1.2　反應器的分類

工業反應器的結構和操作方法主要取決于所進行的反應體系，按照反應物系的相態可分為均相反應器和多相反應器兩大類。

如圖1-2所示，均相反應器根據形狀和結構可分為釜式和管式兩大類。釜式反應器可進行間歇、連續和半連續三種操作，而管式反應器通常采用連續操作。

多相反應器的種類較多，包括塔式反應器、固定床反應器、流化床反應器、移動床反應器以及滴流床反應器等。塔式反應器主要用于氣液反應和液液反應，固定床反應器、流化床反應器和移動床反應器多用于氣固反應和液固反應，而滴流床反應器則主要用于氣液固反應。多相反應器將在第5～8章分析和討論。

1.2.1　常用反應器的型式與結構

（1）釜式反應器　圖1-3示出了釜式反應器的結構和傳熱方式。在釜式反應器中，一般要設置攪拌器，以保證反應器內流體充分混合，使反應器內各點的溫度和濃度相同。反應熱的移出（放熱反應）或補充（吸熱反應）一般有兩種方法：①在反應器外設置夾套；②在反應器內設置套管。通過夾套或套管中的換熱介質與反應體系進行熱交換，可移出反應放出的熱量或提供反應所需的熱量。

釜式反應器不僅適用于均相反應（通常為液相反應），而且可用于氣液反應、氣液固反應、液液反應等多相反應，是一種用途廣泛的工業反應器。

釜式反應器可以采用間歇、連續、半連續三種操作方式［圖1-2（a）］。

（2）管式反應器　管式反應器的結構如圖1-4所示，其中圖1-4（a）為單管式反應器，圖1-4（b）為多管式反應器。多管式反應器的結構與列管換熱器相似，主要用于反應熱效應較大的場合。

在管式反應器中，一方面，反應物濃度從入口處沿軸向逐漸降低，即沿軸向呈現一定濃度分布；另一方面，因反應放熱或吸熱速率與反應速率成正比，而反應速率與溫度相關，故管式反應器沿軸向通常也存在溫度分布。

管式反應器是一種連續操作的反應器。它不僅可用于氣相和液相等均相反應，而且可用于氣固反應（固定床反應器）、氣液反應、氣液固反應（滴流床反應器）等多相反應。

1.2.2　反應器的操作方法

反應器的操作方法有間歇、連續和半連續三種。

（1）間歇操作　反應原料一次性加入反應器后開始反應，在反應達到預定轉化率時將反應混合物全部取出的操作方式稱為間歇操作。間歇操作是一個非定態操作過程，在反應過程中各組分的濃度隨時間變化，反應物的濃度逐漸降低。對于反應級數大于零的反應，若轉化率很高，則在反應后期在很低反應物濃度下運行，生產效率較低，因而存在反應轉化率（或反應時間）的優化問題。間歇操作通常在釜式反應器中進行，在反應過程中不加料也不卸料，反應體系容積不變，即屬于恒容過程。

間歇操作時在兩批次反應之間，需要計入清洗、加料、升溫、降溫和卸料所需時間，因而有勞動強度大、生產效率低的缺點。當反應速率很慢、原料處理量較少或者產品附加值很高時，可以采用間歇操作的釜式反應器。

（2）連續操作　反應原料從反應器的入口處連續供給，在出口處連續取出產品的操作方式稱為連續操作。管式反應器和釜式反應器都可以采用連續操作。連續操作屬于定態操作過程，即反應器中任意位置的操作參數（如溫度、濃度等）不隨時間變化，但沿流動方向隨位置變化。因為流體邊流動邊反應，反應器中下游位置與入口處的距離實質上代表了反應時間，距離越遠，轉化率越高，反應物濃度越低，正級數反應的速率越低。

連續操作時在任意位置反應條件和操作參數不隨時間變化的特性帶來兩個明顯的好處：①產品質量穩定；②便于實現自動控制。由于無須輔助操作，連續操作還具有勞動強度低和生產效率高的優點。在現代化學工業，大規模生產的反應器多采用連續操作的反應器。然而，連續操作開車時定常態的建立需要較長時間，裝置停車時同樣需要較長時間，這期間因生產產品不達標會造成浪費。顯然，連續操作無法像間歇操作的釜式反應器那樣可以靈活改變產品品種。

（3）半連續操作　介于間歇操作和連續操作之間的一種操作方式。比如，將反應原料之一的B組分先加入反應器中，然后將另一反應組分A連續加入反應器［圖1-2（a）］。在該操作中，對于組分B來說是間歇操作，但對組分A來說是連續操作，因而稱為半連續操作。該操作方式通常在釜式反應器中進行。

對于乙烯和尿素等產量大的反應過程，工業上一般都采用連續操作。而對于精細化學品和藥物等的生產，由于產品的產量小、品種多，一般采用間歇或半連續操作方式。對于發酵等微生物參與的生物化工過程，因無菌操作在連續操作時很難實現，一般采用間歇或半連續操作方式。