CN101738116A - 对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备 - Google Patents

对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备 Download PDF

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齐宝金
徐宏
侯峰
应翔
阮艺平
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Abstract

本发明公开了一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备。该换热方法包括将含溴醋酸蒸气通入一热管式换热器进行换热，其中，该热管式换热器的热管、分隔板以及下封头的材质为钛，下壳体的材质为钛或钛钢复合板，热管通过通孔螺纹密封固定于分隔板上。本发明还涉及该热管式换热器在腐蚀性介质的换热和/或冷却的工艺中作为换热器和/或冷却器的应用。该换热方法配合专用设备的使用克服了现有换热方法及设备的固有缺陷，同时换热效率有较大的提高，能在满足生产工艺所需的换热能力前提下，进一步减小换热器本身体积，降低材料成本。

Description

对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备
技术领域
本发明涉及一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备和应用。
背景技术
精制对苯二甲酸(PTA)是生产聚脂(PET)的重要原料。目前生产PTA的方法主要有阿莫柯、三井油化和杜邦的三种专利技术，这三种技术都采用对二甲苯为原料的液相空气氧化法，以醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，氢溴酸或四溴乙烷做促进剂进行生产。生产PTA装置氧化工段工艺路线由于温度高、压力大，且含溴离子的浓醋酸在充分曝气的条件下，介质腐蚀性非常强烈，因而该氧化工段许多设备及管道均需选用钛材。对于工艺生产过程中产生的高温高压含溴醋酸蒸气一般都需要进行换热冷凝，常规一套PTA生产线在氧化反应器后往往设3台大型钛制第一冷凝器和3台大型钛制第二冷凝器，一个大型石化企业往往需要好几套PTA生产线。
目前，生产PTA时涉及冷却含溴醋酸蒸气的换热方法一般为冷热两流体分别位于管程和壳程通过管束的壁面作为传热面的间壁式换热，使用的冷凝换热器基本上均采用钛制的固定管板式换热器，立式安装，如图1所示，这种钛制固定管板式换热器中，换热管束2′采用工业纯钛管，管箱4′采用钛复合钢板或钛衬里，管板3′采用钛复合钢板或在钢板上衬钛板，壳体1′采用碳钢制作，一流体可从壳程进口11′进入壳体1′内，进行热交换后从壳程出口12′流出，同时另一流体可从管程进口21′进入换热管束为2′内进行热交换，之后再从管程出口22′流出，其中折流板5′的设置可以改变流体在壳体1′内的流动方向增大换热效率，膨胀节7′可用于控制壳体1′的膨胀程度，支架6′用于控制换热器立式安装。
在换热过程中，高温高压的含溴离子的醋酸气体通入管程，冷凝剂如水等通入壳程，冷热两种流体直接通过管束壁进行热交换。但是，由于钛材热膨胀系数远比碳钢的热膨胀系数低，在使用过程中因热膨胀钛管束与钢制壳体的热变形不等，极易造成在管束与管板连接部位产生较大的附加应力，易引发钛管的断裂，即使在壳体上设置膨胀节也不能解决这一问题。
另一方面，目前使用的钛制固定管板式换热器钛换热管束与钛复合钢制管板的连接均采用胀接加焊接的方式。由于钛材的屈强比明显大于钢，使得胀接后钛管的弹性回弹量明显大于钢，加上钛材与时间相关的性能如滞弹性行为等，导致钛管与钢质管板的胀接连接易发生松弛，造成钛管换热器与冷凝器管口泄漏。这一问题在国内多家石化企业PTA装置上存在，已经成为PTA装置发展的主要瓶颈。
类似地，在很多钢铁企业的煤气精制装置中，高温硫环境下采用的钛管换热器，其管口也有泄漏情况出现。
鉴于钛材与钢材性能方面存在的差异，钛换热管的断裂及钛管与钢质管板接头的泄漏等为钛制换热器的主要失效形式，亦属于难以避免的失效，因而成为严重制约钛制换热设备应用的关键技术难题，至今没有得到很好解决。目前新进口的钛冷凝器仍然存在同样的失效与泄漏问题，故有必要在克服钛制固定管板式换热器固有结构缺陷方面进行彻底变革。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中钛制固定管板式换热器在对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气换热时的设备易失效和泄漏的缺陷，提供了一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法。该换热方法安全性高，不易泄漏换热流体，且设备不易失效，同时换热效率有较大的提高，能在满足生产工艺所需的换热能力前提下，进一步降低成本。本发明还涉及该换热方法的专用设备及其应用。
在化工生产涉及换热的过程中，针对换热的具体流体而使用的换热方法及设备极大地影响了设备的换热效率及安全性。对于对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气换热方法，本发明人经过大量的实验研究试图找到一种能彻底克服现有换热方法及相应设备的固有缺陷，发现使用发明人特制的热管式换热器用于对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热，安全性高、设备不易泄漏失效，同时换热效率有较大的提高，能在满足生产工艺所需的换热能力前提下，进一步减小换热器本身体积，降低材料成本。
本发明通过下述技术方案解决上述技术问题。
本发明提供一种热管式换热器，其包括一壳体和若干热管，该壳体由一上封头、一上壳体、一下壳体、以及一下封头密封组成，该上壳体与该下壳体之间设有一分隔板，该分隔板上设有若干通孔，该分隔板两侧密封；其中，该热管、该分隔板以及该下封头的材质为钛，该下壳体的材质为钛或钛钢复合板，该热管通过该通孔螺纹密封固定于该分隔板上。
本发明的上述热管式换热器为了适用于腐蚀性介质的换热和/或冷却，特别是为了适用于对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热而在现有热管式换热器上进行改良。由于含溴醋酸蒸气的腐蚀性，因此热管式换热器中与含溴醋酸蒸气相接触部分——热管式换热器下部的加热部(蒸发部)，例如热管、分隔板、下封头以及下壳体内壁的材质必须是耐腐蚀的，本发明选用现常用的钛。然而为了含溴醋酸蒸气不扩散至热管式换热器上部的散热部(冷凝部)，因而热管通过通孔固定于分隔板上时必须密封性好，加之钛材质较硬以及热管式换热器内部空间限制无法焊接连接，故而本发明优选采用螺纹密封方式。
这种热管固定于分隔板上，与上壳体、下壳体分离，与壳体之间无相互约束的结构，特别是本发明中热管通过单支点螺纹密封固定连接在分隔板上的结构设计，消除了钛管与钢制管板的胀接连接，因而热管可以因热胀冷缩而移动或变形，也不存在换热管与壳体热变形的不同而产生附加应力，这就有效避免了钛与钢由于弹性回弹量差异大以及钛材的滞弹性行为等引发的钛管与钢质管板的胀接连接易松弛，而导致接口泄漏及换热器失效问题的产生。而且，本发明的热管式换热器结构简单、易拆卸、安装、更换且维护方便，冷、热流体均走管外，冷热流体流向的夹角可根据工艺要求任意调整；每支热管在热管式换热器中都是一个独立的小换热器，一两支热管的失效并不影响整个热管式换热器，更不会影响与热管式换热器有关的系统，若单侧热管管壁发生破坏时，两侧的流体也不会发生泄露而使两种流体相互污染，增加了设备使用的安全性。
较佳地，该热管通过该通孔单支点螺纹密封固定于该分隔板上，既考虑了热管的可拆换性，又更好地保证严密的密封性；所述的单支点螺纹密封具体实现方式较佳的为采用钛制空心螺钉焊接于热管的外壳壁上，在分隔板的另一侧用螺母与该空心螺钉相拧紧固定。更佳地为螺纹加填料密封固定，能更进一步承受更高压差作用力。该热管的固定方式既考虑了热管的可拆换性，又保证严密的密封性，同时热管的热胀冷缩变形不受约束，避免了应力损伤，完全不存在换热管易断裂或接头松弛造成泄漏的情况。
较佳地，该热管每根管子之间的排列方式为有序，一般由该分隔板上的通孔排列方式决定，可为等边三角形、正方形、正方形斜转45度以及同心圆形等多种方式。
较佳地，综合考虑热管工作温度区，内部工质与壳体、吸液芯材质的相容性，以及内部工质的热稳定性、经济性、毒性，还有内部工质的传输因素等各方面影响因素，优选取水为热管内部工作介质。
较佳地，考虑到节约成本，该上壳体以及该上封头的材质为不锈钢。
较佳地，考虑到上封头与上壳体的材料及连接成本，该上封头与该上壳体焊接。
较佳地，考虑到节约成本，下壳体的材质为钛钢复合板。
较佳地，考虑到钢与钛、钛与钛钢复合板不易焊接，该上壳体与该下壳体优选法兰连接。
较佳地，考虑到钢与钛、钛与钛钢复合板不易焊接，该下壳体与下封头优选通过法兰和螺栓连接。
较佳地，该下封头顶部设有一排液口，可用于将换热器冷凝的冷凝液从汇集于该下封头处排出至换热器外，必要时还可以回收利用。
较佳地，该上壳体的流体进口设置于该上壳体的下部，该上壳体的流体出口设置于该上壳体的上部，该上壳体的流体进口与流体出口在同一纵剖面内。
较佳地，该下壳体的流体进口设置于该下壳体的下部，该下壳体的流体出口设置于该下壳体的上部，该下壳体的流体进口与流体出口在同一纵剖面内。
较佳地，该上壳体的流体进口与流体出口在同一纵剖面内，并且该下壳体的流体进口与流体出口在同一纵剖面内，两个纵剖面相互垂直，由此可以达到换热效率最大化。
其中，本发明热管式换热器的热管个数、换热面积、上下壳体的高度、或径高比值，以及热管与上下壳体长度的比值等等具体尺寸大小均为常规热管式换热器的常规尺寸，而本领域技术人员也知道在应用于某个具体工艺时，可根据具体工艺的换热要求按本领域常规方式调整本发明热管式换热器的具体尺寸。
本发明还涉及一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法，其包括将含溴醋酸蒸气通入一热管式换热器进行换热，即可；其中，该热管式换热器为本发明前述的热管式换热器。
其中，所述的对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法在含溴醋酸蒸气通入热管式换热器时，加热热管的蒸发段，然后热管将热量传导至热管冷凝段，之后在热管冷凝段，热管与通入换热器的冷凝剂发生热交换，由此实现换热。其中，所述的对苯二甲酸制备工艺为本领域常规生产对苯二甲酸的方法，主要包括阿莫柯、三井油化和杜邦的三种专利技术，均为以对二甲苯为原料的液相空气氧化法，以醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，氢溴酸或四溴乙烷做促进剂进行生产。本发明的换热方法可与本领域常规的对苯二甲酸制备工艺除换热外的其他工艺流程相联用。
其中，本发明的换热方法涉及的条件为本领域常规条件，所述的含溴醋酸蒸气的流速较佳的一般设置为2～3m/s；所述的冷凝剂较佳的为水，所述的冷凝剂的流速较佳的一般设置为1～2m/s。
本发明还涉及本发明的热管式换热器在腐蚀性介质的换热和/或冷却的工艺中作为换热器或冷却器的应用。本发明热管式换热器特别适用于作为生产对苯二甲酸工艺时的专用换热器，同时也可以推广应用到常减压装置塔顶冷却器、脱硫装置换热器与冷凝器等应用场合，尤其可以推广应用到沿海石化企业的炼油、石油化工、化工、电站等的海水冷却器。
在符合本领域技术常识的基础上，上述技术特征的各优选条件可任意组合获得本发明的较佳实施例。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法及专用设备和应用。本发明的换热方法及其专用设备的配合使用，使换热效率、安全性以及换热设备易于泄漏或失效的状况得到明显改善，在满足生产工艺所需的换热能力前提下，进一步减小换热器本身体积，降低材料成本。
附图说明
图1为现有的固定管板式换热器结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的热管式换热器的垂直剖面结构示意图。
图3为本发明较佳实施例的分隔板、上壳体、下壳体及热管连接的局部放大的结构示意图。
图3a为本发明较佳实施例的图3中标号9处的分隔板与热管连接的局部放大的结构示意图。
图3b为本发明较佳实施例的图3中标号8处的上壳体与下壳体连接的局部放大的结构示意图。
图4为本发明较佳实施例的下封头的结构示意图。
图5为本发明较佳实施例的上壳体的结构示意图。
图6为本发明较佳实施例的下壳体的结构示意图。
图7为本发明较佳实施例的上壳体的流体进口与流体出口、下壳体的流体进口与流体出口的相对位置的俯视图。
图8为本发明较佳实施例在用于生产对苯二甲酸氧化反应器的冷凝系工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图2～7所示，本发明提供了一种热管式换热器。本发明的热管式换热器，如图2所示，其包括壳体和若干热管1，该壳体由上封头2、上壳体3、下壳体4、以及下封头5密封组成，上壳体3与下壳体4之间设有分隔板6，分隔板6上设有若干通孔，分隔板6两侧密封，壳体外部还设有支架7用于固定热管式换热器使其立式使用。其中，热管1、分隔板6以及下封头5的材质为钛，下壳体4的材质为钛或钛钢复合板，优选为钛钢复合板，上壳体3以及上封头2的材质优选为不锈钢。上壳体3和下壳体4一般为圆柱筒状，可通过本领域常规工艺如卷板、焊接等制成。
如图3所示的分隔板、上壳体、下壳体及热管连接的局部放大的结构示意图3a，热管1通过通孔螺纹密封固定于该分隔板6上，较佳的为单支点螺纹密封，更佳地为螺纹加填料密封。如图3中的9即图3a所示，鉴于热管管壁上不宜加工螺纹，较佳的采用钛制空心螺钉11焊接于热管1外壳壁上，然后穿过分隔板6的通孔，在分隔板6的另一侧用螺母12拧紧固定，从而实现螺纹密封。热管1的这种固定方式既考虑了热管的可拆换性，又保证严密的密封性，同时热管的热胀冷缩变形不受约束，避免了应力损伤，特别是螺纹加填料的密封方式，能更进一步承受更高压差作用力，而且即使一两支热管的失效也并不会影响整个热管式换热器，更不会影响与热管式换热器有关的系统。热管1一般管外无翅片，其中的内部工质可为本领域常规使用的液态工质，较佳的为水。热管1每根管子之间的排列方式为有序，一般由分隔板6上的通孔排列方式决定，可为等边三角形、正方形、正方形斜转45度以及同心圆形等多种方式。
上封头2与上壳体3的连接方式较佳的为焊接。如图3中的8即图3b所示，上壳体3与下壳体4之间设有分隔板6，上壳体3、分隔板6与下壳体4的连接方式较佳的为法兰连接。下壳体4与下封头5的连接方式较佳的为法兰和螺栓连接。
如图4所示，下封头5的顶部还设有排液口51，排液口51可用于将换热器冷凝的冷凝液从汇集的下封头5中排出至换热器外。
考虑到尽量实现换热器的换热效率最大化，对于上壳体3的流体进出口如图5所示，设置为上壳体流体进口31设于上壳体3的下部，上壳体流体出口32设于上壳体3的上部，较佳的，上壳体流体进口31与上壳体流体出口32在同一纵剖面内；对于下壳体4的流体进出口如图6所示，设置为下壳体流体进口41设于下壳体4的下部，下壳体流体出口42设置于下壳体4的上部，较佳的，下壳体流体进口41与下壳体流体出口42在同一纵剖面内；更佳地，上壳体3与下壳体4的流体进出口，如图7所示，上壳体流体进口31与上壳体流体出口32在同一纵剖面内，同时，下壳体流体进口41与下壳体流体出口42在同一纵剖面内，两个纵剖面相互垂直，从而进一步了增大换热效率。其中，考虑到成本因素，下壳体的材料较佳的为如图6中43所示的钛钢复合板。
将本实施例的热管式换热器应用于制备精制对苯二甲酸生产工艺中含溴醋酸蒸气的冷凝中。工艺流程可见图8，工艺采用阿莫柯法生产PTA，以对苯二甲酸为原料，醋酸为溶剂，醋酸钴、醋酸锰为催化剂，四溴乙烷为促进剂，在194℃下进行液相空气氧化反应生成对苯二甲酸，为了处理生产过程中产生的高温高压含溴醋酸蒸气，氧化反应釜100之后设置了热管式换热器200、热管式换热器300和热管式换热器400，这3台热管式换热器连接方式为串联，具体为流程为：反应原料进料至氧化反应釜100中进行液相空气氧化反应，反应过程中生成的含溴醋酸蒸气通入热管式换热器200经由热管与冷却水进行冷凝换热，部分未冷凝的含溴醋酸蒸气继续依次通入热管式换热器300和热管式换热器400继续冷凝换热，直至含溴醋酸蒸气冷却至室温左右；其中，部分汇集于热管式换热器下封头的冷凝液可回流至氧化反应釜100中回收利用。
其中，本实施例的热管式换热器用于对苯二甲酸制备工艺中将含溴醋酸蒸气换热的具体方法为：将待冷凝的含溴醋酸蒸气经下壳体流体进口41进入下壳体4的空腔内，在部分位于下壳体4空腔内的热管1即热管1的蒸发段上进行冷凝发生热交换，热管1吸收含溴醋酸蒸气的热量并传导至另一端，冷凝液沿热管1外壁流下，汇集于下封头5中，该冷凝液可由下封头排液口51，少量未被冷凝蒸气经由下壳体流体出口42排出；同时，冷却水经上壳体流体进口31进入上壳体3的空腔内，流经部分位于上壳体3空腔内的热管1即热管1的冷凝段，从热管1上吸收由热管1在下壳体4中传导过来的热量发生热交换，然后再经上壳体流体出口32排出，从而实现整个热交换过程。
本工艺流程使用的热管式换热器中热管的排列是采用等边三角形排列，横向管子中心距ST＝0.067m；SL＝ST＝0.067m。
换热器工艺参数以及工艺所采用的介质状态、质量流量见表1及表2；同时为便于计算，又不失一般性，设整个过程83.3％蒸气冷凝为液体。
表1冷却水侧工艺参数
Figure G2009102015797D00101
表2蒸气侧工艺参数
Figure G2009102015797D00102
若采用现有钛制固定管板式换热器及本发明所述钛制热管式换热器，为达到上述换热能力，各换热器结构参数可见表3及表4。
表3固定管板式换热器的结构参数
  项目   参数值
  壳体尺寸OD(mm)   750
  列管数   180
  列管规格   φ25×1.25×1000
  膨胀节   一波(长度为50mm)
  列管胀接长度(mm)   75
  项目   参数值
  换热器壳体总高(mm)   1500
  换热面积(m2)   14.2
表4本发明热管式换热器的结构参数
  项目   参数值
  壳体尺寸(mm)   620
  热管规格   φ25mm×1.25mm×1000
  热管根数   85
  上筒体高度(mm)   700
  下筒体高度(mm)   600
  换热面积(m2)   6.7
比较对比表3和表4的结构参数可知，采用本发明换热方法及所述换热器，与现有常规固定管板式换热器达到相同的换热效果，本发明的热管式换热器尺寸和材质用量都有大幅下降，大大降低成本。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种对苯二甲酸制备工艺中含溴醋酸蒸气的换热方法，其特征在于：其包括将含溴醋酸蒸气通入一热管式换热器进行换热；其中，该热管式换热器包括一壳体和若干热管，该壳体由一上封头、一上壳体、一下壳体、以及一下封头密封组成，该上壳体与该下壳体之间设有一分隔板，该分隔板上设有若干通孔，该分隔板两侧密封，该热管、该分隔板以及该下封头的材质为钛，该下壳体的材质为钛或钛钢复合板，该热管通过该通孔螺纹密封固定于该分隔板上。
2.如权利要求1所述的换热方法，其特征在于：该热管通过该通孔单支点螺纹密封固定于该分隔板上。
3.如权利要求1或2所述的换热方法，其特征在于：该热管通过该通孔螺纹加填料密封固定于该分隔板上。
4.如权利要求1～3任一项所述的换热方法，其特征在于：该上封头与该上壳体焊接；该上壳体与该下壳体法兰连接；该下壳体与下封头通过法兰和螺栓连接；该下封头顶部设有一排液口。
5.一种为实施权利要求1所述的换热方法而采用的热管式换热器，其包括一壳体和若干热管，该壳体由一上封头、一上壳体、一下壳体、以及一下封头密封组成，该上壳体与该下壳体之间设有一分隔板，该分隔板上设有若干通孔，该分隔板两侧密封，其特征在于：该热管、该分隔板以及该下封头的材质为钛，该下壳体的材质为钛或钛钢复合板，该热管通过该通孔螺纹密封固定于该分隔板上。
6.如权利要求5所述的热管式换热器，其特征在于：该热管通过该通孔单支点螺纹密封固定于该分隔板上。
7.如权利要求6所述的热管式换热器，其特征在于：该热管通过该通孔螺纹加填料密封固定于该分隔板上。
8.如权利要求5～7任一项所述的热管式换热器，其特征在于：该上封头与该上壳体焊接；该上壳体与该下壳体法兰连接；该下壳体与下封头通过法兰和螺栓连接；该下封头顶部还设有一排液口。
9.如权利要求5～8任一项所述的热管式换热器，其特征在于：该热管的内部工质为水；该上壳体以及该上封头的材质为不锈钢。
10.如权利要求5～9任一项所述的热管式换热器在腐蚀性介质的换热和/或冷却的工艺中作为换热器和/或冷却器的应用。
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CN107941060A (zh) * 2017-12-29 2018-04-20 南京圣诺热管有限公司 热管密封结构
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