CN102527301B - 多管氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于强放热氧化反应的反应器，该反应器能够有效解决氧化反应放热集中而导致局部温升过大、影响反应选择性的问题。该反应器结构为管壳式多套管并联的特殊配气方式，将其中一种原料气体直接送入内管，另一反应气体进入管隙，保证反应在套管顶部反应，反应热能够通过与同一筒体的换热器来有效地移除，使氧化反应在比较缓和的氛围进行。

Description

多管氧化反应器

技术领域

本发明涉及气相氧化反应器，尤其涉及反应放热量大、产物在高温下容易分解且不采用催化剂的气相氧化反应的反应器。

背景技术

气相氧化反应是一个重要而常用的合成反应，最常见的乙烯、乙炔的氧化反应，通常会放出大量的反应热。根据不同的反应特点，产生了不同的反应器结构形式，以及各种的反应热移除方式。为了适用于不需要催化剂的氧化反应的引发和持续、高效地得到反应产物而需要优选合适的反应器。

中国专利CN200320120265.2组合式二合一石墨氯化氢合成炉，描述了氯气和氢气进行氧化反应的反应器，反应气体在“灯头”处混合并发生强放热的氧化反应，灯头装置采用多筒型式，使氯、氢混合均匀，燃烧彻底，反应产物氯化氢在高温下比较稳定。这种反应器结构简单，效率高。但不适合用于高温下易于分解的原料和产物的生产过程。

传统的多管氧化反应器是固定床反应器，这种反应器是固定于上下管板之间的多根反应管，在反应管内部装填有一定高度的催化剂，两种反应气体经过预热混合后通过催化剂床层反应，反应热通过壳体内循环的载热体带走。这种氧化反应器用的比较多且较成熟。

中国专利CN200880113893.3描述了多管式气相催化氧化反应，两种反应气体混合后集中进入混合气室，然后均匀进入装有催化剂的反应管中进行反应，该反应器结构有效地分散了反应热，避免了“飞温”现象的发生，有利于保持催化剂的活性，使反应在适宜的温度条件下进行，这类反应的特点是两种原料气体只有在催化剂存在下才能有效地进行。因此进入混合气室的两种原料气体，即使达到反应温度，如果没有催化剂，氧化反应仍然是不会发生的。

综上，目前的多管式气相氧化还原反应器不适合温度高、放热强而反应气体又易分解的不需要催化剂的气相氧化还原反应，此类反应可以采用四氟乙烯为原料的碳酰氟的合成反应为代表，该反应中，四氟乙烯易聚合、反应强放热（760.51KJ/mol）。

发明内容

本发明旨在提出一种多环管氧化反应器，对于不需要催化剂的气相氧化反应能有很好的控制，该类反应具有温度高、放热强而反应气体又易分解、不需要催化剂的特点。为此，本发明采用以下技术方案：  

一种多管氧化反应器，用于气相氧化反应，包括反应器筒体，其特征在于反应器筒体中提供有上中下三部分，所述下部为反应气体分配区、中部为反应区、上部为产物气体换热区；

    所述反应器筒体内在产物气体换热区下方设有多根与反应器筒体纵轴平行的套管，所述多根套管在反应器筒体的横截面上分布；

所述反应气体分配区用于将两种反应气体分别平均分配到各套管中；所述套管包括内管和外管，内管用于通第一种反应气体，内管和外管之间的环隙用于通第二种反应气体，所述反应气体分配区包括第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区，第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区之间被隔开；

所述外管高于内管，其高出部分中形成两种反应气体汇合的反应区。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述外管的顶部为收缩口或直口，所述收缩口形成气体喷嘴。

所述内管的顶部为收缩口或直口，最好采用收缩口。

所述第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区上下配置，它们之间由第一管板隔开，第一种反应气体的分配区处在第一管板之下，所述内管固定在第一管板上并与第一种反应气体的分配区相通，所述反应器筒体中在所述第一管板上方设有第二管板，第二种反应气体的分配区处在第一管板和第二管板之间，所述外管固定在第二管板上，所述环隙与第二种反应气体的分配区相通。

所述内管和外管的入口均为直管或喇叭口。

第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区中采用气体分布喷嘴或气体分布器进气。

所述产物气体换热区采用管壳式换热器，管程通所述产物气体，壳程通导热体介质。

所述反应气体分配区部位及反应区部位外的反应器筒体外设有夹套换热器，所述夹套换热器的介质出口通过管路与管壳式换热器的介质入口相连，所述管壳式换热器的介质出口通过管路与夹套换热器的介质入口相连。

所述两股反应气体分别是氧气分子或氧化性气体和需要被反应的有机或无机气体。所述气相氧化反应的反应热为10-1000KJ/kmol。

所述气相氧化反应为四氟乙烯为原料的碳酰氟的合成反应或者以氯气和氢气燃烧制氯化氢的反应。

由于采用本发明的技术方案，本发明巧妙地解决反应气体的均匀分布，能实现两气体在特定区域内燃烧反应，反应热能被及时带走，并且氧化反应的转化率和选择性较高。特别适合于诸如以四氟乙烯为原料的碳酰氟的合成反应等温度高、放热强而反应气体易分解的不需要催化剂的气相氧化反应。

本发明所提供的反应器采用管壳式多环管并联方式，将其中一种原料气体直接送入内环管，将另一种气体送入环隙，保证反应在套管顶部进行，反应产生的大量热量被迅速移除，使氧化反应在比较缓和的氛围进行。同时反应可得到高的转化率和选择性。

附图说明

图1为本发明反应器实施例1的示意图。

图2为本发明反应器实施例2的示意图。

图3为图1中I部位的放大图，显示套管顶部的一种实施方式。

图4为图1中I部位的放大图，显示套管顶部的另一种实施方式。

具体实施方式

 实施例1，参照附图1、3、4。

本发明所提供的多管氧化反应器，用于气相氧化反应，比如四氟乙烯为原料的碳酰氟的合成反应以氯气和氢气燃烧制氯化氢的反应以及各种有机、无机气体不需要催化剂的氧化反应。所述反应器包括反应器筒体1，反应器筒体中提供有上中下三部分，所述下部为反应气体分配区、中部为反应区、上部为产物气体换热区；

    所述反应器筒体1内在产物气体换热区下方设有多根与反应器筒体纵轴平行的套管，所述多根套管在反应器筒体的横截面上分布；

所述反应气体分配区用于将两种反应气体分别平均分配到各套管中；所述套管包括内管21和外管22，内管用于通第一种反应气体，内管21和外管22之间的环隙23用于通第二种反应气体，内管气体和环隙气体可相互调换。所述反应气体分配区包括第一种反应气体的分配区100和第二种反应气体的分配区200，第一种反应气体的分配区100和第二种反应气体200的分配区之间被隔开；

所述外管22高于内管21，其高出部分中形成两种反应气体汇合的反应区24。

所述第一种反应气体的分配区100和第二种反应气体的分配区200上下配置，它们之间由第一管板3隔开，第一种反应气体的分配区21处在第一管板3之下，所述内管21固定在第一管板3上并与第一种反应气体的分配区100相通，所述反应器筒体中在所述第一管板上方设有第二管板4，第二种反应气体的分配区200处在第一管板3和第二管板4之间，所述外管22固定在第二管板4上，所述环隙23与第二种反应气体的分配区200相通。

如图4所示，外管22的顶部可以为收缩口24，收缩口24形成气体喷嘴，也或是在外管22的顶部安装气体喷嘴，如图3所示，外管22的顶部也可以是未经处理的圆柱形。内管21顶端是未经处理的圆柱形管面，也可是经过处理的收缩口。所述内管21和外管22的入口均可为喇叭口。内管21和外管22的材质可选用各类不锈钢管，最好的选用304不锈钢管。内管和外管的管径太大，反应热不能有效移除，反应的选择性差；反应管径选择太小，反应管的数量会大为增加，反应器加工复杂、整体体积加大，一般来说，内管21和外管22的直径可选在0.3mm到30mm之间。

为保证大量的反应气体在反应器内均匀反应，首先要保证两种参加反应的气体按需要的流量和配比分别进入反应器，按量进入反应器的两股原料先通过电预热器加热或导热油预热，这两种方式共用或选择其一进行预热。但预热的过程中不能使任一种气体，产生分解、聚合或爆炸危险。有必要的情况下需设置防爆墙或给反应器设置爆破片等安全设施。

本发明在反应器中对两种反应气体分别设计了气体的分配区，这个旨在是原料气体在此处缓冲。对于两种反应气体在进气时使用合适的气体分配器，可以避免气体产生集中流或分散流，为此，本发明中，在第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区中可采用气体分布喷嘴进气，它们可以处在相应分配区的中间位置。

整个氧化反应可以在常压或加压的条件下进行反应，反应器的直径可以是50～5000mm，套管的分配根数为可至3000根，套管数量多时，燃烧区域热量不能太集中，因此，最好每根套管的中心距为10～50mm之间。

当反应的两股气体在达到一定的反应温度后，反应即刻引发，并利用自身的反应热，维持反应的连续进行。如果采用类似中国专利CN200880113893.3那样的反应器，两种反应原料气体混合后集中进入进气室，在预热过的反应管中受热引发反应后，反应区域会沿着气流来路方向向后延伸，直到蔓延回集中进气室中，发生“回火”，引发更剧烈的反应，因为反应热不能得到有效地移除，严重时会烧毁反应器，甚至发生爆炸。

如何控制好反应热量的取出问题，不仅关系到安全的问题，同时对产品的收率问题也是值得探索的。反应热不及时移去，会使反应继续在高温下进行二次反应或产生飞温，产生过多的杂质，不利于后系统的分离。

为此，本发明在与反应区同一筒体的上方设置了产物气体换热区。

在本实施例中，所述产物气体换热区采用管壳式换热器，所述产物气体走管程，壳程通入导热体介质。附图标号51为产物气体的流通管。流通管上错相安装有多层折流板52。

管壳式换热器的用于气体换热的导热体介质可选择水、导热油或其他有机溶剂，最好的选择是导热油，导热油可通过动力设备实现循环，中间环节设置油温稳定单元。

参与反应的氧气分子或氧化性气体和需要被充分反应的有机或无机气体都需要经过外部预热到一定的温度才能进入反应器。气体预热温度可控制在250～350℃。

在进行氧化反应之前，反应器需要进行预热，反应器预热可通过加热的氮气进行，保持内部温度达到200～350℃。所述加热过的氮气通入第一种反应气体的分配区100和第二种反应气体200的分配区，经套管进入反应区，再经换热区的管程，从反应器筒体顶部的产物气体出口11流出。

实施例2，参照图2。

本实施例中，对反应器的预热方式选用了另一种方式，该方式可以和管壳式换热器结合在一起运行，它们共用导热体介质，以充分利用反应热，节约能源。

所述反应气体分配区部位及反应区部位外的反应器筒体外设有夹套换热器6，所述夹套换热器的介质出口61通过管路与管壳式换热器的介质入口53相连，所述管壳式换热器的介质出口54通过管路与夹套换热器6的介质入口62相连，在管路中间可设置阀、泵、温度稳定单元等。

本实施例的其它部分和实施例1相同，在图2中，附图标号和图1、3、4相同的代表相同的含义。

Claims (10)

1.一种多管氧化反应器，用于气相氧化反应，包括反应器筒体，其特征在于反应器筒体中提供有上中下三部分，所述下部为反应气体分配区、中部为反应区、上部为产物气体换热区；

    所述反应器筒体内在产物气体换热区下方设有多根与反应器筒体纵轴平行的套管，所述多根套管在反应器筒体的横截面上分布；

所述反应气体分配区用于将两种反应气体分别平均分配到各套管中；所述套管包括内管和外管，内管用于通第一种反应气体，内管和外管之间的环隙用于通第二种反应气体，所述反应气体分配区包括第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区，第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区之间被隔开；

所述外管高于内管，其高出部分中形成两种反应气体汇合的反应区。

2.如权利要求1所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述外管的顶部为收缩口，所述收缩口形成气体喷嘴。

3.如权利要求1或2所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述内管的顶部为收缩口。

4.如权利要求1所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区上下配置，它们之间由第一管板隔开，第一种反应气体的分配区处在第一管板之下，所述内管固定在第一管板上并与第一种反应气体的分配区相通，所述反应器筒体中在所述第一管板上方设有第二管板，第二种反应气体的分配区处在第一管板和第二管板之间，所述外管固定在第二管板上，所述环隙与第二种反应气体的分配区相通。

5.如权利要求1或4所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述内管和外管的入口均为喇叭口。

6.如权利要求1或4所述的一种多管氧化反应器，其特征在于第一种反应气体的分配区和第二种反应气体的分配区中采用气体分布喷嘴进气。

7.如权利要求1所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述产物气体换热区采用管壳式换热器，管程通所述产物气体，壳程通导热体介质。

8.如权利要求7所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述反应气体分配区部位及反应区部位外的反应器筒体外设有夹套换热器，所述夹套换热器的介质出口通过管路与管壳式换热器的介质入口相连，所述管壳式换热器的介质出口通过管路与夹套换热器的介质入口相连。

9.如权利要求1所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述两股反应气体分别是氧气分子或氧化性气体和需要被反应的有机或无机气体；所述气相氧化反应的反应热为10-1000KJ/kmol。

10.如权利要求1所述的一种多管氧化反应器，其特征在于所述气相氧化反应为四氟乙烯为原料的碳酰氟的合成反应或者以氯气和氢气燃烧制氯化氢的反应。

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