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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。

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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 (a)单程式 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。
图3.2

(b)中心插入管式

(c)夹套式 立管式反应器 图 3

(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Φ 400mm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3.4 U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Φ 27mm和Φ 34mm,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 图3.6 套管式反应器结构 3 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 6

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3.10

SRT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 图3.11 三种SRT炉的反应管排列方式 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)。

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3.12 USC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3.13

LSCC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。裂解过程停留时 间可低于100ms,从而显著提高了反应的选择性。同传 统的管式裂解炉相比, 乙烯相对收率约可提高10%。 USRT炉单台炉的乙烯年产量为50~60kt。此种炉首次应用于日本出光石油 化学公司所属千叶化工厂的年产300kt乙烯的生产装置上。中国兰州石油化学 公司也将采用这种裂解炉生产乙烯。 除了上述几种主要炉型外,工业上曾得到应用的还有日本三菱倒梯台炉 (采用椭圆形裂解反应管)、法国石油研究院(IFP)的梯台炉、美国福斯特-惠 勒梯台炉、多区炉等,但这些炉子现已很少为生产厂采用。

二,应用管式反应器-流化床造粒器生产球粒状 磷酸二铵
目前,国内生产磷铵的技术主要有料浆浓缩一喷浆造粒法、预中和氨 化粒化法。前者的造粒过程主要是在喷浆造粒干燥机中进行,存在占地面 积大、耗能高、返料比大、产品粒度不均匀且球形度也不好的问题。而后 者的造粒过程是在氨化粒化机中进行,存在返料比大、产品粒度不均匀、 氨逸出率较大等缺点,而且造粒物料极易在氨化粒化机内壁粘结,从而影 响生产的连续进行。

二,应用管式反应器-流化床造粒器生产球粒状 磷酸二铵
应用管式反应器一流化床造粒器生产球粒状磷酸二铵的工艺流程图如下:

图3.14应用管式反应器一流化床造粒器生产球粒状磷酸二铵工艺流程 1-引风机;2-储水槽;3-液氨储罐;4-热水储槽;5-离心泵;6-喷头; 7-吸收塔;8-集水槽;9-加热器;l0-液下泵;l1-料浆储罐;l2-流化床; l3-管式反应器;l4-晶种料仓;l5-星形加料器;16-振动出料器; 17-空气压缩机;18-空气加热器

二,应用管式反应器-流化床造粒器生产球粒状 磷酸二铵
湿法磷酸料浆先通过管式反应器与氨反应,再经喷嘴雾化后涂敷于床层流化颗粒表 面。晶种颗粒由晶种料仓下星形加料器加入流化床,流化床出料由振动输送机进行控制。 管式反应器结构如图3.15所示,其主要由反应管、氨分布器和反应器进、出口构成。 氨分布器为?16的不锈钢管,上有9个?1.5的氨气进气孔,分3排均布。管式反应器主体 反应管为?50的不锈钢管,管式反应器料浆人口和反应器出口分别缩径至?l6,便于反应 器前后的连接。反应器出口与一短管以螺纹连接,并把物料出口内径缩至?7

图3.15

管式反应器结构示意图

二,应用管式反应器-流化床造粒器生产球粒状 磷酸二铵
用于料浆法磷铵生产的新型管式反应器具有二大特点: (1)设计结构特殊、性能优异的气氨喷嘴,使氨喷入磷酸后能高度分散,传质面积 特大,极高湍动混合,快速完成氨化反应,喷嘴不易结垢堵塞。 (2)新型管式反应器直径较大,长度较小,这可使喷入的氨即使有少量未完成反应, 也可通过气泡浮升时被吸收,极大地避免了反应管上部壁上的料浆继续氨化、结垢和 堵塞。 研究表明,在新型管式反应器中,反应区基本上集中在喷矩所在的区域,反应器太 长,对增强反应过程并无好处,只能增加堵塞又难于清洗的可能,除非在管式反应器 喷矩之后的区域重新分布气液流体,使其不分层而重新湍动。 生产实践表明,采用新型管式反应器,将中和反应时间缩短到2min以内,由于反应 物在管式反应器中停留时间极短,湿法磷酸中的铁、铝等杂质未能大量生成非水溶性 化合物,因而产品中的P2O5退化较少,故产品中水溶P2O5的含量可以显著提高。另一 方面,也减少了过氨化造成的结垢和堵塞现象。

三,邻硝基氯苯胺化
其反应方程式如下:
CI NO2 + 2NH3 NH2 NO2 + NH4CI

早期人们用高压釜进行生产。开始时收率仅33%。后来加入适量四乙基氯化铵 相转移催化剂,在150℃反应10小时,邻硝基苯胺的收率可达98.2%。 当采用了管式反应器连续法生产后,不仅可以进行自动控制,而且生产能力大 幅度提高。

三,邻硝基氯苯胺化

图3.16 用管式反应器生产邻硝基苯胺的工艺流程图 1-高压计量泵;2-混合器;3-预热器; 4-高压管式反应器;5-减压阀;6-氨蒸发器; 7-脱氨塔;8-脱氨塔釜

三,邻硝基氯苯胺化
图3.16即是用管式反应器生产邻硝基苯胺 的流程图,用高压计量泵分别将已配好的浓氨 水和熔融的邻硝基氯苯按15:1的物质的量之 比连续送入管式反应器中,管式反应器可采用 短路电流或道生油加热,反应物料在管道中呈 湍流状态,控制反应温度在225-230℃,物料 在反应管道中的停留时间约20分钟。通过减压 阀后已降为常压的反应物料,经脱氨装置回收 过量的氨,再经冷却结晶和离心过滤,即得到 成品邻硝基苯胺。

三,邻硝基氯苯胺化
表 两种生产邻硝基苯胺方法的工艺参数对比
反 应 条 件 高压釜法 管式反应器法

氨 水 浓 度 (克/升)

290

300-320

物质的量之比(邻硝基氯苯/氨水)

1:8

1:15

反 应 温 度 (℃)

170-175

230

反 应 压 力 (MPa)

3.5

15

反 应 时 间 (分钟)

420

15-20

反 应 收 率 (%)

98

98

成 品 熔 点 (℃)

69-69.5

69-70

设备生产能力(公斤/升· 小时)

0.012

0.6


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