1反应物系的相态
化学反应是指分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新分子的过程。按反应物系的相态来分类，化学反应分为均相反应和多相反应，其中均相反应分为气相均相、液相均相、固相均相三类；多相反应分为气-固、气-液、液-液、液-固、固-固、气-液-固等六类。
2反应器类型
反应器是一种实现反应过程的设备，根据不同特性，有不同的分类，工业生产中常用的五种反应器有固定床反应器、流化床反应器、釜式反应器、管式反应器、塔式反应器。
2.1固定床反应器
化学工业中最为常用的气固相反应器主要是固定床反应器。凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气-固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2)以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器 。
2.2流化床反应器
流态化技术是一种强化流体(气体或液体)与固体颗粒间相互作用的操作，可使操作连续，生产强化，过程简化。具有传热效率较高、床层温度分布均匀、相间接触面积很大、固体粒子输送方便等优点。流态化的过程与流化床的结构紧密联系，要根据生产任务正确识别流化床反应器及其附属设备。流化床反应器是将流态化技术应用于流体(通常指气体)、固相化学反应的设备。有气-固相流化床催化反应器和气-固相流化床非催化反应器两种。以-定的流动速率使固体催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备称为气-固相流化床催化反应器(常简称为流化床)，它是气-固相催化反应常用的一种。流化床反应器的结构形式很多，除单器外，还有双器流化床反应器。双器由流化床反应器和流化床再生器组成，多用于催化剂使用寿命较短而容易再生的气-固相催化反应过程。
流化床反应器的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉。40年代以后，以石油催化裂化为代表的现代流化技术开始迅速发展。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。如石油加工中的催化裂化装置，重质油在流化床中的硅铝催化剂上进行吸热的裂化反应，同时发生积炭反应，失活后的积炭催化剂在流化床再生器中用空气与炭进行放热的烧炭反应，再生后的催化剂将烧炭反应热带入反应器，提供裂化所需的热量。
2.3釜式反应器
釜式反应器是一种低高径比（H/D＜3）的圆筒形反应器，由壳体，搅拌装置，轴封装置，换热装置组成，用于实现液相单反应过程和液液、比如：环氧乙烷水合。气液、液固、气液固等多相反应过程。按操作方法可以分为间歇式反应釜，连续式反应釜，半间歇式反应釜，间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。大规模生产应尽可能采用连续反应釜。连续反应釜的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。按操作压力可以分为低压、中压、高压。釜式反应器结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作条件（如温度、浓度、停留时间等）的可控范围较广，操作灵活性大，能适应多样化的生产，应用广泛。
2.4管式反应器
管式反应器是一种呈管状、长径比很大（L/D＞50）的连续操作反应器。反应器的结构可以是单管、多管、空管，如管式裂解炉。也可以在管内填充颗粒状催化剂，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。基本结构为直管、弯管、密封环、管件、机架。当L/D＞100时，流体在管式反应器中的流动状态为理想置换流动。管式反应器在化工生产中常用于烃类热裂解、过氧化氢异丙苯分解、环氧已烷水合等。
2.5塔式反应器
塔设备的外形呈圆筒状，高度一般为直径的数倍以至十几倍，内部常设有填料、筛板等构件，用来增大反应混合物相际间传质面积。塔设备除了广泛应用于精馏、吸收等物理过程外，还可以作为反应器用于气-液相非均相反应，比如：苯烷基化，对二甲苯氧化等。在化学工业中塔式反应器广泛应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。除此以外，气体产品的净化过程、废气及污水的处理过程，以及好氧性微生物发酵过程均属于气-液相反应过程。也常用塔式反应器。气-液相反应是一个非均相反应过程，气体反应物可能是一种或多种，液体可能是反应物或者只是催化剂的载体。反应速率除取决于化学反应速率外，很大程度上取决于气相和液相两相界面上组分分子的扩散速率，所以如何使气、液两相充分接触是增加反应速率的关键因素之一，应用较广泛的作为反应器的塔设备有鼓泡塔、填料塔等。鼓泡塔气体以气泡的形式分布在液体中，填料塔是液体以膜状运动与气相进行接触。了解塔设备的结构对于塔设备的操作有重要意义。
3反应器操作方式
反应器操作方式主要有两种：间歇操作和连续操作。
3.1间歇操作
间歇操作的特征是一种或几种原料一次性定量加入反应器，其他原料连续（如滴加）或分批加入，然后进行化学反应，反应结束后采出全部物料。根据生产要求对反应器进行清洗、置换，继而进行下一生产周期的操作。反应器内过程参数与空间位置无关，各处的物料组成及温度都相同，反应器内物系的组成随时间而变。
3.2连续操作
连续操作的特征是连续地将原料加入反应器，反应产物也连续地从反应器采出，反应器内任何部位的物系参数，如浓度、反应温度等均不随时间改变，但随位置改变。
表3-1反应器类型及常见操作方式
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反应器类型
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常见操作方式
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固定床反应器 |
连续 |
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流化床反应器 |
连续 |
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釜式反应器 |
连续、间歇 |
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管式反应器 |
连续 |
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塔式反应器 |
连续
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4.1间歇操作
间歇操作的机械化或自动化手段主要是对进料、出料、反应等过程的控制。
4.1.1进料
4.1.1.1气体进料
（1）采用动量输送设备（如风机、真空泵、压缩机等）向反应器进料，设置流量计和自动控制阀，流量与自动控制阀、动量输送设备联锁，实现远程自动控制。
动量输送设备，如风机、真空泵等采用远程自动启停、调节；压缩机通过远程控制变频、调节或远程自动启停（根据工艺要求）。本章节涉及的此类设备按此要求执行。
压力表、流量计采用远传显示、报警、联锁、调节等。本章节涉及的此类仪表按此要求执行。
控制阀门采用远程自动控制。本章节涉及的此类阀门按此要求执行。
（2）采用气化器向反应器进料，设置流量计、自动控制阀，流量与自动控制阀、气化器热源联锁，实现远程自动控制；
（3）采用压差（如钢瓶）向反应器进料，设置流量计、自动控制阀，流量与自动控制阀联锁，实现远程自动控制。
4.1.1.2液体进料
（1）采用动量输送设备（泵等）向反应器进料，设置流量计、自动控制阀，流量与自动控制阀、动量输送设备联锁，实现远程自动控制。
动量输送设备，如泵采用远程自动启停、调节，或者通过远程控制变频、调节。本章节涉及的此类设备按此要求执行。
（2）采用计量槽向反应器进料
①采用动量输送设备（泵等）向计量槽进料，进料管线设自动控制阀、计量槽设置液位计（或称重模块），液位（或重量）与自动控制阀、动量输送设备联锁，实现远程自动控制。
②计量槽出料通过重力（或动量输送设备）向反应器进料
计量槽设置称重模块（或液位计），重量（或液位）与计量槽出料阀和反应器进料阀（泵）联锁，实现远程自动控制；
（3）采用压料方式向反应器进料，进料管线设置流量计、自动控制阀，流量与压料罐出料阀和反应器进料阀联锁，实现远程自动控制；
（4）小批次及特殊物料向反应器进料，应当采用计量槽的进料方式，远程控制。
4.1.1.3固体进料
固体物料通常有粉末状、颗粒状、大粒状、块状等形态，物料的形态不同则进料方式不同。固体物料的进料方式主要有两种，一种是气力输送进料，另一种是机械输送进料。固体物料的投料应当根据工艺安全要求设置密闭添加设施。
（1）可用溶剂预溶解或与反应物料提前混合形成易输送的液（气）态物料的，在混合单元溶解混合后，输送至反应单元，采用液（气）体进料方式。
（2）不能采用上述混合方式的，固体进料可采用如下方式。
①采用机械输送或气力输送方式由原料仓向计量料仓进料，计量料仓设物位计或称重模块，物位或重量与机械输送或气力输送系统联锁。计量料仓出口设置给料器（如旋转阀）、插板阀，物位（或重量）与给料器、插板阀联锁，实现远程自动控制。
②小批次及特殊物料向反应器进料，应当采用计量料仓的进料方式，实现远程自动控制。
不同相态的反应物料其输送和计量方式不同，详见下表4-1。
表4-1物料相态、输送及计量方式一览表
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物料相态
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输送方式
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计量方式
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气体 |
压力输送、机械输送 |
流量计和自动控制阀 |
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液体 |
重力输送、机械输送、压力输送 |
流量计和自动控制阀；计量槽（液位或重量） |
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固体 |
重力输送、机械输送、气流输送 |
计量料仓（物位或重量）；固定包装称重计量
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反应器可设液位计、称重模块、出料管线设流量开关，远程控制出料阀。
（1）采用重力出料无流量时，液位、重量、流量与出料阀联锁，实现远程自动控制。
（2）采用动量输送设备出料无流量时，液位、重量、流量与出料阀联锁，同时联锁动量输送设备，实现远程自动控制。
（3）采用气体压料或真空出料时，液位、重量、流量与出料阀联锁，同时联锁动力气源（如气源阀、真空泵、压缩机等），实现远程自动控制。
当反应物料在本反应器内需静置分层时，出料管线上可设密度计、智能视镜等，根据密度不同联锁控制不同物料出料阀，实现远程自动控制。
4.1.3反应过程
实现反应过程的机械化、自动化操作要求：
（1）远程监控温度、压力、PH值、搅拌电机电流等参数。
（2）通过自动调节冷（热）媒量、原料进料量等远程控制反应釜温度或压力。当需调节PH值时设PH在线检测仪表，通过自动调节原料进料量控制PH值。达到设定值时，联锁切断进料。
（3）反应器冷（热）媒系统采用远程自动控制。
（4）设有搅拌时，搅拌电机电流控制室集中显示报警，远程控制。
（5）反应器根据需要设置远传液位计或液位开关等检测报警仪表，达到设定值时联锁切断进料。
4.2连续操作
连续操作的机械化或自动化手段主要是对进料、反应、出料过程的控制。
4.2.1进料
4.2.1.1气体进料
气体采用动量输送设备（如压缩机等）、气化器、压差等向反应器连续进料，设置流量计和自动控制阀，实现流量自动控制调节。
4.2.1.2液体进料
液体经动量输送设备（如泵等）、压差等向反应器连续进料，设置流量计和自动控制阀，实现流量自动控制调节。
4.2.1.3固体进料
固体物料通常有粉末状、颗粒状、大粒状、块状等形态，物料的形态不同则进料方式不同。固体物料的进料方式主要有两种，一种是气力输送进料，另一种是机械输送进料。固体物料的投料应当根据工艺安全要求设置密闭添加设施。
采用机械输送或气力输送方式由原料仓向固体料仓进料，固体料仓设料位计或承重模块，料位或重量与机械输送或气力输送系统联锁。固体料仓出口设置给料器（如旋转阀）、插板阀，料位（或重量）与给料器、插板阀联锁，实现远程自动控制。
4.2.2出料
当液相出料时，反应器可设置液位计，出料管线可设置流量计和控制阀，通过液位或流量控制出料。
当气相出料时，出料管线可设置流量计和控制阀，通过流量控制出料。
当出料量控制有难度时，反应器的出料量由反应器的进料量控制。
4.2.3反应过程
实现反应过程的机械化或自动化手段：
（1）远程监控温度、压力、PH值、搅拌电机电流等参数。
（2）通过自动调节冷（热）媒量、原料进料量等远程控制反应釜温度或压力。当需调节PH值时设PH在线检测仪表，通过自动调节原料进料量控制PH值。
（3）设有搅拌时，搅拌电机电流采用控制室集中显示报警，远程控制。
（4）反应器根据需要设置远传液位计，液位与进出料实现联锁，实现远程自动控制。
4.3其他
针对特殊的工艺物料，如特殊的易燃、易爆、有毒、有腐蚀性等介质，在反应过程（进料、反应、出料）中存在诸多安全风险，应在基础设计阶段开展危险和可操作性分析（HAZOP），及预先危险分析（PHA）或事故树分析（ETA）等定量定性风险评价方法，对整个反应过程的危险性进行分析。根据分析结果设置相应的机械化及自动化输送方式。
反应过程（进料、反应、出料）中有人员现场操作，如人工投料、现场阀门的开关切换等操作过程，应采用机械化和自动化的手段来实现现场无人操作。
5集中控制要求
针对固定床反应器、流化床反应器、釜式反应器、管式反应器、塔式反应器的间歇、连续、操作方式，实施以下集中控制要求。
反应单元操作参数（如流量、温度、压力、液位、称重、电流等）远传至DCS系统。进料、出料及反应过程的操作，通过DCS系统实现远程自动控制。
6典型反应器单元设计方案
某企业制备苯丙乳液表胶间歇釜式反应器生产单元“机械化换人、自动化减人”方案。
6.1工艺简述
在釜式反应器中一次性加入6000kg经淀粉酶分解的淀粉水溶液，并开启搅拌后升温至90℃，保温20min；通过夹套冷却水将釜内物料降温至80℃左右并保温40min。然后滴加700kg苯乙烯、900kg丙烯酸丁酯、700kg丙烯酸叔丁酯组成的单体混合物，同时滴加350kg引发剂双氧水，滴加完成后保温20min，最后加入120kg冰醋酸，保温1.5hr，反应结束，反应产物经泵一次性输送至后续产品调配工序。
6.2釜式反应器间歇操作的机械化和自动化实施方案
6.2.1进料
设置流量计（批式），当到达设定值6.5m3(6000kg)时联锁切断淀粉水溶液进料阀、停输送泵；
苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸叔丁酯、引发剂双氧水、冰醋酸设置计量槽，到达设定的液位时，停止供料；远程控制计量槽出料阀门的开度进行滴加；
6.2.2反应过程
（1）反应温度、PH值的控制
设置自动调节系统，控制室集中显示，远程开启蒸汽阀，当温度升温至90℃，延时20min，联锁切断蒸汽；远程打开冷却水进出口阀门，釜内物料降温至80℃左右并保温40min，远程控制各计量槽出料阀门的开度，进行滴加（700kg苯乙烯、900kg丙烯酸丁酯、700kg丙烯酸叔丁酯单体）混合物、350kg引发剂双氧水，滴加完成后保温20min，最后滴加120kg冰醋酸，保温1.5hr，反应结束。
（2）搅拌控制
转速控制在60~85 r/min，远程启动控制。
6.2.3出料
远程打开出料阀，设置出料流量开关，无流量时联锁切断出料阀；联锁停泵。
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