精细化工过程与设备教案第三章管式反应器

和检修。
(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
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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。
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(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
(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
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。
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第三章 管式反应器
§ 3.1 概述 一，管式反应器的特点 管式反应器是由多根细管串联或并联而构成的一种反应器，通常管式反应器的
长度和直径之比大于 50-100. 。管式反应器在实际应用中， 多数采用连续操作， 少数 采用半连续操作，使用间隙操作的极为罕见。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。
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
三，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) 套筒转热，如图 3.2 （c）、 3.3 所示反应器可置于套筒内进行换热。
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管径及排列方式，其工艺特性差异较大（见表）。 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。
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。 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。 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。 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。
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
同，有 Φ 27mm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。
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。 § 3.2 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。 § 3.2 管式反应器的结构
（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。 二，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。 (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
§ 3.2 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 ）。 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
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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 。 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。 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： 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
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。
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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。 § 3.3 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。
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。
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