第一節均相反應器的特點及結構
在化工生產中，應用於均相反應過程的化學反應器主要有釜式反應器和管式反應器。
一、釜式反應器
釜式反應器又稱槽型反應器或鍋式反應器，它是各類反應器中結構較為簡單且又應用較廣的一種。主要應用於液-液均相反應過程，在氣-液、液-液非均相反應過程也有應用。在化工生產中，既可適用於間歇操作過程，又可單釜或多釜串聯適用於連續操作過程，而以在間歇生產過程中應用最多。
它具有適用的溫度和壓力範圍寬、適應性強，操作彈性大，連續操作時溫度、濃度容易控制，產品質量均一等特點。但若應用在需要較高轉化率的工藝要求時，卻有需要較大容積的缺點。通常在操作條件比較緩和的情況下操作，如常壓、溫度較低且低於物料沸點時，應用此類反應器最為普遍。
釜式反應器的基本結構見圖。主要包括反應器殼體、攪拌器、密封裝置和換熱裝置等。
釜式反應器殼體及攪拌器所用材料，一般皆為碳鋼，根據特殊需要，可在與反應物料接觸部分襯有不鏽鋼、鉛、橡膠、玻璃鋼或搪瓷，個別情況也有襯貴重金屬如銀等。根據反應器要求，殼體也可直接用銅、不鏽鋼製造的反應器。
（一）釜式反應器的殼體結構
釜式反應器殼體部分的結構見圖2-1。主要包括筒體、底、蓋（或稱封頭）、手孔或人孔、視鏡及各種工藝接管口等。
釜式反應器的筒體皆製成圓筒形。底、蓋常用的形狀有平面形、碟形、橢圓形和球形，釜底也有錐形，見圖2-2。平面形結構簡單，容易製造，一般在釜體直徑小，常壓（或壓力不大）條件下操作時採用；碟形和橢圓形應用較多；球形多用於高壓反應器。
當反應後的物料需用分層法使其分離時可用錐形底。
手孔或人孔的安設是為了檢查內部空間以及安裝和拆卸裝置內部構件。手孔的直徑一般為0.15——0.
20m，它的結構一般是在封頭上接一短管，並蓋以盲板。當釜體直徑比較大時，可以根據需要開設人孔，人孔的形狀有圓形和橢圓形兩種，圓形人孔直徑一般為0.4m，橢圓形人孔的最小直徑為0.
40×0.30m。
釜式反應器的視鏡主要是為了觀察裝置內部的物料反應情況，有比較寬闊的視察範圍為其結構確定原則。
工藝接管口主要用於進、出物料及安裝溫度、壓力的測定裝置。進料管或加料管應做成不使料液的液沫濺到釜壁上的形狀，以避免由於料液沿反應釜內壁向下流動而引起釜壁區域性腐蝕。
釜式反應器的所有人孔、手孔、視鏡和工藝接管口，除出料管口外，一律都開在頂蓋上。
（二）攪拌器
釜式反應器安設攪拌器的作用是加強物料的均勻混合，強化釜內的傳熱和傳質過程。常用的攪拌器有槳式、框式、錨式、旋槳式、渦輪式和螺帶式等，如圖2-3所示。
槳式攪拌器：由鋼條製成，一端為平軛形，是攪拌器中結構最簡單的一種。槳葉總長可取為釜體內徑的1/3——2/3，轉速可為15——80r/min。
因槳葉水平裝設，故可造成水平液流，一般僅適用於不需要劇烈混合的過程
框式攪拌器：在水平槳之外增設垂直槳葉，形成乙個框，則可較好的攪拌液體。框的寬度可取釜內徑的2/3，轉速可為15——80r/min。
錨式攪拌器：轉動時幾乎觸及釜體的內壁，可及時刮除壁面沉積物，有利於傳熱。此種攪拌器適用於粘稠物料的攪拌，轉速可為15——80r/min。大多是鑄鐵製成，可允許造出特定的錨形。
以上三種攪拌器均屬於低速攪拌器，具有結構簡單，製造方便的特點。
旋槳式攪拌器：係用2-3片推進式槳葉裝於轉軸上而成。由於轉軸的高速旋轉，槳葉將液體攪動使之沿器壁和中心流動，在上下之間形成激烈的迴圈運動，若將旋槳裝在圓形導流筒中，迴圈運動可更加強。
這種攪拌器廣泛用於較低粘度的液體攪拌，也可用來製備乳濁液和顆粒在10%以下的懸浮液。操作時所用的轉速為400-1500轉/分，對於粘度≥0.5pa·s液體，其轉速應在400r/min以下，當攪拌粘性液體以及含有懸浮物或可形成泡沫的液體時，其轉速應在150——400r/min之間。
旋槳式攪拌器具有結構簡單、製造方便、可在較小的功率消耗下得到高速旋轉的優點，但在攪拌粘度達0.4pa·s以上的液體時，攪拌效率不高。
渦輪攪拌器：由乙個或數個裝置在直軸上的渦輪所構成。其操作形式類似於離心幫浦的翼輪，當渦輪旋轉時，液體經由中心沿軸被吸入，在離心力作用下，沿葉輪間通道，由中心甩向渦輪邊緣，並沿切線方向以高速甩出，而造成劇烈的攪拌。
這種攪拌器最適用於大量液體的連續攪拌操作，除稠厚的槳糊狀物料外，幾乎可應用於任何情況。隨著生產能力的提高和連續化操作的發展，其應用範圍必將日益廣泛。這種攪拌器的缺點是生產成本較高。
以上幾種攪拌器在有機化工和高聚物生產過程中應用較廣，此外還有螺帶式、電磁式、超聲波式等。在工業上可根據物料的性質、要求的物料混合程度以及考慮能耗等因素選擇適宜的攪拌器。在一般情況下，對低粘性均相液體混合，可選用任何形式的攪拌器；對非均相液體分散混合，選用旋槳式、渦輪式攪拌器為好；在有固體懸浮物存在，固液密度差較大時，選用渦輪式攪拌器，固液密度差較小時，選用槳式攪拌器；對於物料粘稠性很大的液體混合，可選用錨式攪拌器。
對需要有更大攪拌強度或需使攪拌液體作上、下翻騰運動的情況，可根據需要在反應器內再裝設橫向或豎向擋板及導向筒等。
（三）密封裝置
靜止的攪拌釜封頭和轉動的攪拌軸之間設有攪拌軸密封裝置，簡稱軸封，以防止釜內物料洩漏。軸封裝置主要有填料密封和機械密封兩種。還可用新型密封膠密封。
填料密封的結構如圖2-4所示。填料箱系由箱體、填料、襯套（或油環）、壓蓋和壓緊螺栓等零件組成。旋緊螺栓時，壓蓋壓縮填料（一般為石棉織物，並含有石墨或黃油作潤滑劑），以至填料變形緊貼在軸的表面上，阻塞了物料洩漏的通道，從而起到密封作用。
填料箱密封結構簡單，填料裝卸方便，但使用壽命較短、難免微量洩漏。機械密封（又稱為端麵密封）的結構如圖2-5所示。機械密封由動環 、靜環、彈簧加荷裝置（彈簧、螺栓、螺母、彈簧座、彈簧壓板）及輔助密封圈四個部分組成。
由於彈簧力的作用使動環緊緊壓在靜環上，當軸旋轉時，彈簧座、彈簧、彈簧壓板、動環等零件隨軸一起旋轉，而靜環則固定在座架上靜止不動，動環與靜環相接觸的環形密封端麵阻止了物料的洩漏。機械密封結構較複雜，但密封效果甚佳。
（四）換熱裝置
換熱裝置是用來加熱或冷卻反應物料，使之符合工藝要求的溫度條件的裝置。其結構型式主要有夾套式、蛇管式、列管式、外部迴圈式等，也可用直接火焰或電感加熱。如圖2-6所示。
各種換熱裝置的選擇主要決定傳熱表面是否易被汙染而需要清洗所需傳熱面積的大小、傳熱介質的洩漏可能造成的後果以及傳熱介質的溫度和壓力等因素。一般在需要較大傳熱面積時，採用蛇管或列管式換熱器；反應在沸騰下進行時，採用釜外回流冷凝器取走熱量；在需要較小傳熱面積時，傳熱介質壓力又較低的情況下，採用簡單的夾套式換熱器是比較適宜的。
二、管式反應器
管式反應器主要有於氣相或液相連續反應過程，由單和（直管或盤管）連續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，物料自一端連續加入，在管中連續反應，從另一端連續流出，便達到了要求的轉化率。
由於管式反應器能承受較高的壓力，故用於加壓反應尤為合適，例如油脂或脂肪酸加氫生產高碳醇、裂解反應的管式爐便是管式反應器。此種反應器具有容積小，比表面大，返混少，反應混合物連續性變化，易於控制等優點。但對於慢速反應，則有需要管子長，壓降較大等不足。
隨著化工生產越來越趨於大型化、連續化、自動化，連續操作的管式反應器在生產中使用越來越多，就是某些傳統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操作的管式反應器。
管式反應器與釜式反應器相比在結構上差異較大，主要有直管式、盤管式、多管式等。如圖2-7所示。
單管（直管或盤管）式是最簡單的一種反應器，因其傳熱面積較小，則一般僅適用於熱效應較小的反應過程，如環氧乙烷水解制乙二醇和乙烯等便使用此型反應器，管式裂解爐中的爐管亦屬於盤管反應器，其熱源為燃燒的燃料氣，爐管應選用表面熱強度較大的材質。多管式反應器的傳熱面積較大，可適用於熱效應較大的均相反應過程。多管式反應器的反應管內還可充填固體顆粒，以提高液體湍動或促進非均一流體相的良好接觸，並可用來貯存熱量使反應器溫度能夠更好的控制，亦可適用於氣-固、液-固非均相催化反應過程。
第二節均相反應器的生產原理
均相反應：在均一相中進行的化學反應。
特徵：反應物系中不存在相介面。
意義：均相反應動力學規律具有一定的通性，是選型、操作、計算（設計）的重要理論基礎。（也適用某些非均相過程）
一、均相反應動力學(等溫恆容過程)
kinetic equation of homogeneous ****** reaction
（一）均相簡單反應動力學方程 kinetic equation
定義：單位時間內、單位反應體積、反應混合物料中某一組分的反應量。
例：ch4+h2o=co+3h2
aa+bb=pp+ss 或 vaa+vbb=vpp+vss
(－ra)=－· 恆容過程：(－ra)=－
不可逆反應：(－ra)=－·＝
若無付反應，反應物與產物的濃度變化符合化學反應計量係數關係：
(－ra)= (－rb)= (rp)= (rs)
或 －=－
關鍵組分：主要反應物（a），它的轉化率直接影響反應過程的經濟效益。
反應轉化率：xa=
恆容時： xa=
1. 基元反應和非基元反應 elemental reaction and non-elemental reaction
總反應：h2+br2=2hbr
實驗知：反應物分子經過若干個基本反應步驟才轉化為產物。
br2→2 br·
br·+ h2→hbr+h·
h·+ br2→hbr+ br·
h·+ hbr→h2→br·
2 br·→br2
由五個基本步驟組成，每乙個步驟為乙個基元反應。
所以化學反應方程只表示化學反應進行的方向，反應中各組分的計量關係是否為基元反應，需通過實驗測定。
基元反應動力學方程：實驗測定的資料歸納成冪數型經驗方程。ｐ14式（2-32）
非基元反應動力學方程（h2+br2=2hbr）：
2. 反應級數 reaction order
動力學方程式中濃度項的冪數，由實驗確定。
對基元反應：級數即為化學反應式的計量係數α、β。
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