4 管式反应器
管式反应器.
流程说明
一、 来自界区的烯烃在液位控制下进入D201 烯烃原料罐，经烯烃回收单元回收的烯烃也 送入D201，混合后的烯烃经进料泵 P200A/B 送进反应器系统。
二、来自界区的催化剂在流量控制下，进入 第一个环管反应器 R201。来自界区的氢气在 流量控制下，分两路分别进入R201和R202。
三、两个环管反应器内浆液的温度是通过 其反应器夹套中闭路循环的脱盐水系统 来控制的。
管式反应器传热方式
烟道气加热： 当反应的温度要求较高时，一般利用煤气， 天然气，石油加工废气或燃料油等燃烧 时产生的高温烟道气作为热源通过辐射 传热直接：聚丙烯的生产 环管聚丙烯通过催化剂的引发，在一 定温度和压力下烯烃单体聚合成聚烯烃， 聚合后的浆液经蒸汽加热后，高压闪蒸， 分离出的烯烃经烯烃回收系统回收循环 使用，聚合物粉末部分送入下一工段。
目 录
1. 2. 3. 4. 管式反应器简介 管式反应器的结构 管式反应器的传热方式 管式反应器的应用
管式反应器简介
在化工生产中，常常把反应器长度远大于其直 径即高径比大于100的一类反应器统称为管式反 应器。管式反应器是化工生产中应用较多的一种 连续操作反应器，在20 世纪40 年代起开始开发 应用。主要特点：比表面积大，容积小，返混少， 且能承受较高的压力，反应操作易于控制，但反 应器的压降较大，动力消耗大。 应用举例：乙酸裂解制乙烯酮，乙烯高压 聚合，对苯二甲酸酯化，椰子油加氢制脂肪醇等。
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 修和清刷管道比较麻 烦。
5
4. U形管式反应器
如图所示，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 时间长，可应用于反应 速率较慢的反应。
管式反应器介绍
(4)烟道气加热，利用气体或液体燃料燃烧产生.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
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
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。
(优选)聚合反应器的分类介绍
3．卧式搅拌反应器 该型式可设置多个搅拌器，每个搅拌器之间
用隔板分开，使物料在反应器内流动状况类似 于多级串联搅拌反应器，从而减少设备台数， 降低安装高度。
同时由于聚合反应器内物料粘度高、易结垢，因而要求传热速率高、结构简 单、避免易挂料的粗糙面及导致结垢的死角并易于清洗。
聚合反应器常用的传热装置型式有夹套传热、釜内传热件及釜外传热等。
1．夹套 根据工艺要求，夹套内可通入传热介 质(水、水蒸气或热载体等)。
为了提高夹套的传热系数，可通过提 高夹套传热介质的流速来实现，为此， 常在夹套内安装导流挡板。
优点:当设备较大时，搅拌轴可做成短而
细，稳定性好，且可降低安装高度。同时由 于把笨重的传动装置安装在地面基础上，从 而改善了釜体上封头的受力状态，也便于维 护与检修。
缺点:轴密封较困难，而且搅拌器下部
至轴封处常有固体物料粘积，影响产品的质 量，检修时需将釜内物料全部排净。该型式 较常用于大型搅拌设备。
1．以液体粘度和反应釜体积为依 据选型
右图为在较合理搅拌功率消耗下， 物料粘度与反应体积的关系图。图 中表示各种叶轮适用范围。
2．以流动状态、搅拌目的为依据选型 下表就列出了根据流动状态和搅拌目 的来选择搅拌器。
三、传热装置
化学反应过程伴有放热或吸热，对聚合反应而言，往往要求严格控制反应温 度，使其恒定或按一定的温度曲线进行。
其他型式的搅拌反应器
1. 偏心式搅拌反应器 偏心式搅拌反应器是搅拌器中
心偏离容器中心。由于其搅拌轴偏 离容器的中心轴线，使流体在各点 所受的压力不同，因而液层间的相 对运动加强，增加液层的湍动，明 显提高搅拌效果。但容易引起振动， 故一般多用于较小型设备。
2．底部传动搅拌反应器
各种反应器特点优缺点及应用
各种反应器特点优缺点及应用反应器是化学工程中用于进行化学反应的设备。
根据不同的反应类型、工艺要求和操作条件，不同类型的反应器具有不同的特点、优缺点和应用。
下面将简要介绍几种常见的反应器及其特点、优缺点和应用。
1.批量反应器批量反应器是最简单的一种反应器，适用于小规模生产和常规实验室反应。
其特点如下：-特点：操作简单，投料灵活，适用于多种反应类型；-优点：可以实现灵活的反应过程控制，易于升级和调整；-缺点：反应过程中温度、压力和混合程度可能不均匀，反应时间较长，生产周期较长；-应用：广泛应用于实验室研究和小规模生产中，例如有机合成、催化反应等。
2.连续流动反应器连续流动反应器是在反应物连续流动的条件下进行反应的反应器，其特点如下：-特点：反应物连续流动，反应发生在管道或管束中，进出料稳定；-优点：反应时间短，反应物浓度稳定，产物纯度高，废液排放量少，能耗较低；-缺点：操作条件相对复杂，设备成本较高，不适用于反应物稳定性较差的反应；-应用：广泛应用于底物稳定性较好的化学反应，如合成化学和催化反应等。
3.管式反应器管式反应器是一种连续流动反应器，具有管状结构，反应物在管内流动进行反应。
其特点如下：-特点：反应物在直管中流动，具有较大的接触面积和较高的传热效率；-优点：反应时间短，反应速度快，能够实现高温反应和高压反应；-缺点：管内积垢和堵塞的问题较突出，操作不够灵活，难以对反应过程进行调控；-应用：广泛应用于有机合成、聚合反应、氧化反应等。
4.搅拌式反应器搅拌式反应器是一种常见的批量反应器，其特点如下：-特点：反应物在搅拌器的作用下进行混合和反应；-优点：能够实现较好的混合程度，反应均匀，温度、压力和浓度控制相对容易；-缺点：能耗较高，产物分布不均匀，反应速率受到混合效果的影响；-应用：广泛应用于有机合成、聚合反应、酯化反应等。
5.固定床反应器固定床反应器是将催化剂固定在固体床上进行反应的反应器-特点：催化剂固定，反应物流经固体床进行反应；-优点：反应过程相对稳定，操作简单，可以持续生产较长时间；-缺点：反应物质传质受到限制，催化剂活性容易降低，床层温度不易均匀；-应用：广泛应用于催化反应，如重油加氢、氯化反应等。
管式反应器
2.盘管式反应器
盘管式反应器
盘管式反应器是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麻烦。 盘管式反应器由许多水平盘管上下重叠串联而成。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φ400 mm的空间，便于安装和检修。
项目二管式反应器的设计和操作
相关知识
一、平推流反应器
连续操作管式反应器可近似看成理想置换反应器，简称 PFR。反应物和产物都处于连续流动的状态，物料在反应器内 没有积累，系统中的浓度、温度、压力等参数在一定位置处是 定值，即不随时间而变。但在反应器中不同位置这些参数是不 同的。
操作过程：
反应器内的浓度变化：
项目二管式反应器的设计和操作
Vt V0 (1 y A0 A x A )
1 xA c A c A0 1 y A0 A x A
Ft F0 (1 y A0 A x A )
p A p A0 1 xA 1 y A0 A x A
1 xA y A y A0 1 y A 0 A x A
得：
xA VR dxA c A0 0 kc2 (1 x ) 2 V0 A0 A
VR xA V0 kcA0 (1 x A )
V0 x A VR V0 kcA0 (1 x A )
项目二管式反应器的设计和操作
求解方法：解析法、图解积分法、数值积分法
平推流反应器图解计算示意图
项目二管式反应器的设计和操作
解：由于 c A0 c B 0 ，并且是等摩尔反应
所以反应速率方程式为
(rA ) kcAcB kc
2 A
反应在理想间歇反应器内所需反应时间为
循环反应器
Q C 1 X 1 Q C 1 X
0 A0
Af
0
A0
Ai
X Af
化学反应工程(Chemical
X Af
1+
西南科技大学
Reaction Engineering)
§4-4
循环反应器
∴
1 y Q
i
0
Vr
X Af
X Af
dX A A
Chapter Ⅳ 管 式 反 应 器
第四节 循环反应器
对于很多反应过程，如合成氨、合成甲醇
等过程，由于化学平衡的限制，单程转化率并 不高，为了提高原料的利用率，将出口（含有
大量的反应物）的物料进行循环。
化学反应工程(Chemical
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§4-4
循环反应器
1
时，XAi→XAf 全混流
25 时，即可认为反应器
达到了全混状态。
化学反应工程(Chemical
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图 4.6 循环反应器
化学反应工程(Chemical
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§4-4
循环反应器
Qr Q0
Qr Q0
那么
Vr
Q0
.
.
X Af
XA
dX A A
Q0
.
？ Q0 Q0 Q0 （1+）Q0
0 A0
X A1 ？ QC
化学反应器的类型和特点
化学反应器的类型和特点1. 釜式反应器（反应釜）呀，那可是很常见的一种呢！就像家里做饭的锅一样，能进行各种反应。
比如在化工生产中，很多液体之间的反应就是在釜式反应器里面完成的哦。
你说它是不是很厉害呀！2. 管式反应器呢，就像一条细长的通道。
一些快速进行的反应，好比赛车在赛道上飞驰，就特别适合在管式反应器中发生。
像石油裂解反应就是个很好的例子哟！3. 塔式反应器呀，高耸矗立，好像一个巨人。
它在气液反应中大展身手，比如吸收一些气体呀。
就像吸收空气中的污染气体一样，厉害吧！4. 固定床反应器，那里面的催化剂就乖乖地待着，一动不动。
就如同忠诚的卫士坚守岗位。
很多需要稳定催化的反应会选择它呢，想想看，是不是很神奇？5. 流化床反应器，里面的固体颗粒就像活泼的孩子，蹦蹦跳跳的。
一些要求固体和流体充分接触的反应，它就再合适不过啦。
好比孩子们尽情玩耍，活力满满呢！6. 微反应器，小巧而精致呀，却有着大能量。
一些精细的反应，就像雕琢艺术品一样在它里面进行。
这不是很让人惊叹吗？7. 膜反应器呢，就如同一个神奇的筛子，能把需要的和不需要的分开。
很多选择性反应都靠它呢，是不是感觉很酷炫？8. 光反应器，是不是一听就觉得很高科技？对呀，它就像在黑暗中寻找光明的勇士，专门处理那些需要光来引发的反应哩。
9. 酶反应器呀，利用酶的神奇魔力来催化反应。
就好像拥有魔法棒一样，能让反应高效进行。
你说这是不是太有趣啦！我觉得化学反应器的各种类型都有着独特的魅力和作用，它们就像是化学世界里的魔法道具，为我们创造出各种奇妙的反应和产物呢！。
管式-反应器ppt课件
二、管式反应器的结构
反应器的结构可以是单管， 也可以是多管并联；可以是空 管，也可以是在管内填充颗粒 状催化剂的填充管。
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。
三、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、根据是否存在填充剂可分为空管 和填充管。
• 3、根据管式反应器的连接方式可以 分为串联管式反应器和并联管式反应 器。
• 4、根据反应器放置方式可分为横管 式反应器和竖管式反应器
五、应用
1、多管串联结构的管式反 应器，一般用于气相反应和 气液相反应。例如烃类裂解 反应和乙烯液相氧化制乙醛 反应。
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。
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。
大型石油化工厂管式裂解炉
乙烯裂解炉加料控制过程
2、 多管并联结构的管式反应器， 一般用于气固相反应。例如气相氮 和氢混合物在多管并联装有固相铁 催化剂中合成氨，气相氯化氢和乙 炔在多管并联装有固相催化剂中反 应制氯乙烯。
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理想管式反应器
人们设想了一种理想流动，即 假设在反应器内具有严格均匀的 速度分布，且轴向没有任何混合。 这是一种不存在的理想化流动。 管式反应器当管长远大于管径时， 比较接近这种理想流动，通常称 为理想管式反应器。
传热方式
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4管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：6532664+→+C H CH H C H CH 在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==−T H T T C C C X 示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/−−××===×××====×T T T T p C kmol m RT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.50 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51−−−==−−=×=×=×−−∫∫∫T T X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX m X 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=×m 4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：0275.8/=Q l h0 1.231/=A C mol l所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=−−===−×−∫AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X l kC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
4.31.013×105Pa 及20℃下在反应体积为0.5m 3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：22432222 1.410,/.+→=×NO NO O NO O NO r C C kmol m s式中的浓度单位为kmol/m 3。
进气组成为10%NO,1%NO 2,9%O 2,80%N 2,若进气流量为0.6m 3/h （标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。
解：由NO 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：20400 1.410=×∫A X r AA A BV dX C Q C C （A ）示中A,B 分别代表NO 和O 2。
由题意可知，若能求得出口转化率，由（2.54）式得：0001−=+ii A A Ai A A Ay y X y y X ννδ便可求出反应器出口气体组成。
已知：0034302023302331,0.10,0.0920.6(27320)/2730.644/ 1.788810/0.62.67710/22.42.677100.1 4.15910/0.6442.677100.093.74310/0.644−−−−−−==−===+==×==×××==×××==×∑iAA B Ai A B y y Q m h m s F kmol h C kmol m C kmol m νδν所以，反应速率为：22004223431(1)()21.410(10.05)(10.05)(1)(3.743 2.078)101.410(10.05)−−−=×−−−−×=×−A A B A A A A A A AA C X C C X r X X X X X 再将有关数据代入（A ）式：334200.514 4.15910(10.05)1.78910(1)(3.743 2.078)−−×××−=×−−∫A X A AA A X dX X X （B ）用数值积分试差求得：99.7%=A X 因此，22000.1(10.997)0.032%10.0510.050.99710.090.10.9972 4.227%10.050.99720.10.10.997211.546%10.050.9970.884.197%10.050.997−−===−−×−××==−×+××==−×==−×A A A A A B NO N y y X y X y y y 另：本题由于惰性气体N 2占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有太大的误差。
4.4在内径为76.2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯：26242⇔+C H C H H 反应压力及温度分别为2.026×105Pa 及815℃。
进料含50%(mol)C 2H 6,其余为水蒸汽。
进料量等于0.178kg/s 。
反应速率方程如下：−=AA dp kp dt式中p A 为乙烷分压。
在815℃时，速率常数11.0−=k s，平衡常数47.4910=×K Pa ，假定其它副反应可忽略，试求：（1）此条件下的平衡转化率；（2）乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。
解：（1）设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。
此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：=B Hp Ap p K p5015050150110 1y y y y 5011501y y y 11111 50Py , 1y y y 100B0B 000A A0000000eA eA e A eA AA A A A AHB eA e A A A A A A A A i i AA A AA Ai i i AA A A A Aii i X .X *.X .X *.*X y X X .)X (.X y X .y p X y X X y X p p p +=+−−=+−==+−=+−=+==+−=+−=δννδδδννδνν＝－＝，61014497150150422.X *.P )X )(X .(X .P y P y y p p p K Ae Ae Ae A H B A H B Ae==−+===若以1摩尔C 2H 6为基准，反应前后各组分的含量如下：262422,,⇔+∑C H C H H H O 反应前10012平衡时1-X eX eX e12+X e因此，平衡时各组分分压为：111(1),,222−===+++e e e B H A e e eP X P X P X p p p X X X 将其代入平衡式有：2541() 2.02610/7.491022−××=×++e ee eX X X X 解此一元二次方程得：0.61=e X （2）所需的反应管长：首先把反应速率方程变为()3/,/.−=A Ad p RT kp kmol m sdt RT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。
已知：00.1780.50.0037/300.5180.50.50.305×==×+×==A AfAe F kmol sX X 代入物料衡算式有00130.3053501()20.00378.31410108820.131 2.026101=−+×××+==××−∫∫AfX Ar A A A A AA dX V F X P k X RTX dX m X 其反应管长：20.1328.8(0.0762) 3.14/4==×L m 4.5于277℃，1.013×105Pa 压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应:2533252()()()()+→+C H OH CH COOH CH COOC H H OA B P Q 催化剂的堆密度为700kg/m 3,在277℃时，B 的转化速率为：7644.09610(0.38.88510)(/9.8),/.3600(1 1.51510)−−−×+×−=+×Q B P Q A B P p p p p p r kmol kg sp 式中的分压以Pa 表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。
加料组成为23%B,46%A,31%Q （均为重量%），加料中不含酯，当X B =35%时，所需的催化剂量是多少？反应体积时多少？乙酸乙酯的产量为2083kg/h 。
解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为B 组分转化率的函数，其中：000000(1),,=−=−==+B B B A A B B P B B Q Q B Bp p X p p p X p p X p p p X 为求各组分初始分压，须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q 。
于是有：50505000.1234 1.013100.3220 1.013100.5545 1.0131020830.0188/3600880.35=××=××=××==××B A Q B p p p F kmol s将上述有关数据代入设计方程：00=∫BX B B BdX W F r 采用数值积分便可得到所需的催化剂量：41.0110=×W kg 其反应体积为：431.011014.5700×===r WV m ρ4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应:2242()()2()→+CHClF g C F g HCl g 流量为2kmol/h 的纯CHClF 2气体先在预热器预热至700℃，然后在一活塞流反应器中700℃等温下反应。
在预热器中CHClF 2已部分转化，转化率为20%。
若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s ，当出口处CHClF 2的转化率为40.8%时，出口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为1.013×105Pa ，700℃时的反应速率常数等于0.97s -1。