反應(yīng)器

反應(yīng)器是一種實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過(guò)程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機(jī)械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過(guò)程中物料需加熱或冷卻時(shí)，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。

反應(yīng)器按操作方式可分為：

①間歇釜式反應(yīng)器,或稱(chēng)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(shí)間較長(zhǎng)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(guò)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。

間歇操作反應(yīng)器系將原料按一定配比一次加入反應(yīng)器，待反應(yīng)達(dá)到一定要求后，一次卸出物料。連續(xù)操作反應(yīng)器系連續(xù)加入原料，連續(xù)排出反應(yīng)產(chǎn)物。當(dāng)操作達(dá)到定態(tài)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)任何位置上物料的組成、溫度等狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變化。半連續(xù)操作反應(yīng)器也稱(chēng)為半間歇操作反應(yīng)器，介于上述兩者之間，通常是將一種反應(yīng)物一次加入，然后連續(xù)加入另一種反應(yīng)物。反應(yīng)達(dá)到一定要求后，停止操作并卸出物料。

間歇反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，同一設(shè)備可用于生產(chǎn)多種產(chǎn)品，尤其適合于醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門(mén)小批量、多品種的生產(chǎn)。另外，間歇反應(yīng)器中不存在物料的返混，對(duì)大多數(shù)反應(yīng)有利。缺點(diǎn)是需要裝卸料、清洗等輔助工序，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。

②連續(xù)釜式反應(yīng)器,或稱(chēng)連續(xù)釜

)。可避免間歇釜的缺點(diǎn)，但攪拌作用會(huì)造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合，釜內(nèi)物料流型可視作全混流，反應(yīng)釜相應(yīng)地稱(chēng)作全混釜。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場(chǎng)合，釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時(shí)可采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應(yīng)條件。

大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)盡可能采用連續(xù)反應(yīng)器。連續(xù)反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于操作控制。其缺點(diǎn)是連續(xù)反應(yīng)器中都存在程度不同的返混，這對(duì)大多數(shù)反應(yīng)皆為不利因素，應(yīng)通過(guò)反應(yīng)器合理選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以抑制。

③半連續(xù)釜式反應(yīng)器。

指一種原料一次加入，另一種原料連續(xù)加入的反應(yīng)器，其特性介于間歇釜和連續(xù)釜之間。

對(duì)于特定的反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)器的選型需綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全等諸方面的因素。

反應(yīng)過(guò)程的基本特征決定了適宜的反應(yīng)器形式。例如氣固相反應(yīng)過(guò)程大致是用固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。但是適宜的選型則需考慮反應(yīng)的熱效應(yīng)、對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇率的要求、催化劑物理化學(xué)性態(tài)和失活等多種因素，甚至需要對(duì)不同的反應(yīng)器分別作出概念設(shè)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)的和經(jīng)濟(jì)的分析以后才能確定。

除反應(yīng)器的形式以外，反應(yīng)鍋的操作方式和加料方式也需考慮。例如,對(duì)于有串聯(lián)或平行副反應(yīng)的過(guò)程,分段進(jìn)料可能優(yōu)于一次進(jìn)料。溫度序列也是反應(yīng)器選型的一個(gè)重要因素。例如，對(duì)于放熱的可逆反應(yīng)，應(yīng)采用先高后低的溫度序列，多級(jí)、級(jí)間換熱式反應(yīng)器可使反應(yīng)器的溫度序列趨于合理。反應(yīng)器在過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。就全流程的建設(shè)投資和操作費(fèi)用而言，反應(yīng)器所占的比例未必很大。但其性能和操作的優(yōu)劣卻影響著前后處理及產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)原料消耗、能量消耗和產(chǎn)品成本也產(chǎn)生重要影響。因此，反應(yīng)器的研究和開(kāi)發(fā)工作對(duì)于發(fā)展各種過(guò)程工業(yè)有重要的意義。

主要指反應(yīng)器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應(yīng)過(guò)程的敏感因素，必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列，使反應(yīng)過(guò)程在優(yōu)化條件下進(jìn)行。例如對(duì)可逆放熱反應(yīng)應(yīng)采用先高后低的溫度序列以兼顧反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率（見(jiàn)化學(xué)平衡）。

反應(yīng)器可在常壓、加壓或負(fù)壓（真空）下操作。加壓操作的反應(yīng)器主要用于有氣體參與的反應(yīng)過(guò)程，提高操作壓力有利于加速氣相反應(yīng)，對(duì)于總摩爾數(shù)減小的氣相可逆反應(yīng),則可提高平衡轉(zhuǎn)化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度，故許多氣液相反應(yīng)過(guò)程、氣液固相反應(yīng)過(guò)程采用加壓操作，以提高反應(yīng)速率，如對(duì)二甲苯氧化等。

常用反應(yīng)器的類(lèi)型（見(jiàn)表）有：①管式反應(yīng)器。由長(zhǎng)徑比較大的空管或填充管構(gòu)成，可用于實(shí)現(xiàn)氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)。②釜式反應(yīng)器。由長(zhǎng)徑比較小的圓筒形容器構(gòu)成，常裝有機(jī)械攪拌或氣流攪拌裝置，可用于液相單相反應(yīng)過(guò)程和液液相、氣液相、氣液固相等多相反應(yīng)過(guò)程。用于氣液相反應(yīng)過(guò)程的稱(chēng)為鼓泡攪拌釜（見(jiàn)鼓泡反應(yīng)器）；用于氣液固相反應(yīng)過(guò)程的稱(chēng)為攪拌釜式漿態(tài)反應(yīng)器。③有固體顆粒床層的反應(yīng)器。氣體或(和)液體通過(guò)固定的或運(yùn)動(dòng)的固體顆粒床層以實(shí)現(xiàn)多相反應(yīng)過(guò)程，包括固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、涓流床反應(yīng)器等。④塔式反應(yīng)器。用于實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相反應(yīng)過(guò)程的塔式設(shè)備，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（見(jiàn)彩圖）。⑤噴射反應(yīng)器。利用噴射器進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)氣相或液相單相反應(yīng)過(guò)程和氣液相、液液相等多相反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備。⑥其他多種非典型反應(yīng)器。如回轉(zhuǎn)窯、曝氣池等。

多數(shù)反應(yīng)有明顯的熱效應(yīng)。為使反應(yīng)在適宜的溫度條件下進(jìn)行，往往需對(duì)反應(yīng)物系進(jìn)行換熱。換熱方式有間接換熱和直接換熱。間接換熱指反應(yīng)物料和載熱體通過(guò)間壁進(jìn)行換熱，直接換熱指反應(yīng)物料和載熱體直接接觸進(jìn)行換熱。對(duì)放熱反應(yīng)，可以用反應(yīng)產(chǎn)物攜帶的反應(yīng)熱來(lái)加熱反應(yīng)原料，使之達(dá)到所需的反應(yīng)溫度，這種反應(yīng)器稱(chēng)為自熱式反應(yīng)器。

按反應(yīng)過(guò)程中的換熱狀況，反應(yīng)器可分為：

①　等溫反應(yīng)器　反應(yīng)物系溫度處處相等的一種理想反應(yīng)器。反應(yīng)熱效應(yīng)極小，或反應(yīng)物料和載熱體間充分換熱，或反應(yīng)器內(nèi)的熱量反饋極大（如劇烈攪拌的釜式反應(yīng)器）的反應(yīng)器，這樣可近似看作等溫反應(yīng)器。

②　絕熱反應(yīng)器　反應(yīng)區(qū)與環(huán)境無(wú)熱量交換的一種理想反應(yīng)器。反應(yīng)區(qū)內(nèi)無(wú)換熱裝置的大型工業(yè)反應(yīng)器，與外界換熱可忽略時(shí)，可近似看作絕熱反應(yīng)器。

③　非等溫非絕熱反應(yīng)器　與外界有熱量交換，反應(yīng)器內(nèi)也有熱反饋，但達(dá)不到等溫條件的反應(yīng)器，如列管式固定床反應(yīng)器。

換熱可在反應(yīng)區(qū)進(jìn)行，如通過(guò)夾套進(jìn)行換熱的攪拌釜，也可在反應(yīng)區(qū)間進(jìn)行，如級(jí)間換熱的多級(jí)反應(yīng)器。

有兩種反應(yīng)器操作技術(shù)：一個(gè)是絕熱攪拌高壓反應(yīng)釜，一個(gè)是帶冷卻介質(zhì)夾套的管式反應(yīng)器。高壓反應(yīng)器的停留時(shí)間非常短，能夠在不同反應(yīng)器等級(jí)之間快速地切換。因此反應(yīng)過(guò)程很靈活，能在單一反應(yīng)器中生產(chǎn)出大量牌號(hào)的產(chǎn)品。

所得到的聚合物呈熔融態(tài)。由于新鮮進(jìn)料物流與催化劑的注入，兩種反應(yīng)器技術(shù)均為錯(cuò)流操作。聚合物濃度隨著反應(yīng)器長(zhǎng)度的增加而不斷地增加，而樹(shù)脂的質(zhì)量可以通過(guò)恰到好處的操作溫度來(lái)保證，這個(gè)溫度取決于過(guò)氧化物的類(lèi)型，而過(guò)氧化物的類(lèi)型又以其特殊的分解溫度和反應(yīng)速率為基礎(chǔ)。為了控制分子量，要在單體物流中注人極性調(diào)節(jié)劑或脂肪烴。

高壓釜式反應(yīng)器技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，反應(yīng)在絕熱操作的攪拌容器中進(jìn)行，其間沒(méi)有明顯的熱量通過(guò)器壁移出。反應(yīng)混合物在套管換熱器中預(yù)冷，以便在進(jìn)入反應(yīng)器之前保持最大的絕熱潛力。通過(guò)向不同的反應(yīng)器區(qū)域注入新鮮的冷乙烯，反應(yīng)器可以在不同的溫度下運(yùn)行，從而建立起所設(shè)計(jì)的溫度分布。將不同的過(guò)氧化物注入到各個(gè)區(qū)域中來(lái)滿足所運(yùn)行的不同級(jí)別的反應(yīng)器的溫度分布；過(guò)氧化物像載體一樣溶解在碳?xì)浠衔锶軇┲?。引發(fā)劑必須在反應(yīng)器中完全消耗掉，這一點(diǎn)很重要，否則反應(yīng)過(guò)程會(huì)變得混亂，并降低產(chǎn)品性能。高壓釜式反應(yīng)器有一個(gè)能實(shí)現(xiàn)良好混合的攪拌槳，其作用如同連串的絕熱連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTRS)。驅(qū)動(dòng)攪拌器的電機(jī)安裝在反應(yīng)器內(nèi)頂部區(qū)域，由部分乙烯進(jìn)料物流進(jìn)行冷卻。加長(zhǎng)型反應(yīng)器形式將制造要求與功能性設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。反應(yīng)器為長(zhǎng)圓筒型，長(zhǎng)徑比接近12；反應(yīng)器內(nèi)部也有固定件和隔板，能在適宜的溫度下將反應(yīng)路徑長(zhǎng)度分割成很多段。

能力較強(qiáng)的高壓釜式反應(yīng)器的容積在1000～2000L之間變化，停留時(shí)間約為十分之幾秒。安置在反應(yīng)器壁槽洞內(nèi)的熱電偶和泄壓設(shè)施可以用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制操作參數(shù)：溫度在180～300℃之間，壓力在180～220MPa之間，對(duì)于線型低密度聚乙烯的共聚合反應(yīng)，壓力控制在110MPa以下。

過(guò)量的新鮮乙烯用來(lái)移走放熱的聚合反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。乙烯轉(zhuǎn)化成聚合物的轉(zhuǎn)化率可以粗略地用通過(guò)反應(yīng)器的絕熱溫差來(lái)表示，單程轉(zhuǎn)化率接近20%。由于敏感的乙烯逆焦耳-湯姆遜效應(yīng)，聚合物混合物被加熱，采用專(zhuān)利的噴射泵、噴射器有助于聚合物物流冷卻，同時(shí)也有助于工藝過(guò)程節(jié)能。實(shí)際上，部分氣體也代表著部分需要壓縮的新鮮氣。

在管式反應(yīng)器工藝中，反應(yīng)物在長(zhǎng)管中被夾套里的水冷卻。反應(yīng)器一經(jīng)運(yùn)行，就有蒸汽的凈增加；利用聚合反應(yīng)移熱設(shè)備加熱反應(yīng)器夾套中的循環(huán)熱水，通過(guò)鍋爐產(chǎn)生蒸汽。

管式反應(yīng)器的機(jī)械設(shè)計(jì)包括內(nèi)徑為3～5in帶TSDs的承壓管，能承受350MPa的壓力，厚度接近1/2in。反應(yīng)管長(zhǎng)度為10—15m，為水泥底座的蛇形結(jié)構(gòu)。

操作壓力條件為250—300MPa，溫度上限為320℃。部分反應(yīng)管用于預(yù)熱氣體，使過(guò)氧化物升溫并開(kāi)始反應(yīng)。所設(shè)計(jì)的反應(yīng)溫度分布曲線包括幾個(gè)峰值，每一個(gè)峰值都與注入的新鮮乙烯和適宜的過(guò)氧化物與氧氣的平衡相對(duì)應(yīng)。反應(yīng)器的末端起到冷卻的作用，一般通過(guò)高壓分離器控制溫度。

沿著反應(yīng)器長(zhǎng)度安裝了熱電偶，用以跟蹤聚合反應(yīng)進(jìn)程。聚合物鏈長(zhǎng)的溫度控制無(wú)法提供定制聚合物性能足夠的自由度，因此，需要鏈轉(zhuǎn)移劑。一般來(lái)說(shuō)，需要使用極性鏈轉(zhuǎn)移劑(調(diào)節(jié)劑)。而在很高的聚合溫度下，可以使用惰性脂肪族碳?xì)浠衔?。轉(zhuǎn)化過(guò)程起因于反應(yīng)器進(jìn)出口溫差、溫度峰值及冷卻循環(huán)，這對(duì)管壁溫差的形成也有益處。因此，反應(yīng)性更強(qiáng)、多功能的過(guò)氧化物有助于改變現(xiàn)有反應(yīng)器的能力。

由于管式反應(yīng)器可以通過(guò)反應(yīng)器壁傳遞熱量，因此，比高壓釜式反應(yīng)器轉(zhuǎn)化成聚合物的轉(zhuǎn)化率要高，很容易就能達(dá)到30%。生成聚合物的轉(zhuǎn)化率影響產(chǎn)品的性能。轉(zhuǎn)化率較高時(shí)，盡管樹(shù)脂透明但支化程度增加。操作壓力由反應(yīng)器出口的閥門(mén)控制，在2500m的管路上會(huì)產(chǎn)生幾百bar的壓力降。