1．多功能反应器的介绍

反应器设计和操作理论依据是反应工程科学。反应工程简称为”三传一反,研究热量传递、质量传递和动量传递对化学或催化反应的影响。反应器是一个特殊的设备,其功能是使一定的原料转化为一定的产品,性能评价指标为收率,即转化率和选择性的乘积。反应器的种类^[1]很多,根据物料性质划分,主要有气相、固相、液相,气-液两相、固-液两相,气-固两相,和气-液-固三相,还有超临界相反应器。

传统意义上的反应器通常只有化学转化的功能，但是多功能反应器同时具有反应和分离的功能,或者也具有热量交换的功能,可以显著节省设备投资和能耗,如图1所示：

图1 传统过程与多功能反应器的比较

因此,多功能反应器就是一种绿色反应器^[2],它可以实现原料和能量利用的最大化,和排放的最小化,甚至实现零排放。实际上,多功能反应器具有很长的历史。最典型的是FCC 和水煤气发生炉。FCC 反应器中的再生器具有催化剂表面的氧化烧焦反应和催化剂蓄热两个功能,反应器具有催化剂放热和裂解反应两个功能。老式的上/下吹煤气炉具有蓄热换热和煤气化反应的双重功能。这两种反应器都有近四十年的历史了。

但是,国际反应工程界真正提出多功能反应器的概念是在20世纪90 年代中期,并于1999年在阿姆斯特丹召开了第一界多功能反应器的国际会议,第一次把多功能反应器作为一个单独主题来进行讨论 ^[3],2001年又在德国莫尼黑召开了第二次国际会议。

2.多功能反应器国内外研究状况

近几十年来 ,多功能反应器受到了人们极大的重视 ,而且有了很大的发展。在几十年的研究中，人们不仅在石油化工行业上的多功能反应器有了快速的发展，而且还在生物制药、农业等方面有了重大突破。现在我就对现存的多功能反应器的发展做一分析、介绍。介绍的范围主要限于石油化工上的大宗化学品 (如氨、石油化工产品等)的生产所使用的先进多功能反应器及有一些有发展前途的新式反应器。

2.1 反应与传递热量的有机结合

从历史的观点看,把冷却装置 (如冷却蛇管及冷却夹套)装到釜式反应器上以移走反应热,以消除过热对反应产生的不良影响。而另一种使用范围很广的反应器#8212;#8212;绝热固定床催化反应器采用分段装填催化剂,段间进行冷却(间接换热或冷激)的方法以确保床层温度能控制在许可范围内。另外,对于很强的放热反应要使用转移热能力更大的列管式反应器,它最早是用在强放热的氧化及加氢反应中。应该指出的是,在石油化工中很早就将列管式反应器应用于吸热反应(如裂解反应 )。