環(huán)境工程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作

沸騰床加氫反應(yīng)器由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和操作模式使其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①操作靈活，可以在高或低轉(zhuǎn)化率下操作；

②可以周期性地從反應(yīng)器中回收或添加催化劑，在不停工的情況下可以保持催化劑的反應(yīng)活性；

③通過(guò)循環(huán)泵使催化劑床層膨脹30%～50%，保證催化劑固體顆粒之間有足夠大的自由空間；可以避免由原料夾帶或反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的固體微粒在穿越催化劑床層過(guò)程中產(chǎn)生累積、床層堵塞或床層壓力降增加的問(wèn)題；

④使用小粒徑催化劑能顯著降低擴(kuò)散的限制，提高了反應(yīng)速率，也不易發(fā)生金屬沉積堵塞催化劑孔道的情況；

⑤良好的熱轉(zhuǎn)移，使催化劑床層的過(guò)熱最小化，并能減少焦炭形成；

⑥沸騰床反應(yīng)器近似于等溫操作，在工業(yè)化的沸騰床裝置中，反應(yīng)器中任何兩點(diǎn)的溫度差都低于5℃，可以避免局部過(guò)熱。

但國(guó)外的沸騰床加氫反應(yīng)器也存在如下缺點(diǎn)：

①沸騰床為全返混反應(yīng)體系，與固定床的活塞流反應(yīng)體系相比，轉(zhuǎn)化率低，這可以通過(guò)將幾個(gè)沸騰床反應(yīng)器串聯(lián)得到部分改善；

②催化劑易發(fā)生磨損，所以要求催化劑必須具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和抗磨損能力；

③由于沸騰床使用較小尺寸的催化劑顆粒，并且反應(yīng)器中催化劑的固含率較低，使得沸騰床反應(yīng)器的體積大于固定床和移動(dòng)床的反應(yīng)器；

④催化劑消耗量較大；

⑤需要密切監(jiān)測(cè)反應(yīng)器停滯區(qū)域，阻止該區(qū)域的擴(kuò)大，它會(huì)導(dǎo)致操作不穩(wěn)定；

⑥沸騰床反應(yīng)通常在高溫下操作，所以容易形成沉積物；

⑦沸騰床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和工業(yè)放大要比其他反應(yīng)器更加困難，因?yàn)檫@涉及多種因素：原料組成、催化劑性質(zhì)、催化作用和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、催化劑小球與床層之間的熱量和質(zhì)量傳遞等。 2100433B

反應(yīng)器按操作方式可分為：

①間歇釜式反應(yīng)器,或稱間歇釜。

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,或稱連續(xù)釜

)?？杀苊忾g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。

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。