管式反應器課件

管式反應器管式反應器1管式反應器管式反應器的特點管式反應器的分類管式反應器的加熱或冷卻可采用各種方式管式反應器的結構管式反應器舉例管式反應器管式反應器的特點2管式反應器的概念管式反應器一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應器。這種反應器可以很長，如丙烯二聚的反應器管長以公里計。反應器的結構可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。通常，反應物流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于50；填充段長與粒徑之比大于100(氣體)或200（液體），物料的流動可近似地視為平推流.管式反應器的概念管式反應器一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)3管式反應器與釜式反應器的差異一般的說，管式反應器屬于平推流反應器，釜式反應器屬于全混流反應器，管式反應器的停留時間一般要短一些，而釜式反應器的停留時間一般要長一些，從移走反應熱來說，管式反應器要難一些，而釜式反應器容易一些，可以在釜外設夾套或釜內(nèi)設盤管解決，有時可以考慮管式加釜的混合反應進行，即釜式反應器底部出口物料通過外循環(huán)進入管式反應器再返回到釜式反應器，可以在管式反應器后設置外循環(huán)冷卻器來控制溫度，反應原料從管式反應器的進口或外循環(huán)泵的進口進入，反應完成后的物料從釜式反應器的上部溢流出來，這樣兩種反應器都用了進去。管式反應器與釜式反應器的差異一般的說，管式反應器屬于平推流反4管式反應器的特點

管式反應器有以下幾個特點。

（1）由于反應物的分子在反應器內(nèi)停留時間相等，所以在反應器內(nèi)任何一點上的反應物濃度和化學反應速度都不隨時間而變化，只隨管長變化。（2）管式反應器具有容積小、比表面大、單位容積的傳熱面積大，特別適用于熱效應較大的反應。（3）由于反應物在管式反應器中反應速度快、流速快，所以它的生產(chǎn)能力高。（4）管式反應器適用于大型化和連續(xù)化的化工生產(chǎn)。（5）和釜式反應器相比較，其返混較小，在流速較低的情況下，其管內(nèi)流體流型接近與理想流體。（6）管式反應器既適用于液相反應，又適用于氣相反應。用于加壓反應尤為合適。此外，管式反應器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點是，反應速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。管式反應器的特點管式反應器有以下幾個特點。5

管式反應器的分類

管式反應器是應用較多的一種連續(xù)操作反應器，常用的管式反應器有以下幾種類型：

(1)水平管式反應器圖3.1給出的是進行氣相或均液相反應常用的一種管式反應器，由無縫鋼管與U形管連接而成。這種結構易于加工制造和檢修。高壓反應管道的連接采用標準槽對焊鋼法蘭，可承受1600-10000kPa壓力。如用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達10000-20000kPa。

圖3.1水平管式反應器

管式反應器的分類

管式反應器是應用較多的一種連續(xù)操作6(2)立管式反應器

圖3.2給出幾種立管式反應器。圖3.2（a）為單程式立管式反應器，圖3.2（b）為帶中心插入管的立管式反應器。有時也將一束立管安裝在一個加熱套筒內(nèi)，以節(jié)省安裝面積，如圖3.2（c）所示。立管式反應器被應用于液相氨化反應、液相加氫反應、液相氧化反應等工藝中。（a）單程式

（b）中心插入管式

（c）夾套式圖3.2立管式反應器

圖3.2立管式反應器(2)立管式反應器（a）單程式7

(3)盤管式反應器將管式反應器做成盤管的形式，設備緊湊，節(jié)省空間。但檢修和清刷管道比較困難。圖3.3所示的反應器由許多水平盤管上下重疊串聯(lián)組成。每一個盤管是由許多半徑不同的半圓形管子相連接成螺旋形式，螺旋中央留出Φ400mm的空間，便于安裝和檢修。

圖3.3盤管式反應器

(3)盤管式反應器圖3.3盤管式反應器8

(4)U形管式反應器

U形管式反應器的管內(nèi)設有多孔擋板或攪拌裝置，以強化傳熱與傳質(zhì)過程。U形管的直徑大，物料停留時間增長，可應用于反應速率較慢的反應。例如帶多孔擋板的U形管式反應器，被應用于己內(nèi)酰胺的聚合反應。帶攪拌裝置的U形管式反應器適用于非均液相物料或液固相懸浮物料，如甲苯的連續(xù)硝化、蒽醌的連續(xù)磺化等反應。圖3.4是一種內(nèi)部設有攪拌和電阻加熱裝置的U形管式反應器圖3.4U形管式反應器

(4)U形管式反應器

圖3.4U形管式反應器9（５）多管并聯(lián)管式反應器多管并聯(lián)結構的管式反應器一般用于氣固相反應，例如氣相氯化氫和乙炔在多管并聯(lián)裝有固相催化劑的

反應器中反應制氯乙烯，氣相氮和氫混合物在多管并聯(lián)裝有固相鐵催化劑的反應器中合成氨。

（５）多管并聯(lián)管式反應器多管并聯(lián)結構的管式反應器一般用于氣固10管式反應器ppt課件11管式反應器的加熱或冷卻可采用各種方式

(1)套管或夾套傳熱，如圖3.1、3.2（a）、3.2（b）等所示的反應器，均可用套管或夾套傳熱結構。(2)套筒傳熱，如圖3.2（c）、3.3所示反應器可置于套筒內(nèi)進行換熱。(3)短路電流加熱，將低電壓、大電流的電源直接通到管壁上，使電能轉變?yōu)闊崮堋＿@種加熱方法升溫快、加熱溫度高、便于實現(xiàn)遙控和自控。短路電流加熱以應用于鄰硝基氯苯的氨化和乙酸熱裂解制乙烯酮等管式反應器的反應上。管式反應器的加熱或冷卻可采用各種方式12

(4)煙道氣加熱，利用氣體或液體燃料燃燒產(chǎn)生的煙道氣輻射直接加熱管式反應器，可達數(shù)百度的高溫，此法在石油化工中應用較多。圖3.5表示一種采用煙道氣加熱的圓筒式管子爐。

管式反應器可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應。例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高壓聚合、對苯二甲酸酯化、鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨、氯乙醇氨化制乙醇胺、椰子油加氫制脂肪醇、石蠟氧化制脂肪酸、單體聚合以及某些固相縮合反應均已采用管式反應器進行工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3.5圓筒式管子爐

13管式反應器的結構

它包括直管、彎管、密封環(huán)、法蘭及緊固件、溫度補償器、傳熱夾套及聯(lián)絡管和機架等幾部分。一，直管直管的結構如圖3.7所示。內(nèi)管長8米，根據(jù)反應段的不同，內(nèi)管內(nèi)徑通常也不同，有Φ27mm和Φ34mm，夾套管用焊接形式與內(nèi)管固定。夾套管上對稱地安裝一對不銹鋼Ω形補償器，以消除開停車時內(nèi)外管線膨脹系數(shù)不同而附加在焊縫上的拉應力。反應器預熱段夾套管內(nèi)通蒸汽加熱進行反應，反應段和冷卻段通熱水移去反應熱或冷卻。所以在夾套管兩端開了孔，并裝有連接法蘭，以便和相鄰夾套管相連通。為安裝方便，在整管中間部位裝有支座。圖3.7直管管式反應器的結構它包括直管、彎管、密封環(huán)、法蘭及14管式反應器的結構

二，彎管彎管結構與直管基本相同（見圖3.8）。彎頭半徑R≥5D（1±4%）。彎管在機架上的安裝方法允許其有足夠的伸縮量，故不再另加補償器。內(nèi)管總長（包括彎頭弧長）也是8米。

圖3.8彎管

管式反應器的結構二，彎管圖3.8彎管15管式反應器的結構

三，密封環(huán)套管式反應器的密封環(huán)為透鏡環(huán)。透鏡環(huán)有兩種形狀。一種是圓柱形的，另一種是帶接管的T形透鏡環(huán)，如圖3.9.圓柱形透鏡環(huán)用反應器內(nèi)管同一材質(zhì)制成。帶接管的T形透鏡環(huán)是安裝測溫、測壓元件用的。

圖3.9帶接管的T形透鏡環(huán)管式反應器的結構三，密封環(huán)圖3.9帶接管的T16管式反應器的結構

四，管件反應器的連接必須按規(guī)定的緊固力矩進行。所以對法蘭、螺柱和螺母都有一定要求。五，機架反應器機架用橋梁鋼焊接成整體。地腳螺栓安放在基礎樁的柱頭上，安裝管子支架部位裝有托架。管子用抱箍與托架固定。管式反應器的結構四，管件17管式反應器的結構

下面以套管式反應器為例介紹管式反應器具體結構。套管式反應器由長徑比很大（L/D=20～25）的細長管和密封環(huán)通過連接件的緊固串聯(lián)安放在機架上面組成（見圖3.6）。

圖3.6套管式反應器結構直管；2-彎管；3-法蘭；4-帶接管的T形透鏡環(huán)；5-螺母；6-彈性螺柱；7-圓柱形透鏡環(huán)；8-聯(lián)絡管；9-支架（抱箍）；10-支架；11-補償器；12-機架

圖3.6套管式反應器結構1-直管；2-彎管；3-法蘭；4-帶接管的T形透鏡環(huán)；5-螺母；6-彈性螺柱；7-圓柱形透鏡環(huán)；8-聯(lián)絡管；9-支架（抱箍）；10-支架；11-補償器；12-機架管式反應器的結構下面以套管式反應18管式反應器的結構管式反應器的結構19管式反應器的結構管式反應器的結構20管式反應器的結構管式反應器的結構21管式反應器的結構管式反應器的結構22管式反應器的結構管式反應器的結構23管式反應器舉例

一，管式裂解爐用于烴類裂解制乙烯及其相關產(chǎn)品的一種生產(chǎn)設備，為目前世界上大型石油化工廠所普遍采用。管式反應器舉例一，管式裂解爐24管式反應器舉例

圖3.10大型石油化工廠管式裂解爐管式反應器舉例圖3.10大型石油化工25管式反應器舉例

管式裂解爐通常由對流室和輻射室兩部分組成。一般是兩臺爐子對稱組合成門字形結構，采用自然或強制排煙系統(tǒng)。SRT爐是最典型的一種管式裂解爐（圖3.11）。輻射室由耐火磚（里層）、隔熱磚(外層)砌成。新型爐也有的使用可塑耐火水泥作為耐火材料。裂解爐管懸吊在輻射室中央。這是管式裂解爐的核心部分，裂解反應管的結構及尺寸隨爐型而變。爐膛的側壁和底部安裝有燃燒器以加熱反應管。裂解產(chǎn)物離開反應管后立即進入急冷鍋爐驟冷，以中止反應。管總長45～60m。管徑為6～15cm，急冷鍋爐隨裂解爐型而有所不同。對流室內(nèi)設有水平放置的數(shù)組換熱管以預熱原料、工藝稀釋用蒸汽、急冷鍋爐進水以及過熱高壓蒸汽等。圖3.10SRT管式裂解爐結構示意圖

管式反應器舉例管式裂解爐通26一，管式裂解爐

反應管材料一般采用含鎳35％、鉻25％的HP-40合金鋼，作為裂解反應管材料，可耐1100℃高溫。反應管管徑為2～7in（1in等于2.54cm），用離心澆鑄法制成。內(nèi)部經(jīng)機械加工平整以減少反應過程的結焦。爐型

目前國際上應用較廣的管式裂解爐有短停留時間爐、超選擇性爐、林德-西拉斯爐、超短停留時間爐。從而實現(xiàn)了0.3s以下的短停留時間。

一，管式裂解爐反應管材料一般采用含鎳3527一，管式裂解爐

短停留時間爐

是魯姆斯公司在60和70年代開發(fā)的爐型（SRT），有三種:即SRT-Ⅰ、SRT-1Ⅱ及SRT-Ⅲ型（圖3.11），爐管比表面較大，其中SRT-Ⅱ又可分為高選擇性(HS)和高生產(chǎn)能力(HC)兩種。SRT-Ⅰ型由等徑管組成；SRT-Ⅱ及SRT-Ⅲ則為前細后粗的變徑管，四股平行進料以強化前期加熱，縮短停留時間和后期降低烴分壓，從而提高選擇性。按照生產(chǎn)能力的要求，每臺爐可裝16、24或32個管組，增加乙烯產(chǎn)率。裂解產(chǎn)物離開反應管后迅速進入一種專用急冷鍋爐(USX)，由于三種反應管采用了不同的管徑及排列方式，其工藝特性差異較大（見表）。圖3.11三種SRT爐的反應管排列方式一，管式裂解爐短停留時間爐

圖3.1128一，管式裂解爐

SRT型爐是目前世界上大型乙烯裝置中應用最多的爐型。中國的燕山石油化工公司，揚子石油化工公司和齊魯石油化工公司的300kt乙烯生產(chǎn)裝置均采用此種裂解爐。一，管式裂解爐29一，管式裂解爐

超選擇性裂解爐

簡稱USC爐。每組四根管，它是美國斯通－韋伯斯特公司在70年代開發(fā)的一種爐型，爐子的基本結構與SRT爐大體相同，但反應管由多組W型變徑管組成（圖3.12），每組四根管，前兩根材質(zhì)為HK-40，后兩根為HP-40，全部離心澆鑄和內(nèi)部機械加工平整，管徑由小到大，一般為50～83mm，長為10～20m。按照生產(chǎn)能力的要求，每臺爐可裝16、24或32個管組，裂解產(chǎn)物離開反應管后迅速進入一種專用急冷鍋爐(USX)，每兩組反應管配備一個急冷鍋爐。

圖3.12USC爐反應管一，管式裂解爐超選擇性裂解爐

30一，管式裂解爐

USC爐的主要技術特性為:①采用多組小口徑管并雙面輻射加熱，爐管比表面較大。加熱均勻且熱強度高，從而實現(xiàn)了0.3s以下的短停留時間。②采用變徑管以降低過程的烴分壓。短的停留時間和低的烴分壓使裂解反應具有良好的選擇性。

USC爐單臺爐子乙烯年生產(chǎn)能力可達40kt。中國大慶石油化工總廠以及世界上很多石油化工廠都采用它來生產(chǎn)乙烯及其相關產(chǎn)品。

一，管式裂解爐USC爐的主要技術特性為:①31一，管式裂解爐

林德－西拉斯裂解爐

簡稱LSCC爐。是林德公司和西拉斯公司在70年代初合作研制而成的一種爐型。爐子的基本結構與SRT爐相似。可耐1050℃高溫。爐膛中央吊裝構形特殊的反應管（圖3.13），一般采用主要成分為含鎳20％、鉻25％的HK-40合金鋼作為裂解反應管材料，每組反應管是由12根小口徑管（前8根組成4對平列管，后4根組成兩對平列管）以及4根中口徑管（由4根管組成兩對平列管）和一根大口徑管組成，管徑為6～15cm，管總長45～60m。裂解產(chǎn)物離開反應管后立即進入急冷鍋爐驟冷。急冷鍋爐隨裂解爐型而有所不同。圖3.13LSCC爐反應管排列方式一，管式裂解爐林德－西拉斯32一，管式裂解爐

LSCC爐反應器的特點是原料入口處為小口徑管雙排雙面輻射加熱，物料能迅速升溫，縮短停留時間，后繼的反應管則為單排雙面輻射，管徑采取逐管增大方式以達到降低烴分壓的目的。物料在反應管中的停留時間為0.2～0.4s。短停留時間和低烴分壓使裂解反應具有較高的選擇性，乙烯產(chǎn)率高。

LSCC裂解爐在工業(yè)上得到一定的應用，單臺爐的乙烯年產(chǎn)量可達70kt。一，管式裂解爐LSCC爐反應器的特點是原33一，管式裂解爐

超短停留時間裂解爐

簡稱USRT爐，或稱毫秒裂解爐。是美國凱洛格公司和日本出光石油化學公司在70年代末共同開發(fā)成功的新型管式裂解爐。爐子由十多根直徑約為2.54cm,長約10m的單根直管并聯(lián)組成。反應管吊在輻射室中央，由底部燒嘴進行雙面輻射加熱。物料由下部進入上部離開并迅速進入專用的USX型急冷鍋爐,每兩根反應管合用一個USX，多個USX合接一個二次急冷鍋爐。裂解過程停留時間可低于100ms,從而顯著提高了反應的選擇性。同傳統(tǒng)的管式裂解爐相比，乙烯相對收率約可提高10％。

USRT爐單臺爐的乙烯年產(chǎn)量為50～60kt。此種爐首次應用于日本出光石油化學公司所屬千葉化工廠的年產(chǎn)300kt乙烯的生產(chǎn)裝置上。中國蘭州石油化學公司也將采用這種裂解爐生產(chǎn)乙烯。

除了上述幾種主要爐型外，工業(yè)上曾得到應用的還有日本三菱倒梯臺爐（采用橢圓形裂解反應管）、法國石油研究院(IFP)的梯臺爐、美國福斯特-惠勒梯臺爐、多區(qū)爐等，但這些爐子現(xiàn)已很少為生產(chǎn)廠采用。一，管式裂解爐超短停留時間裂解爐

34二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨

目前，國內(nèi)生產(chǎn)磷銨的技術主要有料漿濃縮一噴漿造粒法、預中和氨化?；?。前者的造粒過程主要是在噴漿造粒干燥機中進行，存在占地面積大、耗能高、返料比大、產(chǎn)品粒度不均勻且球形度也不好的問題。而后者的造粒過程是在氨化?；瘷C中進行，存在返料比大、產(chǎn)品粒度不均勻、氨逸出率較大等缺點，而且造粒物料極易在氨化?；瘷C內(nèi)壁粘結，從而影響生產(chǎn)的連續(xù)進行。

二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨35二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨

應用管式反應器一流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨的工藝流程圖如下：

圖3.14應用管式反應器一流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨工藝流程1-引風機；2-儲水槽；3-液氨儲罐；4-熱水儲槽；5-離心泵；6-噴頭；7-吸收塔；8-集水槽；9-加熱器；l0-液下泵；l1-料漿儲罐；l2-流化床；l3-管式反應器；l4-晶種料倉；l5-星形加料器；16-振動出料器；17-空氣壓縮機；18-空氣加熱器二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨36二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨

濕法磷酸料漿先通過管式反應器與氨反應，再經(jīng)噴嘴霧化后涂敷于床層流化顆粒表面。晶種顆粒由晶種料倉下星形加料器加入流化床，流化床出料由振動輸送機進行控制。管式反應器結構如圖3.15所示，其主要由反應管、氨分布器和反應器進、出口構成。氨分布器為?16的不銹鋼管，上有9個?1.5的氨氣進氣孔，分3排均布。管式反應器主體反應管為?50的不銹鋼管，管式反應器料漿人口和反應器出口分別縮徑至?l6，便于反應器前后的連接。反應器出口與一短管以螺紋連接，并把物料出口內(nèi)徑縮至?7

圖3.15管式反應器結構示意圖二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨37二，應用管式反應器-流化床造粒器生產(chǎn)球粒狀磷酸二銨

用于料漿法磷銨生產(chǎn)的新型管式反應器具有二大特點：（1）設計結構特殊、性能優(yōu)異的氣氨噴嘴，使氨噴入磷酸后能高度分散，傳質(zhì)面積特大，極高湍動混合，快速完成氨化反應，噴嘴不易結垢堵塞。（2）新型管式反應器直徑較大，長度較小，這可使噴入的氨即使有少量未完成反應，也可通過氣泡浮升時被吸收，極大地避免了反應管上部壁上的料漿繼續(xù)氨化、結垢和堵塞。研究表明，在新型管式反應器中，反應區(qū)基本上集中在噴矩所在的區(qū)域，反應器太長，對增強反應過程并無好處，只能增加堵塞又難于清洗的可能，除非在管式反應器噴矩之后的區(qū)域重新分布氣液流體，使其不分層而重新湍動。生產(chǎn)實踐表明，采用新型管式反應器，將中和反應時間縮短到2min以內(nèi)，由于反應物在管式反應器中停留時間極短，濕法磷酸中的鐵、鋁等雜質(zhì)未能大量生成非水溶性化合物，因而產(chǎn)品中的P2O5退化較少，故產(chǎn)品中水溶P2O5的含量可以顯著提高。另一方面，也減少了過氨化造成的結垢和堵塞現(xiàn)象。二，應用管式反應器-流化床造粒器