這種反應器是一個充分攪拌的反應釜,反應原料連續(xù)流入反應釜,(部分地)反應了的產物則連續(xù)地從釜中排出。由于這種反應器的形狀大多是矮而大的(例如寬度與高度相同的筒形容器),故必須使其中的物料攪拌良好,否則,在進口與出口之間,就可能會出現(xiàn)流體的短路流動,而使反應器的大量容積基本上成為死角。
連續(xù)攪拌釜式反應器的重要特征是攪拌。對其性能最恰當?shù)某醪浇乒浪?,是基于這樣的假設,即反應器內的物料完全混和,從而流出料液和器內的物料具有相同的組成,這是連續(xù)攪拌釜式反應器和管式反應器之間的重要區(qū)別。圖4以圖形表明了四種常見反應器型式間的差別。
只要流體不太粘,完全混和這一近似假定,在連續(xù)攪拌釜式反應器內并不難達到。一般說來,若注入一物料微元(如注射入染料),當它比物料在釜內的平均逗留時間短得多的時間內就能在釜內均勻分布時,該反應釜就可認為是“完全混和”的。
以后還可以看到,把幾個連續(xù)攪拌釜式反應器串聯(lián)起來,使反應物料從一個釜流向下一個釜,這樣做常是有利的。其結果是使料液的組成自一個釜到一個釜發(fā)生逐級的變化。但這亦會引起短路流失:即某一分子一進入反應釜,有相當?shù)臋C率,幾乎立即竄入出口的液流中去。這也就是為什么通常需要把兒個反應釜串聯(lián)使用的緣故,尤其在需要獲得高轉化率時。倘若只有一個或兩個反應釜,未反應物料的流失就會很可觀。雖然從某種意義上說,這種流失是攪拌的結果,但是,如果沒有攪拌的話,則由于進口與出口間的主體物料流動,通常將會有更多的流失。
濃度逐級變化的一般結果,將是使反應的平均速率,低于同樣進料濃度時管式反應器的反應速率(但是,某些特殊類型的動力學,特別是自催化反應,在連續(xù)攪拌釜式反應器中,反而可能獲得比管式反應器更高的反應速率。這些反應出現(xiàn)在某些生物化學過程中)。因此,在同樣產量時,采用多級反應釜,其容積就要大很多,這在設計時是必須加以考慮的。比較緩慢的液相反應,廣為采用這種連續(xù)攪拌釜式反應器,這從上述觀點來看,似乎是不合理的,但是,由于和管式反應器相比,這種結構造價低廉,因此還是采用它。只要反應釜是在常壓下操作且是用低碳鋼之類廉價材料制作的,在任何情況下,從經濟上考慮并不是重要的因素。
除結構簡單外,連續(xù)攪拌釜式反應器的另一優(yōu)點就是容易控制溫度。反應物在進入第一只反應釜之后,立即混和到容積很大且已經部分反應了的流體之中,又由于攪拌作用,就不致發(fā)生局部過熱點。而且,連續(xù)攪拌釜式反應器的各釜,還提供了很大的冷卻表面積。除去容器各自的外部傳熱表面外,還可由浸沒冷卻盤管的形式,提供巨大的內冷卻表面。有時也可用排管代替盤管,如生產硝化甘油的施米特(Schmid)硝化器即是一例。
連續(xù)攪拌釜式反應器與管式反應器相比,尚具有結構的可開啟式這一優(yōu)點,這使得它便于清洗內部表面,對那些易有固體物質沉積在表面的反應來說,這是很重要的。例如聚合反應過程以及那些會生成膠狀副產物的反應。
由于以上各種原因,連續(xù)攪拌釜式反應器的典型應用范固有:磺化、硝化及聚合等連續(xù)過程,它被十分廣泛地應用于有機化學工業(yè),尤其是塑料、炸藥、合成橡膠生產等方面。連續(xù)攪拌釜式反應器還用于特別需要攪拌的場合:例如,為了使氣泡或固體顆粒在液相內保持懸??;或者,像苯或甲苯的硝化反應,要使一種液體的液滴在另一種液體中保持懸浮。這些反應的反應速率與懸浮液的分散程度,也就是與攪拌的強烈程度密切有關。
某些氣相反應,如燃燒、氣態(tài)烴的氯化等,即使不用任何機械攪拌,但有時亦可使之如同在單級的連續(xù)攪拌釜式反應器中進行,反應器形狀和氣體入口噴嘴(例如切向進口)的位置,應力求使反應氣體達到充分混和,避免在反應器內出現(xiàn)熱點。