[科普中國]-空管反應器

空管反應器一般用于氣相反應，但是也適用于某些液相反應。如果傳熱速率要求較高，就采用直徑小的管，以增加表面與體積之比。多管并行排列，用集流管連接或以列管式換熱器同樣的排列方式安裝于管板上。對于高溫反應而言，反應管可以排列于爐中。1

簡介空管反應器是一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應器。這種反應器可以很長，如丙烯二聚的反應器管長以千米計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。通常，反應物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100（氣體）或200（液體）。

在化工生產中，連續(xù)操作的空管反應器可以近似看成是理想活塞流，又稱平推流或置換流（PFR）反應器。它既適用于液相反應，也適用于氣相反應。當用于液相反應和反應前后無物質的量變化的氣相反應時，可視為恒容過程；當用于反應前后有物質的量變化的氣相反應時，為變容過程。如果在反應過程中利用適當?shù)恼{節(jié)手段使溫度基本維持不變，則為恒溫過程，否則就為非恒溫過程。管式流動反應器內非恒溫操作可分為絕熱式和換熱式兩種?？展芊磻鞫鄶?shù)采用連續(xù)操作，少數(shù)采用半間歇操作，很少使用間歇操作。

空管反應器結構與特點空管反應器主要用于氣相、液相、氣一液相連續(xù)反應過程，由單根（直管或盤管）連續(xù)或多根平行排列的管子組成，一般設有套管或殼管式換熱裝置。操作時，物料自一端連續(xù)加入，在管中連續(xù)反應，從另一端連續(xù)流出，便達到了要求的轉化率。由于空管反應器能承受較高的壓力，故用于加壓反應尤為合適，例如，油脂或脂肪酸加氫生產高碳醇、裂解反應用的管式爐便是空管反應器。

此種反應器具有容積小、比表面大、返混少、反應混合物連續(xù)性變化、易于控制等優(yōu)點。但若反應速率較慢，則有所需管子長、壓降較大等不足。隨著化工生產越來越趨于大型化、連續(xù)化、自動化，連續(xù)操作的空管反應器在生產中使用越來越多，某些傳統(tǒng)上一直使用間歇攪拌釜的高分子聚合反應，目前也開始改用連續(xù)操作的空管反應器。2

空管反應器的長徑比較大，與釜式反應器相比在結構上差異較大，有直管式、盤管式、多管式等，如下圖所示。

活塞流模型流體在管內流動時存在流速分布，同一橫截面上，中間處的流速最大，越靠近器壁流速越??；當流體呈層流時，其徑向流速分布為拋物面狀，如下圖中a所示，呈湍流時則隨湍動的程度不同流速分布變得扁平，如下圖中b所示。

可以看出，中心部分的流體停留時間短，而靠近管壁處的流體停留時間長。停留時間不同影響化學反應進行的速率和程度。另外，由于反應器內的流體混合的形式和程度直接影響到反應器內各處流體的濃度和溫度，而它們又是決定反應速率的因素，因此反應器內流體混合也是一個重要的影響因素。根據(jù)實際流動狀況，對其進行合理簡化，建立流動模型。

活塞流是一種極端的理想流動狀況，即徑向流速分布均勻，如上圖中c所示。所謂活塞流是指反應物料以一致的方向、相同的速度從反應器進口向出口運動，像活塞一樣均勻地向前移動。其特點是連續(xù)定態(tài)操作，在反應器的各處截面上物料濃度均勻、溫度均勻，且物料參數(shù)不隨時間變化，屬于穩(wěn)態(tài)操作；物系參數(shù)隨軸向位置變化，故反應速率隨軸向位置變化；所有物料在反應器內停留時間相同，不存在返混。

所謂返混是指具有不同停留時間的流體粒子之間的混合。對活塞流反應器而言，同一時刻進入反應器的流體粒子必然在同一時刻離開反應器，即所有物料在反應器內停留時間相同。因此，活塞流反應器與間歇操作釜式反應器具有相同的效果，即當物料在反應器內的停留時間相同時，兩者所達到的最終轉化率及最終收率相同。

對于連續(xù)操作釜式反應器，假設剛進入反應器的新鮮物料與已經存留在反應器中的物料能達到瞬間的完全混合，以致在整個反應器內各處物料的濃度和溫度完全相同，且等于反應器出口處物料的濃度和溫度，在這種情況下，物料的返混程度達到最大，這就是所謂的全混流模型，又稱完全混合流模型（CSTR），是另一種極端的理想流動狀況。2

活塞流和全混流都屬于理想化了的流動，因此這兩種模型又稱為理想流動模型。兩者最大的區(qū)別在于活塞流無返混存在，而全混流返混程度達到最大。

空管反應器設計流程反應器設計的一般流程如下：

1、收集與所需反應和副反應的所有熱力學和動力學數(shù)據(jù)。大多數(shù)有用的信息不可能都從文獻檢索中收集，因為關于商業(yè)上頗具吸引力的過程只有極少的信息在公開發(fā)行的文獻上出版。反應器設計所需的動力學數(shù)據(jù)一般是從實驗室和中試現(xiàn)場研究獲得。對于反應速率來說，反應操作條件：壓力、溫度、流速和催化劑濃度范圍值都是需要知道的。

2、收集設計所需的物理性質數(shù)據(jù)，要么通過估計從文獻查閱，如果必要，要么就通過實驗進行測定。

3、確定優(yōu)勢速控機理：動力學，傳質或傳熱。基于類似反應的經驗，或根據(jù)實驗室和現(xiàn)場試驗工作，選擇合適的反應器類型。

4、初步選擇獲得所需轉化率和產率的反應器條件。

5、篩選反應器形狀并估計其性能。精確分析求解設計關系式幾乎是不可能的，一般不得不采用基于理想化反應器分析的半經驗方法。

6、選擇合適的結構建材。

7、對反應器作初步的機械設計：容器設計，傳熱表面，內部構件和總布局圖。

8、對計劃的設計、投資和運營進行成本核算，如果必要，重復4~8步，優(yōu)化設計。在選擇反應器條件時，特別是轉化率以及優(yōu)化設計時的反應器設計與其他過程操作的相互關系是不能忽視的。反應器中原料轉化率將會決定反應器的大小和成本，包括任何設備需要分離和再循環(huán)未反應原料的成本。在這些情況下，反應器及其相關設備必須優(yōu)化成一個單元。1

本詞條內容貢獻者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學