1.2　反应器的分类

工业反应器的结构和操作方法主要取决于所进行的反应体系，按照反应物系的相态可分为均相反应器和多相反应器两大类。

如图1-2所示，均相反应器根据形状和结构可分为釜式和管式两大类。釜式反应器可进行间歇、连续和半连续三种操作，而管式反应器通常采用连续操作。

多相反应器的种类较多，包括塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器以及滴流床反应器等。塔式反应器主要用于气液反应和液液反应，固定床反应器、流化床反应器和移动床反应器多用于气固反应和液固反应，而滴流床反应器则主要用于气液固反应。多相反应器将在第5～8章分析和讨论。

1.2.1　常用反应器的型式与结构

（1）釜式反应器　图1-3示出了釜式反应器的结构和传热方式。在釜式反应器中，一般要设置搅拌器，以保证反应器内流体充分混合，使反应器内各点的温度和浓度相同。反应热的移出（放热反应）或补充（吸热反应）一般有两种方法：①在反应器外设置夹套；②在反应器内设置套管。通过夹套或套管中的换热介质与反应体系进行热交换，可移出反应放出的热量或提供反应所需的热量。

釜式反应器不仅适用于均相反应（通常为液相反应），而且可用于气液反应、气液固反应、液液反应等多相反应，是一种用途广泛的工业反应器。

釜式反应器可以采用间歇、连续、半连续三种操作方式［图1-2（a）］。

（2）管式反应器　管式反应器的结构如图1-4所示，其中图1-4（a）为单管式反应器，图1-4（b）为多管式反应器。多管式反应器的结构与列管换热器相似，主要用于反应热效应较大的场合。

在管式反应器中，一方面，反应物浓度从入口处沿轴向逐渐降低，即沿轴向呈现一定浓度分布；另一方面，因反应放热或吸热速率与反应速率成正比，而反应速率与温度相关，故管式反应器沿轴向通常也存在温度分布。

管式反应器是一种连续操作的反应器。它不仅可用于气相和液相等均相反应，而且可用于气固反应（固定床反应器）、气液反应、气液固反应（滴流床反应器）等多相反应。

1.2.2　反应器的操作方法

反应器的操作方法有间歇、连续和半连续三种。

（1）间歇操作　反应原料一次性加入反应器后开始反应，在反应达到预定转化率时将反应混合物全部取出的操作方式称为间歇操作。间歇操作是一个非定态操作过程，在反应过程中各组分的浓度随时间变化，反应物的浓度逐渐降低。对于反应级数大于零的反应，若转化率很高，则在反应后期在很低反应物浓度下运行，生产效率较低，因而存在反应转化率（或反应时间）的优化问题。间歇操作通常在釜式反应器中进行，在反应过程中不加料也不卸料，反应体系容积不变，即属于恒容过程。

间歇操作时在两批次反应之间，需要计入清洗、加料、升温、降温和卸料所需时间，因而有劳动强度大、生产效率低的缺点。当反应速率很慢、原料处理量较少或者产品附加值很高时，可以采用间歇操作的釜式反应器。

（2）连续操作　反应原料从反应器的入口处连续供给，在出口处连续取出产品的操作方式称为连续操作。管式反应器和釜式反应器都可以采用连续操作。连续操作属于定态操作过程，即反应器中任意位置的操作参数（如温度、浓度等）不随时间变化，但沿流动方向随位置变化。因为流体边流动边反应，反应器中下游位置与入口处的距离实质上代表了反应时间，距离越远，转化率越高，反应物浓度越低，正级数反应的速率越低。

连续操作时在任意位置反应条件和操作参数不随时间变化的特性带来两个明显的好处：①产品质量稳定；②便于实现自动控制。由于无须辅助操作，连续操作还具有劳动强度低和生产效率高的优点。在现代化学工业，大规模生产的反应器多采用连续操作的反应器。然而，连续操作开车时定常态的建立需要较长时间，装置停车时同样需要较长时间，这期间因生产产品不达标会造成浪费。显然，连续操作无法像间歇操作的釜式反应器那样可以灵活改变产品品种。

（3）半连续操作　介于间歇操作和连续操作之间的一种操作方式。比如，将反应原料之一的B组分先加入反应器中，然后将另一反应组分A连续加入反应器［图1-2（a）］。在该操作中，对于组分B来说是间歇操作，但对组分A来说是连续操作，因而称为半连续操作。该操作方式通常在釜式反应器中进行。

对于乙烯和尿素等产量大的反应过程，工业上一般都采用连续操作。而对于精细化学品和药物等的生产，由于产品的产量小、品种多，一般采用间歇或半连续操作方式。对于发酵等微生物参与的生物化工过程，因无菌操作在连续操作时很难实现，一般采用间歇或半连续操作方式。