化學反應器

化學反應器是一種過程工程設備，其中通過化學反應從原材料或初級產品中生產產品（通常更有價值）。 然而，在反應中通常未實現完全轉化或形成副產物。 出于這個原因，分離裝置（例如精餾塔或萃取塔）通常安裝在反應器的下游，在反應器中產品被提純到所需的純度。 反應混合物的分離組分——未反應的反應物和溶劑——可以在所謂的循環流中返回反應器。 因此，化學反應器始終只是化學生產設備的一部分——盡管是中心部分。

化學反應器有兩種主要形式，

• 攪拌釜和
• 流管，流動反應器。

本質上，可以區分連續和不連續操作模式。 在連續運行的情況下，反應器均勻流過，狀態變量（溫度、壓力、濃度）不隨時間變化，除了啟動和關閉過程和干擾，但僅在局部。 例如，產品濃度從管式反應器的入口到出口增加，但（根據定義）在穩態的每個位置隨時間變化。 由于反應的反應焓，入口和出口之間的溫度可能有最 大值或最小值，而壓力通常由于壓力損失而沿流動方向降低。 長度和流速必須相互匹配，以實現反應物的最佳停留時間。 這反過來又決定了反應的周轉（以及可能的不希望的后續反應）。

在不連續操作中，可以區分記錄或分批操作和補料分批操作。在分批操作中，所有反應物同時引入并在一定停留時間后再次移除，而在補料分批操作中，最初僅引入部分反應物，同時添加其余反應物（連續或不連續）。

例如，這用于在高放熱反應中保持離析物濃度并因此保持低反應速率，以便始終能夠散發足夠的熱量并避免反應器“失控”。反應完成后，分批和補料分批反應器都會清空，根據需要進行清潔和重新填充，這意味著與大多數高度自動化的連續過程相比，人工工作量要高得多。優點是停留時間具有更高的靈活性，并且可以生產經常變化的產品。

原則上，連續工藝和連續反應器用于大批量生產（例如煉油廠和基礎化學品的生產），而對于較小的產品量（例如活性 藥物成分的生產），生產是分批進行的。最近的發展是所謂的微反應器和毫反應器，即使在較低的產品流量下也能連續運行。

化學反應器的設計是化學反應工程的任務，為了優化目標變量，需要進行以下影響變量的技術經濟計算。

• 應了解整個反應過程和基本子過程的反應機理、動力學和熱平衡。
• 反應器尺寸需要質量傳遞值，例如流動類型、混合以及粘度和熱系數的材料數據。
• 熱平衡和反應過程提供了有關冷卻或加熱要求的信息。
• 必須知道所涉及的物質（腐蝕性、中間體或副產品的反應性、可能的熱失控）和反應條件（極端溫度、壓力容器）引起的特殊危害。
• 最后，必須闡明起始原料的添加方式和產物的去除方式（清潔、回收、后續反應）。

對于此設計，最初考慮的大多是理想化的反應器。 這是指所需反應容器的模型，由于簡化，允許進行數學建模。

對于化學反應器的設計，第 一步（過程模擬）使用基于軟件的模型。 在第二步中，通過使用中的反應器優化數學模型以實驗室規模建立，也可能以中試工廠規模建立。 最后，該工廠將擴大到生產規模。

• 在聚合物生產過程中，設計會受到反應混合物通常極高粘度的影響。
• 催化過程需要與固體催化材料形成較大的接觸區域。
• 由于生物物質的溫度敏感性，生物技術過程需要特殊設計。

在化工生產中，不同的反應器是有區別的。 化學中最著名的是攪拌釜（也叫攪拌釜）。化學反應在攪拌罐中的液相中進行。 響應時間相對較長。處理量根據攪拌罐的大小和停留時間而變化。

攪拌罐是裝有攪拌器和加熱夾套的大型鋼罐。擋板通過噴嘴伸入容器中。它們防止容器中的全部內容物隨攪拌器一起旋轉并徹底混合反應物。

蓋子上的附加噴嘴可確保反應物流入，并用于插入測量儀器。 用閥板啟閉的出口噴嘴位于攪拌罐底部。 分批反應在攪拌罐中進行，該反應在環境條件或適度增加的壓力和高達約 250 °C 的溫度下進行。

根據操作要求，攪拌罐由非合金鋼或合金鋼制成，或者鍍層、搪瓷（玻璃涂層）或橡膠襯里。 由全氟烷氧基烷烴 (PFA) 制成的襯里可用于腐蝕性特別強的介質，根據介質和設計，這些介質可耐受高達 250 °C 的溫度。

還有高壓、高溫、管式、環路和流化床反應器。