青海大学材料学硕士点硕士研究生论文
课程名称
《化学反应工程分析》
姓 名： 南辉 学 号：0708050201
任课教师: 赵启文
化学反应器的现状与未来
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。因此，了解化学反应器发展的现状，进一步研究和开发新型实用的化学反应器具有重要的现实意义。反应设备虽然种类繁多,但对其要求是共同的主要有以下几点:①技术指标先进,即转化效率高处理量大,能耗低;②使用方便,操作稳定,容易调节,易于清理和检修;③结构简单,节省材料,造价低廉,制造安装方便。对某一具体的反应设备,以上各点要求很难同时满足,这就要求在开发反应器时抓住主要矛盾,解决主要问题。下面主要对化学反应器的分类和几种典型的反应器进行介绍并对化学反应器的未来进行了展望。
化学反应器的分类
化学反应器按其结构特征来分，可分为管式反应器、釜式反应器和塔式反应器;按操作方法来分，可分为间歇、连续和半间歇反应器;按物料相态来分，可分为均相反应器和非均相反应器，均相反应器又有气相和液相两类，非均相反应器又分为气一液、气一固、液一液、液一固、气一液一固等反应器。按固体颗粒(固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂)状态来分，可分为固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器等。另外，还有一些分类方法，如按反应器内温度分布分类，可分为等温和非等温反应器;按反应器和外部之间换热来分，可分为绝热反应器和非绝热反应器等。
典型的反应器的介绍
串式化学反应器 固定床反应器是化学工业最为常用的反应器型式之一,然
而,对于许多气-固反应过程,压降的大小可能成为操作成本的决定性因素,如烟道气的处理在经济上可容许的压降只有1~2 kPa。为了满足这一需求,改造传统
的固定床反应器,开发通量大、压降小的新型固定床反应器势在必行。新近出现的串式化学反应器，正是这样一种新型的固定床反应器,其结构如图1所示。可以看出,串式化学反应器与传统固定床反应器的区别主要在于催化剂的装填方式不同。在传统固定床反应器中,催化剂颗粒随意堆积在反应器内,而串式化学反应器的催化剂颗粒是用金属丝连成长串,再以均匀分布方式或串束分布方式布置在反应器内,串的方向通常与物料流向平行。这种反应器与传统固定床反应器相比,压力降大大降低,由于催化剂串的轻轻摇晃,粉尘不易在床层积累,从而可避免局部过热现象的发生。根据不同的工艺要求,床层空隙率可由10%任意变化到100%,因此适用于各种不同的工艺过程。串式化学反应器的催化剂生产成本比传统固定床反应器大5%~10%。由于催化剂串的布置方式不同,催化剂床层的传质、传热规律有所不同,因此研究催化剂串的不同布置方式以及不同床层空隙率时的床层传质、传热规律,对于串式化学反应器的开发设计具有十分重要的意义。
下行式循环流化床流化床 反应器具有催化剂颗粒小,内扩散阻力小,催化剂
容易再生等优点,长期以来被广泛采用。但传统流化床反应器由于大量的气体以气泡形式通过床层,两相不能有效地接触,从而大大降低了反应器的转化效率。为了改善流化质量,提高气-固两相的接触效率,金涌等[2,3]提出了气-固并流下行快速循环流态化这种无气泡的气-固接触技术,并对其进行了深入研究。气-固并流下行循环流化反应器设备流程如图2所示。首先,伴床中的催化剂颗粒被气相经提升管输送至下行床顶部,经多管分布器进入下行床,气相反应物在下行床内催化剂作用下发生化学反应,反应产物经气固分离器分离后,气相产物经气相出口排出反应器,催化剂颗粒进入伴床开始下一个循环。研究表明,这种流化方式催化剂颗粒顺重力场运动,床内气速、催化剂颗粒速度及颗粒浓度的径向分布均匀,从而有效地改善了固体颗粒的停留时间分布,特别适用于催化剂极易失活、极易结焦的反应过程,可望在催化裂化、催化裂解等生产过程中获得广泛应用。
膜生物反应器 膜生物反应器是当前化学工程和膜技术领域研究的共同热
点。所谓膜生物反应器即用于生物反应的膜和膜组件的反应系统。其研究始于60年代末，经过40年的发展，用于反应器的膜既具有分离的功能又具有载体的功能。目前的主要研究工作是将膜作为酶和细胞的一种特殊的固定化载体，这与其它形式的载体相比，膜除了具有分离的功能外，还具有多层复合的功能、分隔空间的功能和物料透过膜实现流动传质的功能。总的来看，对膜生物反应器的研究还处于初级阶段，目前有实用价值的应用还比较少，有待于进一步研究和开发。
具有周期换向操作的绝热固定床反应器 对绝热固定床反应器周期换向
操作的研究开发始于70年代末，后来由前苏联的研究人员将其进一步发展并在大规模的工业化生产中应用。这种反应器在废气处理方面效果明显，用于氨合成和二氧化硫氧化等可逆放热反应中更有其优势。绝热固定床反应器的周期换向操作是将反应器中的反应与热量传递有机结合起来，既省去了换热设备又提高了反应器的生产能力。换向操作的缺点是换向时物流会将床层中未反应的物料带出反应器，降低了总转化率，但如果反应器长期操作，这种影响却非常小。
利用新的辅助手段开发新型反应器 利用新的辅助手段开发新型反应器,
是开发新型化学反应器的又一重要手段,如声场、电场、磁场、离心力场等可显著改善某些化学反应器的性能。利用等离子体技术开发的等离子体反应器在石油化工和冶金工业中有着极高的应用价值。（1）等离子体反应器一般由等离子体产生区、反应区和淬冷区组成。其工作原理为:反应物料首先在等离子体产生区被迅速加热到反应温度，然后进人反应区进行反应，反应产物在淬冷区冷却后离开反应器。由于这种反应器可实现由天然气直接合成芳烃等难度较大的反应，因此等离子体反应器在石油化工和冶金等行业有着广阔的应用前景。（2）
将超声作为一种有效且没有污染的活化技术应用于化学反应器而成功开发了声纳化学反应器。由于超声能够大大加快化学反应速度，因此声纳化学反应器已被广泛用于有机合成和有机金属化学领域。如德国科劳斯塔尔大学研制成功的装有能发射160W/cm，的20kHz超声流发射器的声纳化学反应器。法国国立化学工程学院研制成功的一种小型氧化废水中酚的声纳化学反应器等。
开发特殊型式的化学反应器 特殊的工艺要求往往需要采用特殊形式的反
应器,例如可用于固体物料快速热处理的旋转圆锥反应器。该反应器的结构如图3所示,主体部分为上大下小的圆锥形。反应物料在旋转圆锥的底部引入,在离心力的作用下,沿反应器内壁螺旋式上升并离开反应器。这种反应器的优点是固体颗粒的停留时间很短,通常只有0.2 s,对于快速失活或反应极快的固体颗粒来说,如此短的停留时间是很必要的;不需要载气,特别适用于需避免产物被稀释的反应系统。Wagenaar等人在旋转圆锥反应器中研究了木屑的热解反应,实验表明,反应几乎没有焦炭形成,在最佳反应条件下,焦油收率可达70%。
化学反应器的发展
近年来,人们在开发新型化学反应器方面付出了辛勤的劳动,开发出许多具有独特性能的新型反应器。但绝大多数新型反应器尚处于实验阶段,距离大规模工业应用还有一段漫长的距离。开发新型反应器是一个很复杂的过程，在开发新型反应器时,不仅需要考查它的技术指标,还要考查它的制造成本和操作性能。只有高效、节能而又结构简单、易于检修、操作方便的反应器型式才容易为企业所接受。
未来的化学反应器将朝着大型化、高效、节能、结构简单、操作方便和多功能方向发展。预计将在以下几个方面有进一步的突破，即将几种传统的单元过程在同一台设备中进行有机的结合，开发多功能的化学反应器;采取新的辅助措施，提高反应器的性能;根据特殊的工艺要求，开发特殊形式的化学反应器;根据其工艺需要，通过改造传统的化学反应器开发新型反应器等。