王思宇

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

釜式反應(yīng)器按照操作方式分類可以將其分為三類，分別是：間歇式釜式反應(yīng)器、連續(xù)式釜式反應(yīng)器以及半間歇式(或者半連續(xù)式)釜式反應(yīng)器[1]，其有著非常廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上，它是許多酯化反應(yīng)、磺化反應(yīng)、以及氯化反應(yīng)等反應(yīng)的主要應(yīng)用的反應(yīng)器；實(shí)驗(yàn)室中，一些水熱反應(yīng)也可以用它來(lái)完成。并且，它可以進(jìn)行的反應(yīng)類型也很廣泛，無(wú)論是均相反應(yīng)，還是多相反應(yīng)均可應(yīng)用。釜式反應(yīng)器的規(guī)格為：高度等于直徑或者比直徑略大。在反應(yīng)釜的內(nèi)部，設(shè)有擋板及攪拌裝置，以便使反應(yīng)物料混合均勻，加快反應(yīng)速率。并且，根據(jù)不同情況，會(huì)在釜內(nèi)安裝換熱器，以維持反應(yīng)所需的溫度。接下來(lái)就對(duì)三種釜式反應(yīng)器做具體分析。

1 釜式反應(yīng)器

1.1 間歇釜式反應(yīng)器

間隙釜式反應(yīng)器簡(jiǎn)稱間歇釜，所有反應(yīng)物均在反應(yīng)開(kāi)始前一次性加入，在產(chǎn)物達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率時(shí)出料。在操作上，它非常靈活，易于操作，而且它的操作的靈活性更體現(xiàn)在它對(duì)于不同操作條件和產(chǎn)品品種的適應(yīng)性上，它的適應(yīng)性強(qiáng)，可以應(yīng)用到多種產(chǎn)品生產(chǎn)中，更適用于小批量、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)，如醫(yī)藥、試劑、助劑、添加劑等精細(xì)化工部門(mén)。但是，由于間歇釜產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的特性，在一些對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求高的工業(yè)生產(chǎn)中，常不會(huì)使用間歇釜。

由于間歇釜會(huì)存在裝料和卸料等輔助操作，所以，在計(jì)算操作時(shí)間時(shí)，需要從兩個(gè)方面來(lái)計(jì)算。第一部分是反應(yīng)時(shí)間，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是反應(yīng)完成所需要的時(shí)間；另一部分就是輔助時(shí)間了，即輔助操作的時(shí)間，包括裝料、卸料等。也正是因?yàn)槿绱?，間歇釜在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該著重考慮操作時(shí)間的問(wèn)題，在接下來(lái)會(huì)具體說(shuō)明。

1.2 連續(xù)釜式反應(yīng)器

連續(xù)釜式反應(yīng)器簡(jiǎn)稱為連續(xù)釜，主要應(yīng)用與大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。之所以連續(xù)釜可以在大型工業(yè)生產(chǎn)中有此發(fā)揮，主要源于其穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量以及簡(jiǎn)單的控制操作。如在塑料、化纖、合成橡膠三大合成材料生產(chǎn)中，CSTR(Continuous Stirred-Tank Reactor)的數(shù)量約占合成生產(chǎn)反應(yīng)器總量的90%以上[2]。連續(xù)釜作為釜式反應(yīng)器的一種，其釜內(nèi)同樣裝有攪拌器，這就會(huì)產(chǎn)生一種不良的影響，即返混。當(dāng)攪拌器工作時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)的流體會(huì)因?yàn)樽雠c主流方向相反的運(yùn)動(dòng)而造成物料混合，從而導(dǎo)致物料濃度傳遞速度變慢。此時(shí)，可以選擇用多釜串聯(lián)法在一定程度上減小返混造成的影響。

1.3 半間歇釜式反應(yīng)器

半間歇釜式反應(yīng)器與上述兩種反應(yīng)器的區(qū)別是，它的兩種反應(yīng)物分別采用的是直接加入以及連續(xù)加入的方式，這也就是說(shuō)，反應(yīng)釜內(nèi)兩種反應(yīng)物的濃度會(huì)有差異，采用連續(xù)加入的反應(yīng)物，其濃度會(huì)低于直接加入的反應(yīng)物濃度，并且，隨著時(shí)間的改變，由于反應(yīng)物的消耗，反應(yīng)物系的組成會(huì)隨之發(fā)生改變。因此，在某些情況下使用半間歇釜式反應(yīng)器會(huì)更有利。

2 釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與選擇

對(duì)于釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，主要可以通過(guò)對(duì)確定反應(yīng)釜的體積來(lái)完成。而在反應(yīng)釜的選擇上，則應(yīng)當(dāng)結(jié)合不同釜式反應(yīng)器的工作原理以及反應(yīng)特點(diǎn)來(lái)確定。

對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，因其操作時(shí)間是由反應(yīng)時(shí)間和輔助時(shí)間兩部分組成，而輔助時(shí)間又主要依據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，所以關(guān)鍵所在則是確定反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短。而對(duì)于間歇釜來(lái)說(shuō)，其反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短只與過(guò)程的反應(yīng)速率有關(guān)，而間歇釜的體積主要取決于兩個(gè)因素，即：操作時(shí)間和單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的處理量，前者上面已經(jīng)說(shuō)明，后者則是要根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算得到。

對(duì)于連續(xù)釜式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，其操作都是在穩(wěn)定狀態(tài)下完成的，即等溫、等濃度條件下，因此也是等反應(yīng)速率，而此類反應(yīng)器多用于在液相中進(jìn)行的反應(yīng)，因?yàn)椴恍枰磻?yīng)中途加入反應(yīng)物，反應(yīng)過(guò)程中液體體積變化不顯著[3]，所以可以認(rèn)為是在恒容條件下進(jìn)行，于是整體便是既不隨空間變，也不隨時(shí)間變，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，便可以求得反應(yīng)體積。

而對(duì)于半間歇反應(yīng)釜來(lái)說(shuō)，因其采用先加入一種原料，另一種原料連續(xù)加入的加料方式，所以先加入的原料濃度相對(duì)較高。因此如果需要一種反應(yīng)物濃度高，另一種反應(yīng)物濃度低，可以選擇半間歇釜。例如：在一些強(qiáng)放熱反應(yīng)中，采用半間歇操作可以調(diào)節(jié)加料速度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度的目的；再者，為了提高一些可逆反應(yīng)的產(chǎn)率，通常會(huì)將生成的反應(yīng)物不斷移除，以使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，從而達(dá)到目的。此外，還有一些其他場(chǎng)合也可以使用間歇操作。

3 學(xué)習(xí)與思考

通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的學(xué)習(xí)，了解了很多關(guān)于反應(yīng)器的知識(shí)，對(duì)其類型、優(yōu)缺點(diǎn)、以及在實(shí)際情況下如何選擇都有了基本的掌握，尤其對(duì)于釜式反應(yīng)器更是有了深刻的看法。釜式反應(yīng)器，應(yīng)用廣泛，在工業(yè)、制藥、燃料等領(lǐng)域均占有一定的分量。既可以用來(lái)進(jìn)行均相反應(yīng)，又可以用來(lái)進(jìn)行多相反應(yīng)[3]。然而，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)更應(yīng)該注重的是經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化，不能片面的追求經(jīng)濟(jì)效益而忽略了社會(huì)效益，尤其是生產(chǎn)過(guò)程中造成的環(huán)境污染以及噪聲污染，這類設(shè)計(jì)是不允許出現(xiàn)的。以及對(duì)生產(chǎn)安全的把控，要對(duì)操作者的生命健康有所保障。因此，在今后的學(xué)習(xí)、生活中，我將盡力做到學(xué)以致用，將這些所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際操作中，實(shí)現(xiàn)對(duì)生活的反饋。