，可以使用惰性脂肪族碳氢化合物。转化过程起因于反应器进出口温差、温度峰值及冷却循环，这对管壁温差的形成也有益处。因此，反应性更强、多功能的过氧化物有助于改变现有反应器的能力。

由于管式反应器可以通过反应器壁传递热量，因此，比高压釜式反应器转化成聚合物的转化率要高，很容易就能达到30%。生成聚合物的转化率影响产品的性能。转化率较高时，尽管树脂透明但支化程度增加。操作压力由反应器出口的阀门控制，在2500m的管路上会产生几百bar的压力降。