本帖最后由 皮皮怪 于 2018-8-13 08:10 编辑
科学系机器之——化学反应釜
相信所有玩过GT的朋友对这个机器都不会陌生： 他造价不高，却极其实用；他极其实用，却又相当麻烦；他有一个更加方便高效的哥哥，但在这之前你必须把弟弟搞定了。
没错，这就是本期的主角：化学反应釜——一个从低压伴随你到毕业的机器。
我们照旧先来看看Wikipedia对于化学反应釜的定义： A chemical reactor is an enclosed volume inwhich a chemical reaction takes place. In chemical engineering, it is generallyunderstood to be a process vessel used to carry out a chemical reaction, whichis one of the classic unit operations in chemical process analysis. The designof a chemical reactor deals with multiple aspects of chemical engineering.Chemical engineers design reactors to maximize net present value for the givenreaction. Designers ensure that the reaction proceeds with the highestefficiency towards the desired output product, producing the highest yield ofproduct while requiring the least amount of money to purchase and operate.Normal operating expenses include energy input, energy removal, raw materialcosts, labor, etc. Energy changes can come in the form of heating or cooling,pumping to increase pressure, frictional pressure loss or agitation. 化学反应釜是一个化学反应在其中发生的密闭的仪器。化工中，化学反应釜常常被理解为一个进行化学反应的处理容器，这是化学过程分析中的经典单元操作之一。化学反应器的设计涉及化学工程的多个方面。化学工程师设计反应器以使给定反应的净现值最大化。设计人员确保反应以最高效率输出所需产品，产生最高产量，同时需要最少的资金购买和操作。正常运行费用包括能量输入，能量消除，原材料成本，劳动力等。能量变化可以以加热或冷却，泵送以增加压力，摩擦压力损失或搅动的形式出现。
实际上，根据我学习工作经历和搜集到的资料来看，大多数规模相当的化学反应釜内部的构造都是大同小异。我放上几张图来帮助大家有个更加直观的认识：
以上图片前三张来自Wikipedia，最后一张来自广州江鹰科技有限公司的树脂反应釜介绍 http://www.qy6.com/qyml/plistshow2105257_p5.html
反应釜的构造大概也就是如图所示：
一个罐子作为主体，这个罐子在小型反应釜中一般采用玻璃材质，中型反应釜和大型反应釜由于玻璃的刚度问题，难以实现成型和保证使用时的稳定，一般采用金属作为釜体，在内衬涂上搪瓷，聚合物或者不发生反应的惰性金属（以钛为代表）涂层，避免金属罐体和其中的化学物质发生反应；
罐子的外层是一个加热用的夹套（当然也有一些反应需要冷介质来保持低温，但是一般而言加热的占绝大多数），这个夹套和我们学习化学时所见过的冷凝管的原理类似，不过冷凝管是用温度低的介质来吸走热量，而夹套则是用高温介质加热物料；加热介质常见的有导热油，也有直接使用高压蒸汽加热的。
搅拌桨起到的是传质，也就是混合物料的作用，让物料浓度在整个反应体系内均匀分布，不至于出现高度的局部过浓，也可以使得反应体系内热交换更加迅速，避免出现局部过热和温度不均等现象。搅拌桨有很多种类型，比较简单常见的有锚式和框式，螺带式，桨式，涡轮式（GT里面的转子和这个比较近似）等等，这些都可以根据反应釜的实际使用需要来选择。
比如粘度较大的就应该选择涡轮式的，因为虽然搅拌效果不能达到较高的水平，但是截面积较小，在搅拌时以倾向于水平剪切方向与流体接触，不会有很大面积的垂直于桨叶平面的受力，所以即使搅拌粘度较大的流体时载荷也不会很大。而且相较于锚式和框式搅拌桨，这种搅拌桨和搅拌器轴体的连接处面积较大，所能够承受的载荷也比较大，因此粘度较大的流体，比如高粘度聚合物的生产过程中就往往倾向于使用这种搅拌桨。（不知道我的表述有没有清楚，如果没有的话请留言给我，我将会尽量做一个图来解释）。
此外，在规模特别大的反应釜中，会采用使用气体进行气流搅拌。
搅拌桨与轴体一般使用销钉，平键结构连接或者是过盈配合，也有直接焊接或者一体铸造成型的，但是这两种方式就不利于检修，更换转子等操作。轴体上方与电机连接，一般而言为了避免轴体和电机的转轴轴线不在一条线上也就是出现偏心，我们会在二者连接处加上一个万向节（这个我尽量去一下工作时候的动图），这样即使二者出现偏心，对于搅拌也不会有太大的影响。
因为搅拌桨产生的流动一般是以层流为主，有的时候为了达到更好的传质效果，会在反应釜壁上加一些挡板，这些挡板会如同大坝一样将层流阻断，并且沿着挡板的方向分流开，被分开后的流动又会和其它层流相互作用而对整体的反应体系产生一定的扰动（试想一下你在脸盆里首先用手搅出一个漩涡，然后待漩涡形成之后把手放进去，这时漩涡的层流就被手给打乱了），这种扰动对于传质是有利的。
以上几个就是反应釜的关键部位了，接下来我们来介绍一些次要的部位：
阀门：反应釜的阀门一般开在釜体正下方，是物料和介质的出口。阀门的种类不限，可以手动开启也可以利用电动，气动来开启。
加料口：加料口一般处于反应釜的侧边或者上部，是物料进入反应釜的通道。为控制加料速度，可以采用各种方法：流量计，阀门，漏斗，料斗等等。
温度计：一般而言反应釜都需要配备温度计，且与加热控制系统形成反馈以达到自动控温的目的。
压力计/压力表：对于反应釜内部压力有较严格要求的情况下，反应釜可以加装压力表或者压力计，并且设置超压自动反馈泄压或者超压报警系统来确保安全。
冷凝管：冷凝管的目的是回收在较高的温度下挥发出去的物料，比如有机溶剂，常见的有苯，甲苯等等。
此外，某些反应釜因为特殊的要求，例如高压，就需要对釜体进行加厚以适应强大的压力，并且对各个出入口进行气密性处理，对于接口进行机械或者填料密封；对于反应中有气体产生的化学反应，反应釜则需要增加专门的排气口；对于需要真空或者需要保护气氛的反应，则应该增加相应的真空泵接口和保护气体输入/输出口。
好啦~让咱们看看化学反应釜的配方是否符合实际吧！
LV和MV的反应釜合成配方需要两个玻璃，一般来说，小型反应釜的釜体材料是玻璃，所以这两个玻璃的存在是没有问题的；HV及以上的反应釜则将两个玻璃替换为了聚乙烯流体管道，并且随着电压等级的增高这个管道也是越来越大，这个我们可以认为是加料通道或者是出料通道，同样在科学性上也没有太大问题。合成配方中的电动马达提供搅拌动力，加上一个转子，这一点算得上比较科学了。线缆和电路板都是标配了，这个不做评价。要我来说，我觉得把转子和马达换个位置会比较好，因为一般的反应釜，电机都是在上部。此外，这个合成表中缺少了加热系统，如果可以把线缆换成4x的加热线圈材料线缆，比如白铜之类的我觉得会更加科学。
化学反应釜能进行的化学反应太多了，我从中挑几个刺儿出来吧： 用钚制造氡气，虽然说原理归结为衰变还说得通，但是你这钚一点也不消耗可以无限循环似乎显得有点不够科学； 用矿物花或者矿物蜂窝配合粉碎矿石反应获得洗净矿石与副产液体，这个其实。。。怎么看都不像一个科学的配方。
机器合成配方科学性：★★★★ 机器处理配方科学性：★★★★ 机器实用性 ：★★★★★
本期皮皮的正经科普就到这结束了，希望大家继续喜欢和支持皮皮
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