管式反应器

•管式反应器管式反应器•管式反应器的特点•管式反应器的分类•管式反应器的加热或冷却可采用各种方式•管式反应器的结构•管式反应器举例管式反应器的概念管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流.管式反应器与釜式反应器的差异•一般的说，管式反应器属于平推流反应器，釜式反应器属于全混流反应器，管式反应器的停留时间一般要短一些，而釜式反应器的停留时间一般要长一些，从移走反应热来说，管式反应器要难一些，而釜式反应器容易一些，可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决，有时可以考虑管式加釜的混合反应进行，即釜式反应器底部出口物料通过外循环进入管式反应器再返回到釜式反应器，可以在管式反应器后设置外循环冷却器来控制温度，反应原料从管式反应器的进口或外循环泵的进口进入，反应完成后的物料从釜式反应器的上部溢流出来，这样两种反应器都用了进去。管式反应器的特点管式反应器有以下几个特点。（1）由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。（2）管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。（3）由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。（4）管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。（5）和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。（6）管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。用于加压反应尤为合适。•此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。管式反应器的分类管式反应器是应用较多的一种连续操作反应器，常用的管式反应器有以下几种类型：(1)水平管式反应器图3.1给出的是进行气相或均液相反应常用的一种管式反应器，由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。图3.1水平管式反应器(2)立管式反应器图3.2给出几种立管式反应器。图3.2（a）为单程式立管式反应器，图3.2（b）为带中心插入管的立管式反应器。有时也将一束立管安装在一个加热套筒内，以节省安装面积，如图3.2（c）所示。立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。（a）单程式（b）中心插入管式（c）夹套式图3.2立管式反应器图3.2立管式反应器(3)盘管式反应器将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。图3.3所示的反应器由许多水平盘管上下重叠串联组成。每一个盘管是由许多半径不同的半圆形管子相连接成螺旋形式，螺旋中央留出Φ400mm的空间，便于安装和检修。图3.3盘管式反应器(4)U形管式反应器U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。例如带多孔挡板的U形管式反应器，被应用于己内酰胺的聚合反应。带搅拌装置的U形管式反应器适用于非均液相物料或液固相悬浮物料，如甲苯的连续硝化、蒽醌的连续磺化等反应。图3.4是一种内部设有搅拌和电阻加热装置的U形管式反应器图3.4U形管式反应器（５）多管并联管式反应器多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯，气相氮和氢混合物在多管并联装有固相铁催化剂的反应器中合成氨。管式反应器的加热或冷却可采用各种方式(1)套管或夹套传热，如图3.1、3.2（a）、3.2（b）等所示的反应器，均可用套管或夹套传热结构。(2)套筒传热，如图3.2（c）、3.3所示反应器可置于套筒内进行换热。(3)短路电流加热，将低电压、大电流的电源直接通到管壁上，使电能转变为热能。这种加热方法升温快、加热温度高、便于实现遥控和自控。短路电流加热以应用于邻硝基氯苯的氨化和乙酸热裂解制乙烯酮等管式反应器的反应上。(4)烟道气加热，利用气体或液体燃料燃烧产生的烟道气辐射直接加热管式反应器，可达数百度的高温，此法在石油化工中应用较多。图3.5表示一种采用烟道气加热的圆筒式管子炉。管式反应器可用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高压聚合、对苯二甲酸酯化、邻硝基氯苯氨化制邻硝基苯氨、氯乙醇氨化制乙醇胺、椰子油加氢制脂肪醇、石蜡氧化制脂肪酸、单体聚合以及某些固相缩合反应均已采用管式反应器进行工业化生产。图3.5圆筒式管子炉管式反应器的结构它包括直管、弯管、密封环、法兰及紧固件、温度补偿器、传热夹套及联络管和机架等几部分。一，直管直管的结构如图3.7所示。内管长8米，根据反应段的不同，内管内径通常也不同，有Φ27mm和Φ34mm，夹套管用焊接形式与内管固定。夹套管上对称地安装一对不锈钢Ω形补偿器，以消除开停车时内外管线膨胀系数不同而附加在焊缝上的拉应力。反应器预热段夹套管内通蒸汽加热进行反应，反应段和冷却段通热水移去反应热或冷却。所以在夹套管两端开了孔，并装有连接法兰，以便和相邻夹套管相连通。为安装方便，在整管中间部位装有支座。图3.7直管管式反应器的结构二，弯管弯管结构与直管基本相同（见图3.8）。弯头半径R≥5D（1±4%）。弯管在机架上的安装方法允许其有足够的伸缩量，故不再另加补偿器。内管总长（包括弯头弧长）也是8米。图3.8弯管管式反应器的结构三，密封环套管式反应器的密封环为透镜环。透镜环有两种形状。一种是圆柱形的，另一种是带接管的T形透镜环，如图3.9.圆柱形透镜环用反应器内管同一材质制成。带接管的T形透镜环是安装测温、测压元件用的。图3.9带接管的T形透镜环管式反应器的结构四，管件反应器的连接必须按规定的紧固力矩进行。所以对法兰、螺柱和螺母都有一定要求。五，机架反应器机架用桥梁钢焊接成整体。地脚螺栓安放在基础桩的柱头上，安装管子支架部位装有托架。管子用抱箍与托架固定。管式反应器的结构下面以套管式反应器为例介绍管式反应器具体结构。套管式反应器由长径比很大（L/D=20～25）的细长管和密封环通过连接件的紧固串联安放在机架上面组成（见图3.6）。图3.6套管式反应器结构直管；2-弯管；3-法兰；4-带接管的T形透镜环；5-螺母；6-弹性螺柱；7-圆柱形透镜环；8-联络管；9-支架（抱箍）；10-支架；11-补偿器；12-机架图3.6套管式反应器结构1-直管；2-弯管；3-法兰；4-带接管的T形透镜环；5-螺母；6-弹性螺柱；7-圆柱形透镜环；8-联络管；9-支架（抱箍）；10-支架；11-补偿器；12-机架管式反应器的结构管式反应器的结构管式反应器的结构管式反应器的结构管式反应器的结构管式反应器举例一，管式裂解炉用于烃类裂解制乙烯及其相关产品的一种生产设备，为目前世界上大型石油化工厂所普遍采用。管式反应器举例图3.10大型石油化工厂管式裂解炉管式反应器举例管式裂解炉通常由对流室和辐射室两部分组成。一般是两台炉子对称组合成门字形结构，采用自然或强制排烟系统。SRT炉是最典型的一种管式裂解炉（图3.11）。辐射室由耐火砖（里层）、隔热砖(外层)砌成。新型炉也有的使用可塑耐火水泥作为耐火材料。裂解炉管悬吊在辐射室中央。这是管式裂解炉的核心部分，裂解反应管的结构及尺寸随炉型而变。炉膛的侧壁和底部安装有燃烧器以加热反应管。裂解产物离开反应管后立即进入急冷锅炉骤冷，以中止反应。管总长45～60m。管径为6～15cm，急冷锅炉随裂解炉型而有所不同。对流室内设有水平放置的数组换热管以预热原料、工艺稀释用蒸汽、急冷锅炉进水以及过热高压蒸汽等。图3.10SRT管式裂解炉结构示意图一，管式裂解炉反应管材料一般采用含镍35％、铬25％的HP-40合金钢，作为裂解反应管材料，可耐1100℃高温。反应管管径为2～7in（1in等于2.54cm），用离心浇铸法制成。内部经机械加工平整以减少反应过程的结焦。炉型目前国际上应用较广的管式裂解炉有短停留时间炉、超选择性炉、林德-西拉斯炉、超短停留时间炉。从而实现了0.3s以下的短停留时间。一，管式裂解炉短停留时间炉是鲁姆斯公司在60和70年代开发的炉型（SRT），有三种:即SRT-Ⅰ、SRT-1Ⅱ及SRT-Ⅲ型（图3.11），炉管比表面较大，其中SRT-Ⅱ又可分为高选择性(HS)和高生产能力(HC)两种。SRT-Ⅰ型由等径管组成；SRT-Ⅱ及SRT-Ⅲ则为前细后粗的变径管，四股平行进料以强化前期加热，缩短停留时间和后期降低烃分压，从而提高选择性。按照生产能力的要求，每台炉可装16、24或32个管组，增加乙烯产率。裂解产物离开反应管后迅速进入一种专用急冷锅炉(USX)，由于三种反应管采用了不同的管径及排列方式，其工艺特性差异较大（见表）。图3.11三种SRT炉的反应管排列方式一，管式裂解炉SRT型炉是目前世界上大型乙烯装置中应用最多的炉型。中国的燕山石油化工公司，扬子石油化工公司和齐鲁石油化工公司的300kt乙烯生产装置均采用此种裂解炉。一，管式裂解炉超选择性裂解炉简称USC炉。每组四根管，它是美国斯通－韦伯斯特公司在70年代开发的一种炉型，炉子的基本结构与SRT炉大体相同，但反应管由多组W型变径管组成（图3.12），每组四根管，前两根材质为HK-40，后两根为HP-40，全部离心浇铸和内部机械加工平整，管径由小到大，一般为50～83mm，长为10～20m。按照生产能力的要求，每台炉可装16、24或32个管组，裂解产物离开反应管后迅速进入一种专用急冷锅炉(USX)，每两组反应管配备一个急冷锅炉。图3.12USC炉反应管一，管式裂解炉USC炉的主要技术特性为:①采用多组小口径管并双面辐射加热，炉管比表面较大。加热均匀且热强度高，从而实现了0.3s以下的短停留时间。②采用变径管以降低过程的烃分压。短的停留时间和低的烃分压使裂解反应具有良好的选择性。USC炉单台炉子乙烯年生产能力可达40kt。中国大庆石油化工总厂以及世界上很多石油化工厂都采用它来生产乙烯及其相关产品。一，管式裂解炉林德－西拉斯裂解炉简称LSCC炉。是林德公司和西拉斯公司在70年代初合作研制而成的一种炉型。炉子的基本结构与SRT炉相似。可耐1050℃高温。炉膛中央吊装构形特殊的反应管（图3.13），一般采用主要成分为含镍20％、铬25％的HK-40合金钢作为裂解反应管材料，每组反应管是由12根小口径管（前8根组成4对平列管，后4根组成两对平列管）以及4根中口径管（由4根管组成两对平列管）和一根大口径管组成，管径为6～15cm，管总长45～60m。裂解产物离开反应管后立即进入急冷锅炉骤冷。急冷锅炉随裂解炉型而有所不同。图3.13LSCC炉反应管排列方式一，管式裂解炉LSCC炉反应器的特点是原料入口处为小口径管双排双面辐射加热，物料能迅速升温，缩短停留时间，后继的反应管则为单排双面辐射，管径采取逐管增大方式以达到降低烃分压的目的。物料在反应管中的停留时间为0.2～0.4s。短停留时间和低烃分压使裂解反应具有较高的选择性，乙烯产率高。LSCC裂解炉在工业上得到一定的应用，单台炉的乙烯年产量可达70kt。一，管式裂解炉超短停留时间裂解炉简称USRT炉，或称毫秒裂解炉。是美国凯洛格公司和日本出光石油化学公司在70年代末共同开发成功的新型管式裂解炉。炉子由十多根直径约为2.54cm,长约10m的单根直管并联组成。反应管吊在辐射室中央，由底部烧嘴进行双面辐射加热。物料由下部进入上部离开并迅速进入专用的USX型急冷锅炉,每两根反应管合用一个USX，多个USX合接一个二次急冷锅炉。裂解过程