化学反应器

- 反应器的外观
- 反应器的内部剖视图

化学反应器（chemical reactor）是化工生产或实验上进行化学反应的装置，简称反应器，在工业上亦有工业反应器的别称。

反应器主要功能是控制反应过程中的各种条件参数，例如压力（P）、温度（T）、体积（V）、反应滞留时间（$\tau$）、各反应物浓度（C1,C2,C3,...,Cn）、反应速率（R）、热传系数（U，H）、搅拌速率等参数，以及作为反应物进行化学反应的容器。

一般于实验室中所使用的反应器，通常体积较小而且结构简单，例如在实验室仅需一个烧杯、一支试管即可进行一项简单的化学反应，而在工业上所使用的反应器，通常体积巨大、结构复杂，同时又不单单只进行化学反应，内部除了反应过程之外常伴随质传、热传、物料输送等工业程序。在化工生产中，反应器是相当重要的生产设备，约占生产设备总投资额的15－20%，并可依不同的生产流程与操作条件，调整反应器的规格与形式，举凡如炼油厂的轻油裂解炉、炼钢厂的高炉、塑胶工厂的聚合反应器、制药厂的药物合成装置、酿酒厂的酒精发酵槽等，均是反应器的应用。

有关反应器的研究科学为化学工程学、化学热力学、反应动力学、化学反应工程、数学、化学等，从事反应器相关工作的从业人员为化学工程师或机械工程师。

## 理论概述

化学反应是将一个或数个物质经由化学变化转变为另一种物质的过程。反应器则是借由控制化学反应的进行，将原先不具有经济价值的原料转变为商业化的产品，是化工生产中的核心设备之一，其性能优劣会直接影响整个生产流程。因此，设计一个具稳定生产、低耗能，同时又具备安全与环保的反应器即是化学工程师的主要任务。

当原料在反应器内进行反应时，除了化学变化之外，也会伴随着一些物理变化的产生（如温度、浓度变化），两者在操作过程中会交互影响，影响最终产率、设备稳定度、操控难度等。这些问题在尺度较小而且简易的实验室反应器中较不显著，但在规模较大的工业反应器中往往会造成大量的工程问题，所以了解化学反应相关的基本理论即是反应器设计的重点之一，其中包含化学动力学、反应机构、化学平衡、反应速率方程式、物理相态（固态、液态、气态）、吸（放）热反应、催化剂等理论

### 化学动力学

化学动力学主要是研究化学反应的反应机构与反应速率（包含主反应与副反应的反应速率），并探讨这两者与反应系统中温度、浓度、压力、催化剂等因素的交互关系。例如反应速率的快慢会决定反应器的尺寸大小与反应时间，以批式反应器来说，反应速率越大，每批次的操作时间越短；反应速率越小则时间越长。对连续式反应器而言，反应速率越快所需反应器的体积越小，速率越慢则所需反应器的体积越大。

既然化学动力学的研究目标之一是探讨各种条件因素对于反应速率的影响，因此就必须对化学反应速率的定义加以说明，以一简单的反应式A → B为例，式中反应物为A生成物为B，其速率方程式如下：

$$-r_A=-\frac{1}{V_R} \times \frac{dn_A}{dt}$$

式中

为反应物A的化学反应速率。

为所有反应混合物的体积。

为反应物A的数量，通常以莫耳数表示。

反应时间。

若以反应物A的浓度来表示，则反应速率方程式可改写为：

$$-r_A=-\frac{d[A]}{dt}$$

A表示反应物A的浓度，如果此反应的反应速率常数k为已知，则上式可改写为：

$$-r_A=k[A]^n$$

n表示反应物A的反应级数。

### 化学热力学

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化学热力学主要的研究对象是能量，而在反应器的操作过程中，除了化学变化之外，物理上的能量传递、温度升降等现象也会随着化学反应的吸热、放热以及搅拌而产生。

从右图反应转化率与温度关系图可以观察出，对于放热反应，反应环境温度越低，其反应转化率越高，但在此同时，在低温环境下反应速率也会减少，使反应器的生产效率低落，降低经济效益。反之吸热反应在高温环境下，除了转化率增加以外，反应速率也会随之加快，但高温也会连带使非必要的副反应增强，增加后续将主、副产物分离的负担，而且高温也会增加反应器与其他生产设备的损耗，因此如何控制反应器内的温度能在适宜的范围内，达到产率、经济以及安全的平衡，为化学热力学研究的重点。

### 化学反应工程

化学反应工程是以化学动力学和单元操作为基础发展而来的学科，主要是探讨化学工程师如何将实验室的小规模化学反应放大，并应用到实际的工业操作上，以及如何选择适宜的操作条件、设计适合的反应器（如反应器类型、尺寸、材质）等，都仰赖化学反应工程的知识。

## 反应器的分类

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反应器种类繁多，但到目前为止尚未有统一的分类依据，大致上可按反应器操作方式、热力学条件、外型与结构、物料相态、物料流动特性、物料输送方式等特点来做区分。

依据反应器的操作方法，可分为：

- 批式反应器（Batch reactor）
- 连续式反应器（Continuous reactor）
- 半批式反应器（Semi－batch reactor）

依据反应器的热力学条件，可分为：

- 等温反应器（Isothermal reactor）
- 非等温反应器（Nonisothermal reactor）
- 绝热式反应器（Adiabatic reactor）
- 非绝热式反应器（Non-adiabatic reactor）

依据反应器外型与结构，可分为：

- 槽（釜）式反应器（Tank reactor）
- 管式反应器（Tubular reactor）
- 塔式反应器（Column reactor）

依据反应物料的相态，可分为：

- 均相反应器（Homogeneous reactor）
- 非均相反应器（Heterogeneous reactor）

依据反应物料流动特性区分，可分为：

- 塞流反应器（Plug flow reactor）
- 层流反应器（Laminar flow reactor）
- 紊流反应器（Turbulent flow reactor）

依据反应物料的输送方式，可分为：

- 固定床反应器（Fixed-bed reactor）
- 流体化床反应器（Fluidized-bed reactor）

其他类型反应器：

- 微型反应器
- 薄膜反应器
- 生物反应器

在工业上所使用的反应器，通常是上述各种分类的组合。举例来说，炼油厂常见的轻油裂解炉即是连续操作的管式反应器，其内部流动的反应物料流体趋近于塞流，而且是在非等温条件下运作，由此可知，轻油裂解炉同时具有连续式、管式、塞流以及非等温操作等数种反应器的特征。

### 批式反应器

批式反应器（Batch Reactor，简称BR）又名分批式反应器、批次反应器或间歇反应器。此类型反应器的操作方式顾名思义就是以批次为单位，将反应原料分批次加入反应器中进行反应，待反应完成或是到到达预定时间，得到所需的转化率后，停止反应，同时将所有产品取出，并在下一批次操作前，视情况将反应器的内部进行清理，即完成这一批次的操作流程。

批式反应器的特点是所有的操作流程都是以分批方式进行，因此在每一批次的反应过程中均不受前后批次操作的影响。在反应系统方面，批式反应器最常用于液相反应，固相及液－固混合相也适用，但气相反应则较不适合，因为其所能处理的量少，而且反应过程中操作不易，只有在像是气体成分分析时，样品量少且需要精确数据的情况下，才会使用精密的批式反应装置（如气相层析仪）来进行分析，一般在处理大量气体反应时，则大多以连续式反应器为主。

另外，批式反应器的操作过程中包含进料、卸料以及清理设备等步骤，有相当长的非反应时间以及劳动力需求，因此，批式反应器通常应用于规模与产量较小的产业，如食品、药品、精密化学品等产品的制造。

### 连续式反应器

#### 连续式搅拌槽反应器（CSTR）

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连续式搅拌槽反应器（Continuously Stirred Tank Reactor，简称CSTR），是一种广泛应用于化工生产中的反应器，其结构与一般批式反应器有些类似，但最主要的不同是反应器中的反应物与生成物都是连续的进入与输出。另外CSTR还有以下特点：

- 反应槽内的温度易于控制，对于具高活化能或剧烈放热的化学反应，由于在槽内的反应物料搅拌均匀，降低了反应速率以及减少瞬间过热点的产生，有利于达到等温操作。
- 搅拌有利于热量传递，反应物在均匀的搅拌系统中有很大的热传面积。
- 细小的催化剂粒子能够在均匀搅拌过程中悬浮在整个反应系统中，而获得大量的接触面积。
- 对于并行反应系统，若主反应级数较副反应低，则可提高反应选择性。
- 适用一些反应速率较低、需长时间停留的反应系统，或是反应物在高浓度时易产生剧烈反应，如引发爆炸的反应过程。
- 在某些自由基聚合反应中，由于聚合物生长期比在反应器内停留时间短，分子链的终止速率受自由基浓度影响，而自由基浓度又与单体浓度成正比，因此，若使用CSTR则能使反应器内物料的单体浓度均匀保持在低浓度，使分子链终止速率恒定，即可得到分子量集中分布的聚合产物。
- CSTR可采用将数个槽串联在一起的操作模式，如上图CSTR串联的表示图所示，反应器体积可大可小，并可依照生产情况来作调整。

### 塞流反应器

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塞流反应器（Plug Flow Reactor，简称PFR）是指反应器内的物料流动满足塞流模型的反应器，塞流是描述流体的一种理想流动状态，如右图塞流流动示意图所示，图中将每一个截面视为一个单元，在每一单元中所有反应物初始浓度均相同，同时，所有的反应物料都假定沿着同一方向流动，而且没有返回混合的情况，另外，所有物料在反应器中的停留时间都相同，最终流出的物料转化率也一致，因此每一单元都可假设为一个微型的批式反应器，以整体来说，塞流反应器的性能，也类似于批式反应器。

依据塞流流动的定义，可得知塞流反应器应具有以下特点：

- 为连续式操作，所以在反应器的每一截面中，物料浓度不随时间改变。
- 反应器内的径向流动速度分布是均匀的，这是一种理想流动。因为在实际操作中，管内的流体无论是呈紊流或层流，其径向流速分布都是不均的。由此上述假设可推得塞流反应器中，物料浓度与反应速度在径向是均匀分布，仅沿着轴向逐渐变化。

在一般的化工生产中，管径较小、流速较快、长度较长的管式反应器或者固定床反应器通常会以塞流反应器模型来作设计。

## 参考文献

### 书籍

- Schmidt, Lanny D., The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-510588-5.
- Levenspiel, O.: The Chemical Reactor Omnibook, Oregon St Univ Bookstores (January 1993). ISBN 0-88246-160-5