《化学反应过程与设备》课件-项目四 管式反应器操作与控制

化学反应过程与设备项目四管式反应器操作与控制任务1认识管式反应器1、釜式反应器的基本结构管式反应器的定义1

管式反应器是一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。通常管式反应器的长度和直径的比值是50～100。

管式反应器是由多根细管串联和并联而构成的一种反应器。一、管式反应器的定义1、釜式反应器的基本结构管式反应器的应用2管式反应器可用于均相和非均相反应。均相反应：一般用于气相反应，如低级烃的卤化反应和氧化反应，石油烃类的热裂解反应。非均相反应：通常用于气液相反应和气固相反应，如乙烯液相氧化制乙醛，氯化氢和乙炔反应制氯乙烯，合成氨。二、管式反应器的应用早期困境（2000～2010年代）：微孔道反应器、超临界反应器、光催化反应器长期被德国拜耳、美国康宁、日本住友等跨国公司垄断。国产化突破（2015～至今）：

研发单位研发反应器技术创新与成效浙江工业大学3D打印微孔通道反应器特种合金+纳米涂层技术，传热效率提升40%，成本降低60%中科院大连化物所超临界连续流管式反应器用于生物燃料合成，打破美国技术封锁清华大学光催化管式反应器实现高效CO2转化，助力“碳中和”。二、管式反应器的应用国产高端管式反应器的突破与发展1、釜式反应器的基本结构管式反应器的结构3

管式反应器的结构包括直管、弯管、密封环、管件、法兰及紧固件、温度补偿器、传热夹套及连接管和机架等几部分。

热补偿圈内管支座热补偿圈三、管式反应器的结构

1.直管（主要反应区）特点：弯曲半径和壁厚增强。材质：不锈钢和耐磨合金等。作用：改变流向、降低压损、热应力补偿。举例：图中弯头半径R≥5D(1%土4%)。弯管在机架上的安装方法允许其有足够的伸缩量，故不需另加补偿器。内管总长(包括弯头弧长)是8m.

2.弯管三、管式反应器的结构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。

圆柱形透镜环与反应器内管是同一种材质。

带接管的T形透镜环是安装测温、测压元件用的。反应器连接必须按规定的紧固力矩进行，对法兰、螺柱和螺母都有一定要求。

带接管的T形透镜环三、管式反应器的结构3.密封环

4.管件材质：碳钢、不锈钢、合金钢、复合材料等。安装方式：焊接固定、

螺栓连接及减震安装。

举例：图中反应器机架用桥梁钢焊接成整体。地脚螺栓安放在基础栓的柱头上，安装管子支架部位装有托架。管子用抱箍与托架固定。

三、管式反应器的结构5.机架

一、管式反应器的定义二、管式反应器的应用三、管式反应器的结构总结化学反应过程与设备项目四管式反应器操作与控制任务2管式反应器的分类1、釜式反应器的基本结构管式反应器的分类1结构：由无缝钢管与U形管连接而成。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰连接，可承受高压1.6～10MPa,用透镜面钢法兰，可承受高压10～20MPa.特点：结构简单，易于加工制造和检修。应用范围：适用于气相或者液相反应。1.水平管式反应器一、管式反应器的分类分类：包括单程式、中心插入管式和夹套式。结构特点：（1）单程式：长管状，材质耐高温、高压及腐蚀，反应器内反应物是单程流动。单程式中心插入管式夹套式2.立管式反应器一、管式反应器的分类分类：包括单程式、中心插入管式和夹套式。结构特点：（1）单程式：长管状，材质耐高温、高压及腐蚀，反应器内反应物是单程流动。（2）中心插入管式：由外壳管、中心插入管及连接部件组成。流体流通路径是反应物或冷却介质通过中心管流动，另一股反应物或逆向流动的介质在环形空间流动。单程式中心插入管式夹套式2.立管式反应器一、管式反应器的分类（3）夹套式：结合了管式反应器高效传质、传热和套式精准温控优点的复合反应系统，将一束立管安装在一个加热套筒内，以节省空间。其核心部件是立体式管束、夹套系统及流体分配系统。应用范围：适用于液相氨化、液相加氢、液相氧化等反应，特别适用于中、慢速反应和放热量较大的反应。2.立管式反应器一、管式反应器的分类结构：将管式反应器做成盘管的形式，通常由许多水平盘管上下重叠串联而成，每个盘管由许多半径不同的半圆形管子连接成螺旋形式。特点：设备紧凑，节省空间，但检修和清洗管道比较麻烦。应用范围：适用于需要节省空间且对检修要求不高的反应过程。3.盘管式反应器一、管式反应器的分类结构：其形状类似字母“U”，将直管弯曲成U形实现反应物料的循环或特定流动模式，两端分别连接进料口和出料口，中间为反应区。流体在U形管内单向流动。为强化传质和传热过程，U形管式反应器内设有多孔挡板或搅拌装置。特点：结构简单，维护方便；死区少，停留时间分布较窄；适合高温高压条件。但是大直径U形管可能存在流动不均，固体物料易沉积在弯头处。应用范围：可适用反应速率较慢的反应。4.U形管式反应器一、釜式反应器的基本结构结构：由多个独立的反应管并联组成，共享进料和出料系统。工作原理：反应物料通过总管分配至各并联反应管，在相同或不同条件下反应，最终产物汇合输出。特点：单管的反应条件如温度、压力易于控制；但其结构复杂且投资高，催化剂装卸困难，压降大，动力消耗大。应用范围：可适用反应速率较慢的反应。图

多管并联反应器5.多管并联式反应器一、管式反应器的分类结构：由多个独立的反应管并联组成，共享进料和出料系统。工作原理：反应物料通过总管分配至各并联反应管，在相同或不同条件下反应，最终产物汇合输出。特点：单管的反应条件如温度、压力易于控制；但其结构复杂且投资高，催化剂装卸困难，压降大，动力消耗大。应用范围：可适用反应速率较慢的反应。6.多管串联反应器一、管式反应器的分类1.水平管式反应器2.立管式反应器3.盘管式反应器4.U形管式反应器5.多管并联反应器6.多管串联反应器总结化学反应过程与设备项目四管式反应器操作与控制任务3管式反应器的传热方式1、釜式反应器的基本结构管式反应器的特点1（1）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率都不随时间变化，只随管长变化；（2）单位反应器体积具有较大的换热面积，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率快，流速快，所以它的生产效率高；（4）适用于大型化和连续化生产，便于集散控制，产品质量有保证；（5）返混小，在较低流速下，其管内流体流动型接近于理想置换流；（6）可实现分段控制；（7）反应速率很低时所需管道过长，工业上不容易实现。一、管式反应器的特点1、釜式反应器的基本结构管式反应器的4种换热方式2案例1：某药企通过优化管式反应器换热方式，使抗癌药物收率提升15%，成本降低20%。

案例2：2019年某化工厂因换热器结垢导致反应热失控，引发爆炸，造成环境污染。结论：（1）同样的反应器，换热方式不同，结果天壤之别。

（2）化学反应过程中，因换热器出现了问题，造成严重后果。二、管式反应器的换热方式传热方式结构特点适用场合套管或中央夹套在反应管道外设置套管，利用套管内的传热介质如蒸汽、热水进行传热，传热效率高。适用于需要精准控制温度的反应，如水平管式反应器、单程式立管反应器。套筒将反应管道安装在一个加热套筒内，通过套筒的加热或冷却来控制反应温度。适用于需要大面积传热的反应，如立管式反应器。烟道气加热利用气体或者液体燃料产生烟道气辐射直接加热管式反应器，可达数百摄氏度的高温，在石油化工应用较多。适用于高温反应，传热效率高，但需要控制烟道气的温度和流量。短路电流加热将低电压、大电流的电源直接接到管壁上，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。应用于磷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。二、管式反应器的换热方式1、釜式反应器的基本结构管式反应器与釜式反应器的差异3项目釜式反应器管式反应器反应器类型全混流反应器平推流反应器停留时间长短移走反应热容易难三、管式反应器与釜式反应器的差异1、釜式反应器的基本结构均相反应器的选择4（1）物料相态：反应器选型很大程度上取决于物系的相态；（2）物料腐蚀性：决定于反应物的材料；（3）反应特征：主副反应的生成途径，反应速率、反应热等；（4）反应热效应：热效应大小决定反应器的传热方式、传热构件的类型和传热面积的大小；（5）反应器的特征：返混大小，流动状态、换热能力等；（6）生产要求：反应温度、反应压力、反应时间、转化率、选择性，压降、能耗、生产能力等。

三、均相反应器的选择1.均相反应器的依据（1）物料的聚集状态；（2）生产量大小；（3）反应速率的快慢；（4）根据动力学特征。

三、均相反应器的选择2.均相反应器选择主要考虑的问题型式适用的反应应用特点应用举例管式反应器气相液相返混小，所需反应器体积较小，比传热面大，但对慢速反应，管要很长，压降大石脑油裂解，甲基丁炔醇合成，管式法高压聚乙烯生产等反应釜，单釜或多釜串联液相液液相液固相适用性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应器体积大甲苯硝化，氯乙烯聚合，酯化反应等三、均相反应器的选择3.均相反应器选择举例一、管式反应器的7个特点二、管式反应器的4种换热方式三、管式反应器和釜式反应的异同点四、均相反应器的选择总结化学反应过程与设备项目四管式反应器操作与控制任务4管式反应器常见故障与日常维护1、釜式反应器的基本结构管式反应器常见故障及处理方法1序号故障现象故障原因处理方法1密封泄露封环材料处理不符合要求振动引起紧固件松动安装密封面受力不均滑动部件受阻造成热胀冷缩局部不均匀①更换密封环②拧紧紧固螺栓

③按规范要求重新安装④检查修正相对活动部位2放出阀泄露阀杆弯曲度超过规定值阀芯、阀座密封面受损装配不当，使油缸行程不足，阀杆与油缸锁紧螺母不紧，密封面光洁度差，装配前清洗不够阀体与阀杆相对密封面大，密封比压减小油压系统故障造成油压降低填料压盖螺母松动更换阀件阀座密封面研磨解体检查重装并作动作试验更换阀门检查并修理油压系统紧螺母或更换螺母一、管式反应器常见故障及处理方法序号故障现象故障原因处理方法3

爆破片爆炸片存在缺陷爆破片疲劳破坏油放出阀连续失灵，造成压力过高运行中超温超压，发生分解反应

注意安装前爆破片的检查按规定定期更换查油压放出阀联锁系统分解反应爆破后，应做下列各项检查:接头箱超声波探伤；相邻超高压配管超声波探伤；经检查不合格接头箱及高压配管应更换4

反应管

胀缩卡死安装不当使弹簧压缩量大，调整垫板厚度不当机架支托滑动面相对运动受阻支撑点固定螺栓与机架上长孔位置不当重新安装；控制蝶形弹簧压缩量；

选用适当厚度的调整垫板检查清理滑动面调整反应管位置或修正机架孔一、管式反应器常见故障及处理方法序号故障现象故障原因处理方法5套管泄露①套管进出口因为管径变化引起汽蚀，

穿孔套管定心柱处冲刷磨损穿孔②套管进出接管不合理③套管材料较差④接口及焊接存在缺陷⑤接管法兰紧固不均匀停车局部修理改善套管进出接管材料选择合适的套管材料焊口按规范修补重新安装连接接管，更换垫片一、管式反应器常见故障及处理方法案例：某化工企业连续化生产装置中，管式反应器运行三个月后出现压力异常波动，随后发生泄漏。经停机检查发现，反应器直管段内壁存在大面积点蚀坑，局部区域已穿透壁厚。

原因：

介质腐蚀性、流速不均、质选型不当处理方法：紧急抢修、材质升级、结构优化、腐蚀监测。预防措施：工艺优化、定期检验、

防腐涂层。一、管式反应器常见故障及处理方法钢铁丛林中的医者——杨伟杰的工匠之道

杨伟杰：从业时间1989年至今（35年）

岗位：齐鲁石化烯烃厂首席技师

荣誉：全国技术能手、国务院特殊津贴专家

标志性符号：34本手写故障笔记和518张手绘设备解剖图

案例：2013年乙烯装置异常振动仪表显示：振幅