反應堆技術

反應堆技術包括化學反應工程（CRE）的基本原理和其應用中使用的實踐。反應器設計從追求新產(chǎn)品和用途，更高轉化率，更有利的反應選擇性，降低固定和運營成本，本質安全操作和環(huán)境可接受的加工發(fā)展而來。所有因素都是相互依存的，必須一起考慮，接觸反應物和去除產(chǎn)品的要求是應用反應堆技術的重點;其他因素通常由反應系統(tǒng)的原始選擇，反應物轉化率和產(chǎn)物選擇性的預期水平以及經(jīng)濟和環(huán)境因素決定。在確定實驗室和實驗室規(guī)模數(shù)據(jù)的反應動力學，設計和運行試驗裝置，擴大到大型裝置，最終設計，運行和改進工業(yè)裝置性能時，應考慮這些問題。

大多數(shù)反應堆都是從專注于一種反應堆的集中努力演變而來的。使用明顯不同的反應堆類型從并行開發(fā)中出現(xiàn)了一些過程。在大多數(shù)情況下，選擇用于實驗室研究的反應器已成為工業(yè)上使用的反應器類型，因為進一步的開發(fā)通常有利于擴展該技術。以下是根據(jù)反應器類型分類的反應器使用的說明性實例。

批量反應器。間歇式反應器經(jīng)常在石化，制藥，食品和采礦過程中遇到，例如烷基化，乳液聚合，烴發(fā)酵，脂肪的甘油解，臭氧化和金屬螯合。該方法通常需要實現(xiàn)微米級液滴的均勻分散并提供足夠的放熱除熱，尤其是在產(chǎn)品質量受溫度不利影響的情況下。

間歇式反應器用于制造塑料樹脂，例如聚酯，酚醛樹脂，醇酸樹脂，脲甲醛，丙烯酸樹脂和呋喃。這種反應器通常是6~40m3的擋板槽，其中有葉片或葉輪通過長軸從上方連接，并且熱量通過夾套壁或內部線圈傳遞。

Semibatch反應器。半間歇反應器是最通用的反應器類型。熱塑性注塑模具是半間歇式反應器，其中成型塑料制品由熔體制成。

反應注射成型（RIM）避免了注塑模具的問題，并提供了制造大型物品的技術，例如聚氨酯汽車擋泥板和保險杠

連續(xù)式流動攪拌釜反應器。使用CSTR設備從甲苯和一氧化碳合成對甲苯甲醛。對甲苯甲醛（PTAL）是制備對苯二甲酸的中間體。氟化氫 - 三氟化硼催化甲苯羰基化成PTAL。在工業(yè)過程中，每個工藝步驟使用單獨的攪拌罐。甲苯和循環(huán)HF和BF3在CSTR中接觸形成甲苯催化劑絡合物;甲苯絡合物與CO反應，在另一個CSTR中形成PTAL-催化劑絡合物。一旦配合物分解成產(chǎn)物并且催化劑再生，水合的HF-BF3在單獨的容器中處理。因為副產(chǎn)物水使催化劑失活并促進腐蝕。

熱管式反應器。管式反應器已廣泛用于低溫，液相非催化氧化，例如丁烷至乙酸和甲基乙基酮（MEK），對二甲苯至對苯二甲酸，環(huán)己烷至環(huán)己醇和環(huán)己醇，以及正烷烴至仲醇。和高溫熱解，例如石油進料到烯烴 - 特別是乙烯的熱裂解。通常，對于這些氧化，任何給定產(chǎn)物的轉化率和選擇性都很低。因為失控的支鏈反應是可能的，所以必須確保散熱并控制氧濃度這些考慮通常有利于在活塞流中使用一系列管式反應器，在每個反應器中進行一些反向混合以保持足夠的自由基濃度以傳播反應。

外延反應器是管式反應器的專用變體，其中產(chǎn)生氣相前體并將其輸送到加熱表面，其中通過在表面上的進一步反應產(chǎn)生薄結晶膜和氣態(tài)副產(chǎn)物。類似于這種化學氣相沉積（CVD）是物理氣相沉積（PVD）和分子束產(chǎn)生的沉積物。反應器細節(jié)對于確保均勻，無雜質沉積物至關重要，并且已經(jīng)發(fā)展了許多設計。

泡罩塔。泡罩塔正在發(fā)現(xiàn)越來越多的工業(yè)應用，例如乙烯二聚，聚合物制造和液相氧化。泡罩塔加工具有簡單，有利的操作成本和潛在優(yōu)異的產(chǎn)品質量的優(yōu)點。與通過蒸汽裂化生產(chǎn)的1-丁烯相比，使用均相催化劑生產(chǎn)1-丁烯的乙烯二聚是有利的，其中丁二烯必須被分離和氫化。丁二烯分離由于需要化學除去緊密沸騰的異丁烯而變得復雜，異丁烯是一種雜質，后來在一些乙烯聚合反應中產(chǎn)生粘性聚合物。

串聯(lián)的鼓泡塔已經(jīng)用于建立與環(huán)己烷的液相氧化所需的活塞流和反混合行為相同的有效混合物，如通過串聯(lián)的分級反應器獲得的。已經(jīng)建立了液體和空氣再循環(huán)的良好混合行為。

空運反應堆。氣升式反應器是泡罩塔的流體動力學變體，其中液體或漿液在兩個物理分離的區(qū)域之間循環(huán)，這是由于在一個區(qū)域中的噴射氣體引起區(qū)域之間的密度差異。這些反應堆在生產(chǎn)工業(yè)和醫(yī)藥化學品以及處理工業(yè)和城市廢物方面具有廣泛的用途。進一步的應用源于廢物最小化的機會，例如將乙烯和氯轉化為二氯乙烷。氣升式反應器設計的重要特征是用于確保液體循環(huán)，建立高氣液界面區(qū)域以及有效分離氣體和液體的裝置。使用了許多配置，包括物理上分開的內部環(huán)和引流管，以及外部環(huán)路。還采用垂直容器，其通過以足以迫使循環(huán)的速度向下注入氣泡液體而引起循環(huán)。

環(huán)管反應器特別適合作為生產(chǎn)例如單細胞蛋白質的生物反應器。在這個過程中，強烈的混合和發(fā)酵液均勻性是必不可少的，并且必須在沒有發(fā)泡，浮力或重質組分分離或者使用化學添加劑或機械攪拌的情況下完成。

噴霧柱。噴霧柱在生物技術加工，催化劑制造和廢物最小化方面具有多種專用途徑。噴霧柱用于生產(chǎn)奶粉，奶酪和其他發(fā)酵產(chǎn)品，用于直接熱誘導蛋白質，微生物和酶的轉化，從而影響顏色，風味，營養(yǎng)價值和生物安全性。焚燒，熱解和部分氧化在噴霧柱中進行，以處理塑料廢物。

管式固定床反應器。填充有催化劑并被傳熱介質包圍的下游反應器管束是管式固定床反應器。這種反應器最常用于蒸汽重整和鄰苯二甲酸酐制造。蒸汽重整是輕質烴，優(yōu)選天然氣或石腦油，與鎳負載催化劑上的蒸汽反應形成合成氣，主要是H2和CO與一些CO2和CH4。

通過氧化鐵催化的水煤氣變換反應可以獲得對初級產(chǎn)物的額外轉化，但這些反應在大直徑固定床反應器中進行，而不是在小直徑管中進行。

固定床反應器。單相流提供單相反應物的固定床反應器廣泛用于石油化學工業(yè)，用于氨合成，催化重整，其他加氫處理，例如加氫裂化和加氫脫硫和氧化脫氫。這些過程中的進料是氣體或蒸氣。反應器通常具有大直徑，絕熱操作，并且通常在各個壓力容器中容納多個床。床幾何形狀通常由催化劑反應性決定，因此床可以高或薄或短和下蹲。設計的變化是由與反應物或催化劑的特定性質相關的問題和操作條件的差異引起的。使用夾層冷卻（或加熱）或液體淬火添加來從每個床的流出物中除去或提供反應熱。在大多數(shù)情況下使用需要特殊活化處理或獨特處理要求的多組分非均相催化劑。必須通過更換新鮮催化劑或通過再生來恢復催化劑活性。盡管反應物通常向下流動，但可以注入空氣以在反應器底部進行催化劑再生。

固定床反應器。在液相和氣體混合物下操作的固定床反應器中的多相流動狀態(tài)和接觸機制與單相進料的完全不同。然而，混相，下流固定床反應器設計是單相固定床流體處理技術的擴展，并且外觀類似于這樣的反應器。最常用的混相反應器是滴流床。使用特殊分配器均勻地加入兩相混合物。在這種反應器中用高沸點進料進行加氫脫硫，加氫裂化，氫化和氧化脫氫。壓力通常高于其單相流動壓力。盡管這些反應器中的一些可以在脈沖流狀態(tài)下操作，但是這些反應器保持其滴流床名稱，因為使用相同的配置。此外，反應器儀器可能不適合記錄脈動，因此不會注意到流動狀態(tài)。如果需要，滴流床反應器中的溫度升高與單相反應器一樣受到控制。通常，液體淬火系統(tǒng)是優(yōu)選的。

全球城市化的加速推動了利用飼料分配和催化劑利用率的改進，在現(xiàn)有的加氫脫硫反應器中實現(xiàn)了非常低（<500 ppm）的硫含量，適用于各種飼料。已經(jīng)成功加工的高沸點進料包括原始和裂化的重質瓦斯油和殘余物。這種進料含有金屬，其通過在催化劑多孔結構內沉積而加氫脫金屬和除去。相對于貴金屬負載的催化劑，低成本的催化劑緩慢失活并在使用一至三年后更換，這取決于使用的嚴格程度。汽液平衡在催化劑脫除中起重要作用。在這些應用中也使用移動滴流床。催化劑可以作為油漿進料到頂部，然后向下流過一系列床。每個床的錐形底部設計用于確保催化劑的塞流。

流化床反應器。流化床應用范圍廣泛且多樣化。最早和最知名的應用之一是流化催化裂化（FCC）。在FCC中，瓦斯油在約500~525℃裂解產(chǎn)生汽油和其他輕質烴，使用平均約50~60μm直徑的二氧化硅 - 氧化鋁基催化劑。反應器是密相流化床，稀相輸送管線或兩種流化方案的組合。在為該方法開發(fā)的各種構造中，向下流過蒸汽汽提區(qū)以除去殘余產(chǎn)物的失活催化劑被空氣提升到再生器中，其中使用600~700℃的空氣來燃燒焦炭。將再生的催化劑再循環(huán)到反應器中。

含有沸石的高活性催化劑的出現(xiàn)擴大了設計配置，進料性能和操作條件的范圍。這些裝置很大，可以加工6000噸/天的飼料。

許多其他工藝都遵循催化裂化鉛，包括單獨殘渣的流化床焦化，并結合焦炭氣化，催化重整和芳烴（例如苯，甲苯和萘）催化氧化成馬來酸和鄰苯二甲酸酐，氨氧化成丙烯腈;和氯化氫氧化成氯。工藝開發(fā)ousidc石油化學工業(yè)包括鐵礦石回收和乏核燃料再加工熱和催化煤氣化油頁巖干餾。煙氣脫硫和乙醇脫水生產(chǎn)乙烯代表了流化技術的新舉措。

氣液固流化反應器。氣體流化技術的合理擴展是沸騰床氣 - 液 - 固和淤漿反應器，其中液體和氣體都使固體流化。這種反應器可用于催化加氫脫硫和加氫脫除殘余燃料，升級重質瓦斯油和殘渣用于進一步加工，以及將不可泵送的原油和瀝青轉化為可運輸?shù)妮p質原油，適用于良好的常規(guī)加工。液體再循環(huán)將總流速增加到良好的熔化所需的流速。通過定期添加和通過閉鎖料斗移除來維持催化劑活性。

間接煤液化在沸騰床反應器中進行，其中合成氣與惰性烴液體一起使銅 - 鋅催化劑顆粒流化。類似地，F(xiàn)ischer-Tropsch烴合成在氣 - 液 - 固反應器中進行。合成氣由天然氣產(chǎn)生，在單一流化床反應器中進行熱部分氧化和催化蒸汽重整。高度集成的組合產(chǎn)生清潔產(chǎn)品，具有高熱效率，高效散熱和規(guī)模經(jīng)濟的特點，這些特征在反應堆技術的發(fā)展和發(fā)展中日益受到關注。