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       在考慮連續(xù)反應(yīng)的裝置時(shí)，往往會(huì)考慮到某些簡(jiǎn)單的或理想的反應(yīng)器型式。我們現(xiàn)將討論這些“模型”反應(yīng)器的一般特性，這里描述的第一種類型是管式反應(yīng)器。

       管式反應(yīng)器之所以有此名稱，是由于在很多場(chǎng)合都采用管子形狀。而管式反應(yīng)器的一般定義，指的是這樣一種連續(xù)操作的反應(yīng)器，其中物料之一或全部，按著規(guī)定的方向作定常運(yùn)動(dòng)（物料在系統(tǒng)的一端進(jìn)入，而在另一端離開）（在某些情況下，沿著反應(yīng)的途徑，引進(jìn)一種或另一種反應(yīng)物的補(bǔ)充物料流，也許是有益的），且各點(diǎn)間的流體質(zhì)點(diǎn)沒有造成沿流動(dòng)方向的混合。這就是說(shuō)，這種連續(xù)型式的反應(yīng)器，關(guān)于它的性能的最恰當(dāng)?shù)慕泼枋鍪牵寒?dāng)流體通過該反應(yīng)器時(shí)，猶如活塞運(yùn)動(dòng)一樣（經(jīng)常稱之為“活塞流反應(yīng)器”）。但有幾種能滿足這個(gè)定義的反應(yīng)器，卻并不具備和管子相像的外型，將予以簡(jiǎn)單的介紹。

       管式反應(yīng)器用于許多大規(guī)模的氣相反應(yīng)，對(duì)某些液相反應(yīng)亦可使用。如在一氧化氮的氧化反應(yīng)

2NO+O2＝2NO2

（這是從氨生產(chǎn)硝酸過程中很重要的一步）過程中，所用的管式反應(yīng)器，實(shí)際上就是一些管道；此外，某些氯化反應(yīng)如乙烯與氯的反應(yīng)）以及烯烴的磺化反應(yīng)等，也都如此。

       上述例子，涉及的都是均相反應(yīng)，因此，對(duì)這些管式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，除了反應(yīng)流體之外，當(dāng)然是空的。管式反應(yīng)器還廣泛地用于催化反應(yīng)，在這種反應(yīng)器內(nèi)裝填有固體催化劑顆粒，為此，通常稱作“固定床反應(yīng)器”。這種反應(yīng)器用于諸如合成氨、合成甲醇以及其他許多重要的非均相反應(yīng)。這類反應(yīng)器可以是一個(gè)大直徑的圓筒體，或者可由許多平行管子組成，而管子兩端像管殼式換熱器那樣固定于管箱上。這些管子的直徑往往只有幾厘米，但它的長(zhǎng)度卻可達(dá)數(shù)米。圖1是“管冷式”氨合成反應(yīng)器的示意圖。氮與氫的混合物先從頂端通入，向下流過鍛鋼外筒的內(nèi)壁，其目的是保持金屬外筒的冷卻；隨后氣體再轉(zhuǎn)折向上，通過管束，并在其中先和熱合成氣熱交換，接著再和催化劑熱交換，以提高溫度。在該反應(yīng)器中，催化劑充填在列管外部的空間，并支放在柵板上。氣體從列管頂端流出后，又向下通過催化劑層，并放出反應(yīng)熱，它在被進(jìn)入的氣體部分冷卻后，即便離開反應(yīng)器底部。

       圖中還標(biāo)明副線及加熱裝置，它們是反應(yīng)器在開車和停車時(shí)所必須具備的。設(shè)計(jì)任何反應(yīng)器時(shí)，不僅需要注意它在連續(xù)定常操作情況下的性能，而且還必須注意達(dá)到該狀態(tài)以及停止生產(chǎn)時(shí)的方法，以供日常維修或發(fā)生緊急事故時(shí)所需。

       具有管式結(jié)構(gòu)的管式反應(yīng)器的例子甚多，也有一類反應(yīng)器的外觀幾乎不像管子，但卻仍能滿足前述的一般定義，在這類反應(yīng)器內(nèi)，催化劑是放置在沿氣流方向的逐級(jí)多孔板上的。這類反應(yīng)器被用于反應(yīng)

2SO2+O2＝2SO3

還有一種裝置用于“鉑重整”反應(yīng)，這種反應(yīng)器，基本上由一個(gè)圓筒形外殼和兩個(gè)鉆有許多小孔的內(nèi)同心圓筒所構(gòu)成，催化劑就充填在這兩個(gè)內(nèi)套筒之間的環(huán)隙空間內(nèi)。反應(yīng)氣體進(jìn)入外筒和第一個(gè)內(nèi)筒間的環(huán)隙后，分布至各個(gè)小孔，并徑向地通過催化劑層而達(dá)內(nèi)筒，最后離開。這時(shí)，氣體的流動(dòng)雖然是徑向的，但各點(diǎn)間并未造成沿流動(dòng)方向的混合，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)是滿足管式反應(yīng)器的一般定義的。

       在所有這類反應(yīng)器中，反應(yīng)流體的組成必然沿流動(dòng)方向而變化，但是，在與流動(dòng)方向相垂直的方向上，組成也可能變化，這種變化是由于溫度梯度或速度梯度所造成。

       管式反應(yīng)器有時(shí)是絕熱操作，有時(shí)也可通過管壁進(jìn)行熱交換。在前一種情況下，如果反應(yīng)是放熱的，則沿著流動(dòng)方向，溫度當(dāng)然會(huì)升高，如果反應(yīng)是吸熱的，則溫度會(huì)降低。誠(chéng)然，在很多實(shí)例中，反應(yīng)物在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)前，需預(yù)熱（如前述合成氨生產(chǎn)中的熱交換），否則反應(yīng)將太緩慢。但是，一旦反應(yīng)開始進(jìn)行，就需要通過管壁移去熱量，否則，溫度上升過高，會(huì)引起一些并不希望的反應(yīng)。圖2表示管式反應(yīng)器在絕熱和非絕熱操作情況下的軸向溫度變化。在非絕熱操作時(shí)，不論外部冷卻如何，由于初始反應(yīng)速度較快，溫度先趨向于上升；隨后，反應(yīng)流體的溫度又開始下降，這是由于反應(yīng)放熱速率已低于通過管壁傳熱速率之故。

       橫向（或徑向）的溫度變化，特別是在反應(yīng)流體和催化劑（如果有的話）的導(dǎo)熱系數(shù)較低時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)。對(duì)放熱反應(yīng)來(lái)說(shuō)，溫度的最高點(diǎn)位于反應(yīng)器中離開散熱表面最遠(yuǎn)的部位，它可能對(duì)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。圖3表明在SO2氧化反應(yīng)的催化劑層內(nèi)的溫度等高線。反應(yīng)器的器壁維持在197℃，但可看到，雖然該圓柱形反應(yīng)器的內(nèi)徑僅2英寸，但在催化劑內(nèi)部，溫度竟高達(dá)520℃。

       圖中所示的這種“熱點(diǎn)”的存在，可能會(huì)導(dǎo)致極其有害的影響。例如在高壓下進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)

CO+2H2＝CH3OH

如果催化劑中任何區(qū)域的溫度過高，就可能會(huì)引起不希望的化學(xué)反應(yīng)，如生成甲烷。

       為了有效地移走熱量，圓筒狀管式反應(yīng)器的直徑顯然應(yīng)該取得小些，以縮短熱量向器壁傳導(dǎo)的距離。如果由于各種不得已的原因，而必需用大直徑時(shí)，或者催化劑是放置在大型擱板上時(shí)，則需要在催化劑層內(nèi)埋置冷卻盤管。

       有一種引人注目的反應(yīng)器，是采用汞來(lái)冷卻的，這種反應(yīng)器被用于鄰苯二甲酸酐生產(chǎn)的工藝過程之一。萘汽化進(jìn)入空氣流后，通過一管式反應(yīng)器，該反應(yīng)器中有多達(dá)3000根平行排列的管子，直徑1～2厘米，長(zhǎng)達(dá)3米，每根管子內(nèi)均充填有粒狀催化劑。這種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和管殼式熱交換器相像，反應(yīng)熱可很有效地通過管外沸騰的汞而被移走，汞蒸氣在器外經(jīng)冷凝后再循環(huán)使用。嚴(yán)格地控制溫度在350℃左右，這對(duì)該反應(yīng)來(lái)說(shuō)是很必要的，它可以減少生成副產(chǎn)物順丁烯二酸酐和二氧化碳。