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選擇反應(yīng)器的正確操作
閱讀：850 發(fā)布時(shí)間：2022-10-25
通常，選擇反應(yīng)器應(yīng)滿足反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速率和生產(chǎn)能力提出的所有要求，選擇反應(yīng)器時(shí)必須考慮的其他參數(shù)是反應(yīng)熱、傳熱系數(shù)和反應(yīng)器尺寸。
1、間歇反應(yīng)器：間歇式反應(yīng)器在反應(yīng)開始前將所有原料放入反應(yīng)器中進(jìn)行操作，一旦反應(yīng)完成，產(chǎn)物就會(huì)被移除。間歇反應(yīng)器用途廣泛，適用于所有類型的化學(xué)反應(yīng)，包括精細(xì)化學(xué)品、聚合物、肽和納米顆粒的合成。間歇反應(yīng)器的大小從小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模合成中的數(shù)百毫升到大型工業(yè)工廠中的 76,000 升不等 [Kayode Coker, 2001]。 玻璃和不銹鋼是制造這種反應(yīng)器常用的材料。 圖 6 展示了不同類型和尺寸的間歇反應(yīng)器的示例。盡管它們很受歡迎，但間歇反應(yīng)器的固有特性限制了可訪問的化學(xué)空間，因此限制了化學(xué)策略的設(shè)計(jì)方式。 間歇式反應(yīng)器的放大取決于工藝，并受混合效率和傳熱的限制
圖2.間歇反應(yīng)器示例
批量合成的好處包括：
— 穩(wěn)健、完善的流程
— 用途廣泛且價(jià)格相對(duì)實(shí)惠。
— 簡單的設(shè)計(jì)和相對(duì)容易的生產(chǎn)
— 與所有化學(xué)分支兼容
— 與化學(xué)品的大規(guī)模生產(chǎn)兼容
— 建立基于批號(hào)的產(chǎn)品可追溯性程序
— 廣泛用于研究實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)
批量合成的局限性包括：
— 影響熱交換效率的低表面積體積比
— 由于混合效率差和/或熱交換差(可能引發(fā)副反應(yīng)并降低產(chǎn)品純度)而存在潛在熱點(diǎn)
— 處理有毒和有害材料時(shí)的安全問題
— 擴(kuò)大規(guī)模是資源密集型和耗時(shí)的
— 占地面積大，特別適用于大規(guī)模生產(chǎn)
— 生產(chǎn)可變性
— 只能應(yīng)用常規(guī)反應(yīng)條件
2、半間歇反應(yīng)器：半間歇式反應(yīng)器結(jié)合了間歇式和連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的屬性。 它本質(zhì)上是一個(gè)間歇反應(yīng)器，但在操作過程中具有連續(xù)的輸入流。 換句話說，一些反應(yīng)物在時(shí)間零點(diǎn)加入反應(yīng)器，而其他反應(yīng)物隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸和連續(xù)地加入。當(dāng)反應(yīng)器滿時(shí)，以間歇方式操作完成反應(yīng)。 在加入全部試劑并且反應(yīng)完成之前，不會(huì)從反應(yīng)器中取出產(chǎn)物。 良好的溫度控制和通過保持某些反應(yīng)物的低濃度來最小化不需要的副反應(yīng)(例如熱失控反應(yīng))的能力是半間歇式反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)聚合速率由單體添加(進(jìn)料)速率控制時(shí)，半間歇式反應(yīng)器通常用于乳液聚合過程。
3、連續(xù)攪拌反應(yīng)器：連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器與間歇式反應(yīng)器的不同之處在于，反應(yīng)物連續(xù)加入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)取出。 連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器 (CSTR) 可以單獨(dú)使用，也可以作為一系列反應(yīng)器的一部分使用(圖3)。 它的特點(diǎn)是良好的混合和溫度控制。 然而，缺點(diǎn)是單位體積反應(yīng)器的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較低，因此需要大型串聯(lián)反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率。 CSTR的應(yīng)用包括均相液相反應(yīng)和多相氣液、液液、固液和氣固液反應(yīng)。
圖3. 連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器示例：(a) 單個(gè)連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器和 (b) 連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器系列
4、連續(xù)流反應(yīng)器：連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器與連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的不同之處在于，將試劑連續(xù)進(jìn)料到管式反應(yīng)器中，而不是罐式反應(yīng)器中。連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的形狀可以從管到具有不同內(nèi)部尺寸的螺旋盤管(圖4)。管式反應(yīng)器通常用于在催化劑存在下的多相固-液或固-氣反應(yīng)。它們可以由一根長管組成，也可以由排列在管組中的幾根較短的管組成。其他類型的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器是內(nèi)部容積高達(dá)幾毫升的盤管反應(yīng)器和內(nèi)部容積通常小于一毫升的連續(xù)流動(dòng)微反應(yīng)器。 連續(xù)流反應(yīng)器為處理化學(xué)品提供了廣泛的優(yōu)勢，包括快速混合、高效傳熱、減少占地面積、安全處理危險(xiǎn)或不穩(wěn)定材料和高放熱反應(yīng)，以及生產(chǎn)的均勻性。
圖4.連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器例：(a) 單管反應(yīng)器，(b) 多管反應(yīng)器，(c) 盤管反應(yīng)器和 (d) 連續(xù)流動(dòng)微反應(yīng)器。