例如，在苯的一氯化制氯苯时，为了减少二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯气，反应产物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，还有61mol未反应的苯，经分离后可回收60mol苯，损失1mol苯，如下所示。CHe607CaH40100氯化器蒸苯塔CsH。61C.He1CHsCl38C.HsCl38CH,Clz1CeH,Clz1苯的单程转化率X单=100=1×100%=39.00%100100-61苯的总转化率X总=X100%=97.50%100-6038×1生成氯苯的选择性S=100-61×100%=97.44%S38×↓1生成氯苯的总收率Y总=100-60×100%=95.00%或Y总=97.50%X97.44%=95.00%由上例可以看出，对于某些反应，其主反应物的单程转化率可能很低，但是总转化率和总收率却可以很高。2. 3化学反应器［六~九］化学反应器在结构上和材料上必须满足以下基本要求。①对反应物系，特别是非均相的气-液相、气-固相、液-液相、液-固相、气-固-液三相反应物系，提供良好的传质条件，便于控制反应物系的浓度分布，以利于目的反应的顺利进行。②对反应物系，特别是强烈放热或强烈吸热的反应物系，提供良好的传热条件，以利于热效应的移除和供给，便于反应物系的温度控制。③在反应的温度、压力和介质的条件下，具有良好的机械强度和耐腐蚀性能等。④能适应反应器的操作方式（间歇操作或连续操作）。本书只扼要介绍操作方式和各种反应物料体系所用反应器的基本结构。2.3.1间歇操作和连续操作在反应器中实现化学反应可以有两种操作方式，即间歇操作和连续操作。间歇操作是将各种原料按一一定顺序和速度加到反应器中，并在一定的温度和压力下经过一定的时间完成特定的反应，然后将生成物料从反应器中放出。因为原料是分批加到反应器中的，所以文称分批操作。间歇操作时，反应物料的组成随时间而改变。连续操作是将各种反应原料按一定的比例和恒定的速度连续不断地加入到反应器中，并且从反应器中以恒定速度连续不断地排出反应产物。在正常操作下，在反应器中的某一特定部位，反应物料的组成、温度和压力原则上是恒定的。连续操作比间款操作有许多优点。第一，连续操作比较容易实现高度自动控制，产品质量稳定，而间歇操作的程序控制则17
相当困难，而且费用昂贵，因此间歇操作比连续操作需要较多的劳动，而且反应的效果常常受人的因素影响。第二，连续操作可缩短反应时间，而间歇操作除了反应时间以外还需要有加料、调整反应的温度和压力、放料和准备下一批投料等辅助操作时间。因此，对于生产规模大、反应时间短的化学过程都尽可能采用连续操作，特别是气相反应和气-固相接触催化反应则必须采用连续操作。第三，连续操作容易实现节能，例如从反应器中连续移出的反应热以及热的反应产物连续冷却时由热交换器移出的热量可以用来预热冷的原料，或者把热量传递给水以产生水蒸气。而要把间歇操作与节能系统相结合，一般是很难实现的。间歇操作也有它独特的优点。第一，连续操作的技术开发要比间歇操作困难得多。节能和节省劳动力一般是与生产规模成正比的，对于小规模生产来说，开发一个连续操作常常是不值得的。第二，间歇操作的开工和停工比连续操作容易，间歇操作的设备在生产量的大小上有较多的伸缩余地，更换产品也有灵活性；而连续操作的设备通常只能生产单一产品。因此，对于多品种、产量不大的精细化工产品，间歇操作仍有相当广泛的应用。2.3.2间歇操作反应器液-液相和液-固相间歇操作的反应器基本上与实验室的仪器相似，所不同的是体积大，制造材料和传热方式不同。这种间歇操作反应器可以是散口的反应槽（相当于烧杯），也可以是带回流冷凝器的反应锅（相当于四口瓶），或者是耐压的高压釜。最常用的传热方式是在锅体外安装夹套或在锅内安装蛇形盘管。冷却一般用冷却水或冷冻盐水，在个别情况下也可以向反应器中直接加人碎冰。加热一般用水蒸气可加热到140～180℃，如用发电厂等副产的高压水蒸气最高加热温度可达240℃。如需较高温度（160~260℃）可向夹套中通人耐高温导热油，也可直接用火加热（燃烧天然气、煤气、燃料油或煤），或者用电加热。在个别情况下，也可直接向反应器中通入水蒸气进行加热。锅式反应器通常装有搅拌器，以利于传质和传热，最常用的搅拌器如图2-2所示。平直叶折叶(a)桨式搅拌器d(b)推进式搅拌器(c）锚式搅拌器(d)框式揽拌器图2-2常用搅拌器形式18
对于某些非常黏稠物料的液-固相间歇反应，需要采用特殊的搅拌器，或改用卧式球磨机式间歇反应器（固相罐）。例如芳伯胺的烘焙磺化。对于气-液相和气-固-液三相间歇反应，例如某些通氯气的H压热反应器氯化反应、通氢气的氢化反应以及通空气的氧化反应等，通常采用带气体鼓泡管的锅式反应器，锅内可以安装搅拌器，也可X混合及度应区以不安装搅拌器。另外也可以采用鼓泡塔式反应器。热交换器对于气-固相间歇反应则需要采用特殊结构的反应器。例如粉状2-萘酚钠与二氧化碳反应制2-羟基-3-甲酸所用的反反应物溶剂应器。锅内装有3～5层固定的水平切削挡板，挡板和搅拌器催化剂的水平桨叶之间的间隙要做得很窄，两者之间的作用就像剪刀悬浮液体一样，能完成既是搅拌又是粉碎的任务，使酚钠盐在脱水过程一循环泵和羧化过程中保持蓬松的粉末状态（见11.4.3）。许多溶剂烘物料流向焙磺化过程也需要采用类似的切削装置［见4.1.3.2（4）]。图2-3液相喷射环流反应器对于间歇操作的非均相催化氢化反应，当采用带鼓泡管的搅拌锅式反应器或鼓泡塔式反应器时，需要将从液面上逸出的未反应的氢气用氢气泵再循环鼓泡。为了避免氢气循环又提出了液相喷射环流反应器，如图2-3所示。2.3.3液相连续反应器在液相连续反应器中，有两种极限的流动模型，即“理想混合型”和“理想置换型”。2.3.3.1理想混合型反应器装有搅拌器和传热装置的单锅连续反应器，如图2-4（a）所示，接近于理想混合型反应器。反应原料连续地加入到锅中，在搅拌下停留一定时间，同时反应产物也连续地从锅中流出。进料一进料一物产物（b）非理想混合多钢申联反应器(a）理想混合型反应器图2-4混合型反应器理想混合型反应器的特点：在强烈搅拌下产生了混合作用，即新加人的原料和已存留在锅中的物料在瞬间混合均匀（亦称反向混合），所以锅内各处的物料的组成和温度都相同，并且接近于出口处流出的物料的组成和温度。搅拌锅式连续反应器的主要优点是，强烈的搅拌有利于非均相反应原料之间的传质，可加快反应速率。另外，也有利于强烈的放热反应的传热，可加大反应锅的生产能力。但是单锅连续操作也有很多缺点。第一，锅内物料的组成接近于流出物料的组成，即锅中反应原料的浓度19
相当低，从而显著影响反应速率。第二，流出的反应产物中势必残留有一定数量的未反应原料，从而影响产品的收率。第三，锅内已经生成的反应产物的浓度相当高，容易进一步发生连串反应，生成较多的副产物。例如，苯用混酸一硝化时，如果采用单锅连续操作，不仅设备生产能力低，反应产物中含有较多未反应的苯和硝酸，而且产品硝基苯中还含有质量分数高达2%4%的二硝基苯，影响产品的质量。因此，单锅连续操作在工业上很少采用。为了克服上述缺点，一般都采用多锅串联连续操作，如图2-4（b）所示，反应物料连续地加人到第一个反应锅中，反应物料连续地流经第二和第三个反应锅，反应产物从最后一个反应锅流出。其特点是，在几个反应锅之间没有反混作用，因此具有以下优点：反应速率相当快，可大大提高设备的生产能力；每个反应锅可以控制不同的反应温度；在最后一个反应锅中反应原料的浓度已经变得很低，可以大大减少反应产物中剩余未反应物的含量，有利于降低原料消耗定额，在某些情况下还可大大减少连串反应副产物的生成量。例如，用多锅串联法进行苯的一硝化时，产品硝基苯中二硝基苯副产物的生成量可降低到0.1%以下，有利于提高产品的质量。为了避免反应原料以“短路”的方式从各反应锅流出，可以在反应锅内安装导流简，或是将传热蛇管作成导流筒的形式，如图2-5（a）所示，另外，也可以把反应器做成U形循环管的形式，如图2-5（b）所示，详见5.3.5。出料被硝化物混酸-进料云溢流口00168(a)连续硝化锅(b)U形管式连续反应器图2-5连续反应器2.3.3.2理想置换型反应器连续反应器接近理想置换型反应器。反应原料从管子的入口处进入，在管内向前流动，经过一定时间后，从管子的出口处流出，如图2-6（a）所示。在理想情况下反应物没有返混作用。因为物料在管内平行向前移动，好像一个活塞在汽缸内朝一个方向移动，所以又称“活塞流”或“理想排挤”。H一市加料直产物牛4Ⅱ(a）理想置换型反应器(b)管式反应器图2-6理想置换型反应器与管式反应器理想置换型反应器的特点如下。在高度流情况下，在垂直于物料流向的任何一个截面上，所有的物系参数都相同，即在任何一个截面的各点上物料的组成、温度、压力、流速和停留时间都相同。另一方面，在沿着管子长度的不同点上，所有物系参数则各不相同。例20
如，在管子的进口端，原料的浓度非常高，反应速率相当快，热效应非常大；而在出口处，原料的浓度已变得非常低，反应速率很慢，热效应也很小。所以沿管长上各点的温度也各不相同。这种反应器写锅式串联反应器相比，优点是反应速率比较快，可缩短反应时简，反应产物中未反应物少，可降低消耗定额，提高产品质量，主要适用于热效应不太大，对反应温度不太敏感以及高压操作的化学过程。但是，对于热效应很大，对温度比较敏感，而且需要良好传质的化学过程以及会有固体物料在管内沉积堵管的化学过程，都不宜采用管式连续反应器。但对于某些反应可以采用锅式-管式或泵式-管式串联的方法，见8.2.4和9.6.1。对于液-液非均相反应，为了使反应原料充分接触，以利于传质，物料在管内必须呈高速流状态，为此管径不宜太大。对于高压反应或小批量生产，可采用单管式反应器，如图2-6（b）。当压力不太高而且生产能力大时可采用列管式反应器或在单管内装有强化传质的构件，见苯的绝热连续一硝化（5.3.6.2）。2.3.4气-液相连续反应器一般采用鼓泡塔式反应器，气态原料总是从塔的底部输人，反应后的尾气从塔的顶部排出。液态原料既可以从塔的底部输入，从塔的上部流出（并流法），也可以从塔的上部输入，从塔的底部流出（逆流法）。因为反应物在塔中有一定的返混作用，为了减少其不利影响，并且加强气-液之间的传质作用，可在塔内装有填料、筛板、泡罩板或各种挡板等内部构件。为了控制反应温度，可采用内部热交换器或外循环式热交换器。为了避免塔身太高而增加通人气体的压头，可采用多塔串联的方式，从每个塔的底部通入反应气体当气-液相反应的速率相当快，放热量相当大时，可在沸腾温度下反应（见图2-7）或采用列管式并流反应器。在用三氧化硫-空气混合物作磺化剂时还采用膜式反应器（如图2-8）。详见4.1.5.3（3）。有机物内膜M气体一空气-SO一有机物外膜分配区→冷却水出口一液体反应区2冷却水进口分离区三废气一冷却水进口磺酸产物?气体液体冷却水出口图2-7气-液相塔式反应器图2-8双膜反应器当液体物料相当黏稠或热效应很大时，则需要采用多锅串联喷射环流反应器，例如甲苯用三氧化硫-空气混合物磺化，见4.1.5.3（3）、图4-5。21