管式反应器

管式反应器的概述

管式反应器是一种呈管状、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。

管式反应器的特点

1、反应物的分子在反应器内停留时间相等，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、管式反应器的单位反应器体积具有较大的换热面，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返混小，反应速度快，流速快，所以它的生产率高。

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于理想置换流。

6、反应器内各处的浓度未必相等，反应速率随空间位置而变化；

7、由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。

8、理想管式反应器的反应结果唯一地由化学反应动力学所确定。

9、结构简单紧凑，强度高，抗腐蚀强，抗冲击性能好，使用寿命长，便于检修。

管式反应器的分类

管式反应器按结构可分为：直管式、U型管式、盘管式和多管式

1、直管式：结构简单，处理量小，可用作多管式反应器的实验装置

2、U型管式：

3、盘管式

4、多管式：

多管式反应器按管道的连接方式的不同，把管式反应器分为多管串联管式反应器和多管并联管式反应器。

管式反应器由哪些结构组成

由直管，弯管，密封环，法兰及紧固件，温差补偿器，传热夹套及连接管和机架等组成。

管式法制备HDPE

此法采用管式反应器。原料乙烯(纯度99.9%以上）和氧（做引发剂）压缩至200~300MPa以上进入反应器。物料在反应器内停留时间约为30~50秒，反应温度一般在473~573k，单程转化率为20%~30%。反应器的直径约为0.03~0.05m。长/径比约为250~40000.目前大型的管式反应器直径已达0.05m以上，管长达到1300m以上。为了降低壁量，提高传热效率，防止局部过热，实际生产中采取以下各种措施。

（1）为适应高温高压操作，反应管的壁很厚，是传热阻力增加。为了提高传热效率，应使物料维持很高的流速，一般可达到每秒十几米。另一方面提高流速可使物料在管中的流速分布趋于平坦，流型更接近与平推流。因而使径向浓度与温度分布更趋均匀，粘璧物减少，产品质量提高。

（2）当操作运行时，为了尽可能降低粘壁物，可采用压力脉冲反应器，即使管内压力周期性的突然下降7-10MPa,然后再逐渐回复到原来的压力。当压力脉冲在管内传递时，引起流速突然增大，因而能将黏附于壁上的积存物冲刷下来，从而减少热阻，改善传热性能。

（3）为了防止转化率太高而导致高温，引起乙烯分解。可在反应管不同的部分

补加乙烯和氧。补加的物料必须迅速与管内流体混合，因为聚合反应在数秒钟内完成，浓度分布的不均匀将会造成局部过热，分段引入反应物料也可使各段维持高的反应速率。

（4）管式反应器依靠夹套来传递热量，由于物料的黏度受温度的影响很大，故冷却剂的温度不能太低，以防因冷却剂温度过低而使管壁处物料黏度变大，粘壁量增加而造成传热恶化。

管式法高压聚乙烯生产技术

1933年(英)ICI公司超高压反应研究组在高温高压下制得白色蜡状聚乙烯，并将其应用作为高频绝缘材料，在1939年建成loot/a中试装置，实现了高压法工业生产聚乙烯。1942年出现了高压釜式法生产聚乙烯1943美国DuPon公司和UCC公开发了管式反应器法。

图为管式法高压聚乙烯生产工艺示意。乙烯与低压循环气在前段涡轮压缩机压缩至25-30MPa，再经后段往复超高压压缩机压缩至反应压力(250-320MPa)，并预热至150-200'C后送入管式反应器。在此状态下，乙烯的密度约0.50g/cm3后段压缩机的生产能已为35t/h，目前已大型化达到70t/h。

管式反应器长径此为10000-100000。乙烯在管中流速为8-30m/s，停留时间为0.5至数分钟。以空气、氧气或有机过氧化物为引发剂(催化剂)。聚合反应产生的热量可使最高温度达到330'C,经反应器冷却段冷后再添加引发剂聚合。在反复放热一冷却后，抽出反应产物在高压分离器中分离出聚合物和未反应的乙烯。聚合物经后处理即成产品。目前，乙烯单程转化率已从初期的8-15%提高到24-30%。当采用25.4mm反应管径时，生产能力可以达到10-20kt/a。

至今为止，各种管式法工艺的基本流程大体上与上述工艺相同。然而，由于采用了不同的聚合反应器的进料点，分子童调节剂、引发剂及其不同的注入部泣，以及由于助剂注入方法、产品的处理、返回乙烯的量和送出部位的不同，也就形成了各种不同特点的工艺。

参考文献：

邹胜欧.管式法高压聚乙烯生产技术，广东化工，1994.（3）.

张岩.高压聚乙烯装置分解反应产生的原因及措施[J].工业技术.齐鲁石油化工,2001,(2):128～130.

LDPE管式反应器内超温分解原因及对策，合成树脂及塑料，2014，31（2）：58 高聚物合成工艺学，华东理工大学，赵德仁，214~221

聚合反应工程基础，浙江大学，史子瑾，215~223

陈炳和，许宁编：化工反应过程与设备——反应器选择、设计和操作，北京化学工业出版社，2009年7月版