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各類反應(yīng)器和它們的優(yōu)缺點(diǎn)介紹
反應(yīng)設(shè)備是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生物質(zhì)變化等過程的場(chǎng)所，是流程性材料產(chǎn)品生產(chǎn)中的核心設(shè)備。廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金、輕工等工業(yè)部門。 在化工生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)的種類很多，操作條件差異很大，物料的聚集狀態(tài)也各不相同，使用反應(yīng)器的種類也是多種多樣。 一般可按用途、操作方式、結(jié)構(gòu)型式等進(jìn)行分類。常見的是按結(jié)構(gòu)型式分類，可分為機(jī)械攪拌式反應(yīng)器，釜式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器，移動(dòng)床反應(yīng)器，電極式反應(yīng)器和微反應(yīng)器。以下為大家介紹它們各自的特點(diǎn)：
1、機(jī)械攪拌式反應(yīng)器 機(jī)械攪拌式反應(yīng)器可以用于均相反應(yīng)，也可用于多相（液-液，氣-液，液-固）反應(yīng)，可以間歇操作，也可以連續(xù)操作?？稍诔?，加壓，真空下生產(chǎn)操作，可控制范圍大。同時(shí)在生產(chǎn)結(jié)束后，出料容易，反應(yīng)器清洗方便，機(jī)械設(shè)計(jì)也已經(jīng)成熟，因此用途十分廣泛。 攪拌反應(yīng)器主要由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成，攪拌容器包括筒體，換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器，攪拌軸及密封裝置，傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。
2、釜式反應(yīng)器 釜式反應(yīng)器也稱槽式、鍋式反應(yīng)器。 特點(diǎn)：反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長有短，存在不同停留時(shí)間物料的混合，即返混程度大。 反應(yīng)器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時(shí)間變化，從而不存在時(shí)間這個(gè)自變量。 優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易，可以方便地改變反應(yīng)內(nèi)容。 缺點(diǎn)：換熱面積小，反應(yīng)溫度不易控制，停留時(shí)間不一致。絕大多數(shù)用于有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。
3、管式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器主要用于氣相、液相、氣—液相連續(xù)反應(yīng)過程，由單根(直管或盤管)連續(xù)或多根平行排列的管子組成，一般設(shè)有套管或殼管式換熱裝置。 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。 特點(diǎn) ： （1）由于反應(yīng)物的分子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等，所以在反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)上的反應(yīng)物濃度和化學(xué)反應(yīng)速度都不隨時(shí)間而變化，只隨管長變化。 （2）管式反應(yīng)器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。 （3）由于反應(yīng)物在管式反應(yīng)器中反應(yīng)速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。 （4）管式反應(yīng)器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。 （5）和釜式反應(yīng)器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。 （6）管式反應(yīng)器既適用于液相反應(yīng)，又適用于氣相反應(yīng)。用于加壓反應(yīng)尤為合適。
4、塔式反應(yīng)器 塔式反應(yīng)器廣泛用于兩種流體相，如氣液相反應(yīng)和液液反應(yīng)等過程。 特點(diǎn)： 一般高度為直徑的數(shù)倍乃至十余倍，塔內(nèi)設(shè)有增加兩相接觸的構(gòu)件。常見的有填料塔，板式塔，鼓泡塔，噴霧塔等。 填料塔 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐腐蝕，適用于快速和瞬間反應(yīng)過程，軸向返混可忽略。能獲得較大的液相轉(zhuǎn)化率。
板式塔適于快速和中速反應(yīng)過程。具有逐板操作的特點(diǎn)，各板上維持相當(dāng)?shù)囊毫?、以進(jìn)行氣液相反應(yīng)。由于采用多板，可將軸向返混降到低，并可采用小的液流速率進(jìn)行操作，從而獲得*的液相轉(zhuǎn)化率。氣液劇烈接觸，氣液相界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱系數(shù)大，是強(qiáng)化傳質(zhì)過程的塔型，因此適用于傳質(zhì)過程控制的化學(xué)反應(yīng)過程。
鼓泡塔儲(chǔ)液量大，適于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)。掖相袖向返混嚴(yán)重，連續(xù)操作型反應(yīng)速率明顯下降。在單一反應(yīng)器中，很難達(dá)到高的液相轉(zhuǎn)化率，因此常用多級(jí)鼓泡塔串聯(lián)或采用間歇操作方式。
5、固定床反應(yīng)器 固定床板反應(yīng)器是指流體通過靜止不動(dòng)的固體物料所形成的床層而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。以氣- 固反應(yīng)的固定床反應(yīng)器常見。 固定床反應(yīng)器有三種常見的形式：軸向絕熱式，徑向絕熱式，列管式。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定，便于控制，易實(shí)現(xiàn)大型化和連續(xù)化生產(chǎn)，是現(xiàn)代化工廠和反應(yīng)中應(yīng)用很廣泛的反應(yīng)器。其缺點(diǎn)是床層溫度分布不均勻。
6、流化床反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行氣固相反應(yīng)過程或液固相反應(yīng)過程的反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器多用于氣--固反應(yīng)過程。 流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) ： （1）由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流固相界面積大，有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率。 （2）由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高[200～400W/（m²•K）]，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，這些都有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。這是許多工藝過程的反應(yīng)裝置選擇流化床的重要原因之一。 流化床反應(yīng)器的缺點(diǎn) ： （1）氣體流動(dòng)狀態(tài)與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發(fā)生返混，以致在床層軸 向沒有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態(tài)通過床層，使氣固接觸不良， 使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。因此流化床一般達(dá)不到固定床的轉(zhuǎn)化率。 （2）催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。 （3）由于固體顆粒的磨蝕作用，管子和容器的磨損嚴(yán)重。
7、移動(dòng)床反應(yīng)器 當(dāng)固體催化劑顆粒逐漸加入，反應(yīng)物通過固體顆粒連續(xù)反應(yīng)后連續(xù)排出，這種反應(yīng)器稱為移動(dòng)床反應(yīng)器。在反應(yīng)器的固體顆粒之間基本上沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是整個(gè)顆粒層的移動(dòng)。因此可以看成是移動(dòng)的固定床反應(yīng)器。在生物領(lǐng)域運(yùn)用較廣。 特點(diǎn)： 固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變，固體和流體的運(yùn)動(dòng)接近活塞流，返混較少?？刂乒腆w粒子運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置較復(fù)雜，床層的傳熱性能與固定床接近。
8、電極式反應(yīng)器 電化學(xué)反應(yīng)器由兩個(gè)電極和電解質(zhì)構(gòu)成，用于輸出和產(chǎn)生電能。如圖的氫氧燃料電池，是以氫氣為原料，氧氣做氧化劑，通過向氫電極提供氫氣，同時(shí)向氧電極供應(yīng)氧氣，氫氣和氧氣在電極催化作用下，通過電解質(zhì)生成水。 特點(diǎn)： 這是新型的反應(yīng)器的類型之一，在未來清潔能源的使用上有很大的發(fā)展前景。
9、微反應(yīng)器 微反應(yīng)器是通過納米，微米的加工和細(xì)觀精細(xì)集成技術(shù)制造的小型反應(yīng)系統(tǒng)。微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)流體的通道尺寸在納米，亞微米，微米到亞微米量級(jí)，串、并流等高度集成?？梢灾瞥晌⒒炱?，微換熱，微反應(yīng)和集多功能于一體的微芯片。 特點(diǎn)： 所需空間小，質(zhì)量和能量消耗少，響應(yīng)時(shí)間短，單位時(shí)間和空間內(nèi)獲得的信息量大，可大批量生產(chǎn)和自動(dòng)化安裝，很容易實(shí)現(xiàn)一體化集成。
板式塔適于快速和中速反應(yīng)過程。具有逐板操作的特點(diǎn)，各板上維持相當(dāng)?shù)囊毫?、以進(jìn)行氣液相反應(yīng)。由于采用多板，可將軸向返混降到低，并可采用小的液流速率進(jìn)行操作，從而獲得*的液相轉(zhuǎn)化率。氣液劇烈接觸，氣液相界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱系數(shù)大，是強(qiáng)化傳質(zhì)過程的塔型，因此適用于傳質(zhì)過程控制的化學(xué)反應(yīng)過程。
鼓泡塔儲(chǔ)液量大，適于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)。掖相袖向返混嚴(yán)重，連續(xù)操作型反應(yīng)速率明顯下降。在單一反應(yīng)器中，很難達(dá)到高的液相轉(zhuǎn)化率，因此常用多級(jí)鼓泡塔串聯(lián)或采用間歇操作方式。
5、固定床反應(yīng)器