化学反应器

化学反应器是一种过程工程设备，其中通过化学反应从原材料或初级产品中生产产品（通常更有价值）。 然而，在反应中通常未实现完全转化或形成副产物。 出于这个原因，分离装置（例如精馏塔或萃取塔）通常安装在反应器的下游，在反应器中产品被提纯到所需的纯度。 反应混合物的分离组分——未反应的反应物和溶剂——可以在所谓的循环流中返回反应器。 因此，化学反应器始终只是化学生产设备的一部分——尽管是中心部分。

化学反应器有两种主要形式，

• 搅拌釜和
• 流管，流动反应器。

本质上，可以区分连续和不连续操作模式。 在连续运行的情况下，反应器均匀流过，状态变量（温度、压力、浓度）不随时间变化，除了启动和关闭过程和干扰，但仅在局部。 例如，产品浓度从管式反应器的入口到出口增加，但（根据定义）在稳态的每个位置随时间变化。 由于反应的反应焓，入口和出口之间的温度可能有最 大值或最小值，而压力通常由于压力损失而沿流动方向降低。 长度和流速必须相互匹配，以实现反应物的最佳停留时间。 这反过来又决定了反应的周转（以及可能的不希望的后续反应）。

在不连续操作中，可以区分记录或分批操作和补料分批操作。在分批操作中，所有反应物同时引入并在一定停留时间后再次移除，而在补料分批操作中，最初仅引入部分反应物，同时添加其余反应物（连续或不连续）。

例如，这用于在高放热反应中保持离析物浓度并因此保持低反应速率，以便始终能够散发足够的热量并避免反应器“失控”。反应完成后，分批和补料分批反应器都会清空，根据需要进行清洁和重新填充，这意味着与大多数高度自动化的连续过程相比，人工工作量要高得多。优点是停留时间具有更高的灵活性，并且可以生产经常变化的产品。

原则上，连续工艺和连续反应器用于大批量生产（例如炼油厂和基础化学品的生产），而对于较小的产品量（例如活性 药物成分的生产），生产是分批进行的。最近的发展是所谓的微反应器和毫反应器，即使在较低的产品流量下也能连续运行。

化学反应器的设计是化学反应工程的任务，为了优化目标变量，需要进行以下影响变量的技术经济计算。

• 应了解整个反应过程和基本子过程的反应机理、动力学和热平衡。
• 反应器尺寸需要质量传递值，例如流动类型、混合以及粘度和热系数的材料数据。
• 热平衡和反应过程提供了有关冷却或加热要求的信息。
• 必须知道所涉及的物质（腐蚀性、中间体或副产品的反应性、可能的热失控）和反应条件（极端温度、压力容器）引起的特殊危害。
• 最后，必须阐明起始原料的添加方式和产物的去除方式（清洁、回收、后续反应）。

对于此设计，最初考虑的大多是理想化的反应器。 这是指所需反应容器的模型，由于简化，允许进行数学建模。

对于化学反应器的设计，第 一步（过程模拟）使用基于软件的模型。 在第二步中，通过使用中的反应器优化数学模型以实验室规模建立，也可能以中试工厂规模建立。 最后，该工厂将扩大到生产规模。

• 在聚合物生产过程中，设计会受到反应混合物通常极高粘度的影响。
• 催化过程需要与固体催化材料形成较大的接触区域。
• 由于生物物质的温度敏感性，生物技术过程需要特殊设计。

在化工生产中，不同的反应器是有区别的。 化学中最著名的是搅拌釜（也叫搅拌釜）。化学反应在搅拌罐中的液相中进行。 响应时间相对较长。处理量根据搅拌罐的大小和停留时间而变化。

搅拌罐是装有搅拌器和加热夹套的大型钢罐。挡板通过喷嘴伸入容器中。它们防止容器中的全部内容物随搅拌器一起旋转并彻底混合反应物。

盖子上的附加喷嘴可确保反应物流入，并用于插入测量仪器。 用阀板启闭的出口喷嘴位于搅拌罐底部。 分批反应在搅拌罐中进行，该反应在环境条件或适度增加的压力和高达约 250 °C 的温度下进行。

根据操作要求，搅拌罐由非合金钢或合金钢制成，或者镀层、搪瓷（玻璃涂层）或橡胶衬里。 由全氟烷氧基烷烃 (PFA) 制成的衬里可用于腐蚀性特别强的介质，根据介质和设计，这些介质可耐受高达 250 °C 的温度。

还有高压、高温、管式、环路和流化床反应器。