化學反應過程和反應器是化工生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié),一個化工生產(chǎn)流程往往是圍繞反應過程展開的。相對而言,化工生產(chǎn)流程中的單元操作如熱交換、蒸餾、吸收和干燥等,只涉及物理變化,其設計計算理論較為成熟,實踐經(jīng)驗較為豐富;而在反應器中,傳熱、傳質(zhì)等物理變化和化學反應同時發(fā)生,反應結(jié)果也是這些變化共同作用的結(jié)果,因此,反應器的設計也需要將化學反應和傳遞過程相結(jié)合。反應器設計所依據(jù)的是化學反應工程理論,是化學反應工程理論的實際應用。由于化學反應的多樣性,反應器設計往往較多地倚重研究試驗工作。
反應器按結(jié)構(gòu)大致可分為管式、釜式、塔式、固定床和流化床等類型。它們的型式與特性見表。由于每種反應均有其自身的特點,選型時需要結(jié)合反應器的特性進行綜合分析,做出合理選擇。
一、管式反應器
一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應器。這種反應器可以很長,如丙烯二聚的反應器管長以公里計。反應器的結(jié)構(gòu)可以是單管,也可以是多管并聯(lián);可以是空管鍛件,如管式裂解爐,也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管鍛件,以進行多相催化反應,如列管式固定床反應器。通常,反應物流處于湍流狀態(tài)時,空管的長徑比大于50;填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200(液體),物料的流動可近似地視為平推流。
二、釜式反應器
釜式反應器也稱槽式、鍋式反應器,它是各類反應器中結(jié)構(gòu)較為簡單且應用較廣的一種。主要應用于液—液均相反應過程,在氣—液、液—液非均相反應過程中也有應用。在化工生產(chǎn)中,既適用于間歇操作過程,又可單釜或多釜串聯(lián)用于連續(xù)操作過程,但在間歇生產(chǎn)過程應用最多。
三、固定床反應器
又稱填充床反應器,裝填有固體催化劑或固體反應物用以實現(xiàn)多相反應過程的一種反應器。固體物通常呈顆粒狀,粒徑2~15mm左右,堆積成一定高度(或厚度)的床層。床層靜止不動,流體通過床層進行反應。它與流化床反應器及移動床反應器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止狀態(tài)。固定床反應器主要用于實現(xiàn)氣固相催化反應,如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐等。用于氣固相或液固相非催化反應時,床層則填裝固體反應物。涓流床反應器也可歸屬于固定床反應器,氣、液相并流向下通過床層,呈氣液固相接觸。