CN102784596A - 壳程结构和包括该壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于醋酸乙烯合成反应器的新型壳程结构，在该壳程结构的上、下两端分别沿圆周方向均匀设置具有至少两个排出口的上环形分布器和具有至少两个进入口的下环形分布器，所述至少两个排出口中的至少两个排出口通过上环形分布器中的环形通道彼此流体连通且所述至少两个进入口中的至少两个进入口通过下环形分布器中的环形通道彼此流体连通。本发明还涉及一种包括该新型壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器。本发明能够实现水-水蒸汽作为撤热介质的在壳程内的均匀流动和均匀撤热，减小反应器径向温度差，从而提高列管式醋酸乙烯合成反应器的整体性能；使得合成反应热得到合理应用；降低运营成本，削减了导热介质循环泵等设备投资和运行费用。

Description

壳程结构和包括该壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器

技术领域

本发明总体上涉及醋酸乙烯合成反应器。特别是，本发明涉及一种能够实现水-水蒸汽作为撤热介质的均匀分布和均匀撤热且能够达到减小醋酸乙烯合成反应器径向温度差目的的用于醋酸乙烯合成反应器的新型壳程结构和包括该新型壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器。

背景技术

乙烯氧化法是在工业上主要采用的一种用于合成醋酸乙烯的工艺方法。由于采用乙烯氧化法生产醋酸乙烯的反应热效应较大，因此列管式固定床反应器是目前较理想的反应设备。由于在采用乙烯氧化法生产醋酸乙烯的工艺中反应温度一般控制在160℃－220℃，因此一般需要利用来自外界的撤热介质例如导热油、熔盐等移除反应热。

撤热介质在固定床反应器壳程中的流动可以分为上、下环形分布器内的分流与合流流动，以及管束间的流动。使用导热油、熔盐作为撤热介质存在以下缺点：（1）反应器撤热效果差，粗醋酸乙烯的杂质含量升高；（2）醋酸乙烯的合成反应热仅用于预热循环气而未得到合理利用。此外，对于醋酸乙烯合成反应过程来说，减小导热油进出口的温差可以减少反应副产物的产生，但是导热油进出口温差减小将会大大增加导热油的循环量，增加导热油泵设备投资和运行费用。因此，设计中应在满足反应工艺要求的前提下，尽量减少导热油或熔盐的循环量。但是，导热油或熔盐流量的减少将增加管外传热阻力，也可能加重反应器内温度分布的不均匀性。

撤热介质在固定床反应器壳程内均匀流动和均匀分布是有利于醋酸乙烯合成反应的平稳进行的重要因素。

环形分布器是实现撤热介质在固定床反应器壳程内均匀分布的关键部件。现有技术的环形分布器一般仅包括一个撤热介质进入孔（进入口）或一个撤热介质排出孔（排出口）。例如，实用新型专利CN201684582U（授权公告日：2010年12月29日）披露了一种用于醋酸乙烯生产的反应器，该反应器采用导热油作为撤热介质。在该实用新型专利CN201684582U中，如图2和图4所示且如说明书第【0033】段所记载地，在进油空腔内且在与两个导热油进口等距处设置有隔板；在出油空腔内且在与两个导热油出口等距处设置有隔板。由此可见，在该醋酸乙烯反应器中，导热油在其中进行环形流动的进油空腔和出油空腔各自被隔板分为两个部分。在每一个部分中仅仅设置了一个导热油进口或者一个导热油出口。现有技术的这种布置的缺点在于：撤热介质在环形分布器内沿主流道流动时不断分流或合流，撤热介质呈变质量流动状态，使得环形分布器内的压力沿流体流动方向逐渐变化，依靠流体通过分布孔的压降实现均布的方法在这里遇到了问题。因此，国内外许多学者对环形分布器内变质量流的压力分布展开了研究，目的是通过探寻不均匀开孔的规律，以实现变质量流的均布。然而，压力分布可能会随着操作工况的变化而变化，不均匀的开孔可能会不适应压力的变化。因此，为了应对环形分布器内的变质量流动，开设孔径不一的分流孔的方法不是一个好的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以水-水蒸汽为撤热介质的醋酸乙烯合成反应器的壳程结构，通过该结构可以实现来自外界的撤热介质在列管式固定床反应器壳程内的以热虹吸方式均匀流动，温度在径向方向上的均布，从而提高反应器的整体性能。

本发明利用水在列管式固定床反应器壳程的汽化潜热移除反应热。相对导热油，熔盐等导热介质来说，用水-水蒸汽作为导热介质撤热效率更高，不仅有利于改善反应器的撤热效果，减小反应器径向的温差；还能够副产水蒸汽，从而使醋酸乙烯合成反应热得到更加合理地利用；能以热虹吸方式运行，从而能够降低运营成本，削减了导热介质循环泵等设备的投资和运行费用。

列管式固定床反应器壳程内的环形分布器的设置、布管方式以及折流板设置方式等影响水和水蒸汽在壳程中流动的因素是实现本发明的列管式固定床反应器壳程内温度均匀分布的关键所在。

本发明提供一种列管式醋酸乙烯合成反应器的壳程结构，其特征在于，在所述壳程结构的上、下两端分别沿圆周方向均匀设置具有至少两个排出口的上环形分布器和具有至少两个进入口的下环形分布器，所述至少两个排出口中的至少两个排出口通过所述上环形分布器中的环形通道彼此流体连通且所述至少两个进入口中的至少两个进入口通过所述下环形分布器中的环形通道彼此流体连通。

根据本发明的一个方面，所述列管式醋酸乙烯合成反应器可使用水-水蒸汽作为撤热介质并以热虹吸方式运行，所述进入口的个数优选为4-16个，所述排出口的个数优选为4-12个。

根据本发明的另一个方面，所述进入口的直径大小可在DN150-DN350的范围内，所述排出口的直径大小可在DN100-DN300的范围内。

根据本发明的又一个方面，在所述上环形分布器的内侧沿圆周方向设置有50-100个均匀分布，大小一致的分布孔。所述分布孔呈圆形、条形或方形，其水力学直径范围优选为40mm-300mm。

根据本发明的又一个方面，在所述下环形分布器的内侧沿圆周方向优选设置有15-30个均匀分布的、大小一致的分布孔。所述分布孔呈圆形，条形或方形，其水力学直径范围优选为30mm-100mm。

对于环形分布器而言，仅靠进入口的均匀分布，排出口的均匀收集还不能完全保证来自外界的撤热介质在反应器壳程的均匀流动。尤其当反应器直径较大时反应管数量很多，容易产生流动死区。这些流动死区常常集中在反应器的中心和边缘区域。为了提高撤热介质的流速，增强壳程流体湍动改善传热效果，在反应器的壳程需要加设折流板。除了上述作用外，折流板还有支撑管束增强其刚度，防止管子振动等作用。传统的折流板布置方式往往不能满足水-水蒸汽两相流均匀分布的要求。

根据本发明的又一个方面，沿水平方向在所述上环形分布器与所述下环形分布器之间设置折流板，所述折流板至少包括顶端圆环形折流板、底端圆环形折流板和/或设置在所述顶端圆环形折流板与所述底端圆环形折流板之间的圆环形折流板和圆盘形折流板，从而在所述上环形分布器与所述下环形分布器之间形成撤热介质的缓冲流动区域。

根据本发明的再一个方面，沿着所述反应器轴向向上，所述圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。

根据本发明的又一个方面，所述顶端圆环形折流板的中心切除率为所述底端圆环形折流板的1.5-3倍。

根据本发明的再一个方面，在所述列管式醋酸乙烯合成反应器壳程内的中心区域不布置反应管。

根据本发明的又一个方面，在所述列管式醋酸乙烯合成反应器壳程内的边缘区域不布置反应管。

本发明还提供一种包括上述壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器。

上述三个方面即环形分布器的设置、布管方式以及折流板设置方式是实现撤热介质在列管式固定床反应器壳程内以热虹吸方式均匀流动的关键，因此要想实现反应器内温度的均匀分布必须要对这三个方面的结构进行合理的设计。

本发明所述的醋酸乙烯合成反应器壳程结构包括撤热介质的上环形分布器，下环形分布器，布管方式以及折流板的布置方式。上、下环形分布器外侧上面分别设置多个排出口和多个进入口。布管方式的特点是中心区域和边缘区域设置不布管区域。折流板采用圆环形、圆盘形结构，特点为沿着反应器轴向向上，圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。在本发明中，圆环形折流板的中心切除率被定义为圆环形折流板内径与外径的比率值。

通过本发明所述的将分布器设置多个进入口，可以很好地实现水在环形分布器内的预分布，还可以减小变质量流动的程度从而可以更好地利用分布器均匀开孔实现流体的均布，避免不均匀开孔造成的设计和机械制造困难。通过本发明所述的在醋酸乙烯反应器中心区域和边缘区域不设置反应管，可以减小这两个区域的流动阻力，有利于促进水和水蒸汽的两相流动均匀分布。采用本发明所述的圆环折流板内径扩大的方式，能够更好地适应水汽化变成水蒸汽后流体体积增大的流动状况。

与目前现有技术列管式醋酸乙烯合成反应器的壳程结构相比，本发明的新型壳程结构具有以下优点：（1）利用水的汽化潜热撤热，改善了列管式醋酸乙烯合成反应器的撤热效果; （2）利用汽液相平衡保证反应器温度易控可减小反应器径向的温差，提高产物粗醋酸乙烯选择性和收率；（3）副产蒸汽，使得合成反应热得到合理应用；（4）以热虹吸方式运行，从而降低运营成本，削减了导热介质循环泵等设备投资和运行费用。

附图说明

图1为采用根据本发明的第一实施例的新型壳程结构的列管式固定床反应器沿图3所示剖面线A-A截取得到的示意性总体纵向剖视图；

图2 为图1所示列管式固定床反应器中的下环形分布器沿图3所示剖面线A-A截取得到的示意性纵向剖视放大图；

图3 为从正上方观察到的图1所示列管式固定床反应器中的下环形分布器沿图1所示剖面线B-B截取得到的示意性剖视图；

图4 为图1所示列管式固定床反应器中的上环形分布器沿图5所示剖面线A’-A’ 截取得到的示意性纵向剖视放大图；

图5为从正上方观察到的图1所示列管式固定床反应器中的上环形分布器沿图1所示剖面线C-C的示意性剖视图；

图6为根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图；

图7为在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中的边缘布管区域和中心不布管区域的布置的俯视图；

图8为根据本发明的第二实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图；和

图9为根据本发明的第三实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图。

具体实施方式

对于列管式醋酸乙烯合成反应器而言，对反应器构造不断进行改进以提高反应器撤热效率从而减小反应器径向的温差是所属领域的技术人员一直以来不断追求的目标。这其中，环形分布器的设置、布管方式以及折流板设置方式是实现撤热介质在列管式固定床反应器壳程内均匀流动的关键。在下面的多个优选实施例中对这三个方面的结构进行合理的设计以实现反应器内温度的均匀分布。

图1为采用根据本发明的第一实施例的新型壳程结构的以水-水蒸汽为撤热介质的列管式固定床反应器18沿图3所示剖面线A-A的示意性总体纵向剖视图。如图1中所示，撤热介质进入反应器壳程所必经的下环形分布器7位于列管式固定床反应器18的底部，撤热介质离开反应器壳程所必经的上环形分布器1位于列管式固定床反应器18的顶部。本发明利用水在列管式固定床反应器壳程的汽化潜热移除反应热。相对导热油，熔盐等导热介质来说，用水-水蒸汽作为导热介质撤热效率更高，不仅有利于改善反应器的撤热效果，减小反应器径向的温差；还能够副产水蒸汽，从而使醋酸乙烯合成反应热得到更加合理地利用；以热虹吸方式运行，能够降低运营成本，削减了导热介质循环泵等设备投资和运行费用。

图2 为图1所示列管式固定床反应器18中的下环形分布器7沿图3所示剖面线A-A的示意性纵向剖视放大图；图3 为从正上方观察到的图1所示列管式固定床反应器18中的下环形分布器7沿图1所示剖面线B-B的示意性剖视图；图4 为图1所示列管式固定床反应器18中的上环形分布器1沿图5所示剖面线A’-A’的示意性纵向剖视放大图；图5为从正上方观察到的图1所示列管式固定床反应器18中的上环形分布器1沿图1所示剖面线C-C的示意性剖视图。

如图1-5中所示，来自外界的撤热介质如水，通过作为反应器壳程撤热介质入口的下环形分布器7的四个进入口10进入下环形分布器7的环形通道11内，所述四个进入口10通过下环形分布器7的环形通道11彼此流体连通。然后，水经由沿周向均匀地设置在下环形分布器7的环形通道11内侧上的相对于进入口10而言直径较小的分布孔12进入反应器壳程内腔自下向上进行流动。在这一过程中，水在醋酸乙烯合成反应生成的热量的作用下发生汽化至少部分地转化为水蒸汽。撤热介质随后，水－水蒸汽经由沿周向均匀地设置在上环形分布器1上的相对于排出口13而言直径较小的分布孔15进入上环形分布器1的环形通道14，最后，上环形分布器1的环形通道14内的水－水蒸汽通过作为反应器壳程撤热介质出口的上环形分布器1的四个排出口13从反应器壳程中排出，带走反应热。该四个排出口13沿圆周方向被均匀地设置在上环形分布器1上且通过上环形分布器1的环形通道14彼此流体连通。

所属领域的技术人员可以意识到：为了实现本发明的上述目的，可以在该新型壳程结构的上、下两端分别沿圆周方向均匀设置具有至少两个（例如两个、八个、十二个等）排出口13的上环形分布器1和至少两个进入口10（例如两个、八个、十六个等）的下环形分布器7。优选地，上环形分布器1具有四个以上的排出口13，下环形分布器7具有四个以上的进入口10。更多个进入口10和排出口13可以减小、甚至消除撤热介质在环形分布器的环形通道内的变质量流，从而为采用均一尺寸分布孔实现撤热介质在管束间的均匀分配创造条件，这样不但可以简化分布器的制造和安装，还能降低水在环形分布器内的压降，保证热虹吸运行方式的顺利进行。

在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构的以水-水蒸汽为撤热介质的列管式固定床反应器18中，为了达到更好的效果，进入口10的个数优选为4-16个且通过下环形分布器7的环形通道11彼此流体连通，所述进入口10的直径大小优选在DN150-DN350的范围内；排出口13的个数优选为4-12个且通过上环形分布器1的环形通道14彼此流体连通，所述排出口13的直径大小优选在DN100-DN300的范围内。当然，所属领域的技术人员同样可以意识到：所述进入口10也可以分组（每组包含至少两个进入口）沿周向均匀设置在下环形分布器7外侧上且每组中的进入口10通过下环形分布器7的环形通道11彼此流体连通；所述排出口13也可以分组（每组包含至少两个进入口）沿周向均匀设置在上环形分布器1外侧上且每组中的排出口13通过上环形分布器1的环形通道14彼此流体连通。在所述上环形分布器1的内侧沿圆周方向优选设置有50-100个均匀分布，大小一致的分布孔15。所述分布孔15呈圆形、条形或方形，其水力学直径范围优选为40mm-300mm。当然，所属领域的技术人员也可以根据具体应用选择具有其它适合形状和尺寸的分布孔15。在所述下环形分布器7的内侧沿圆周方向优选设置有15-30个均匀分布的、大小一致的分布孔12。所述分布孔12呈圆形，条形或方形，其水力学直径范围优选为30mm-100mm。当然，所属领域的技术人员也可以根据具体应用选择具有其它适合形状和尺寸的分布孔12。

另外，采用水-水蒸汽作撤热介质可以利用水的蒸发潜热移除反应热，水的沸腾传热会促进反应器内的温度均匀分布。随着水在壳程内自下而上流动，汽化比率逐渐提高。因此扩大圆环形折流板的直径可以减小流体阻力降，促进流体均匀分布，保证热虹吸运行方式的顺利进行。

图6为根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图。在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中，多块折流板沿水平方向被设置在所述上环形分布器1与所述下环形分布器7之间。如图6中所示，所述折流板包括顶端圆环形折流板2、底端圆环形折流板6和设置在所述顶端圆环形折流板2与所述底端圆环形折流板6之间的圆盘形折流板3，从而在所述上环形分布器1与所述下环形分布器7之间形成撤热介质的缓冲流动区域。

如图6中所示，在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中，沿着所述反应器轴向向上，所述圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。所述顶端圆环形折流板2的中心切除率优选为所述底端圆环形折流板6的1.5-3倍。

图7为在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中的边缘布管区域和中心不布管区域的布置的俯视图。如图7所示，本发明通过中心不布管区17和边缘不布管区16的设置大大减小了易产生死区部位的压力降，促进了径向温度的均布。

例如，在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中，具体结构参数可如下所述，反应器的直径为5000 mm，下环形分布器7上均匀布置4个DN80进入口，分布孔12的直径为DN15。上环形分布器1的出口设置8个排出口13。中心不布管区域17的范围大致为r＜100 mm的区域（r为中心不布管区域17内切圆的半径）且边缘不布管区16的范围大致为R>2400 mm的区域（R为边缘不布管区16内切圆的半径）。圆环式折流板中心切除部分的直径由反应器下部的1200 mm增大到上部的2000mm。

再例如，在根据本发明的第一实施例的新型壳程结构中，具体结构参数可如下所述，反应器的直径为4000 mm，下环形分布器7上均匀布置6个DN50进入口，分布孔12的直径为DN18。上环形分布器1的出口设置12个排出口13。中心不布管区域17的范围大致为r＜80 mm的区域（r为中心不布管区域17内切圆的半径）和边缘不布管区16的范围大致为R>1900 mm的区域（R为边缘不布管区16内切圆的半径）。圆环式折流板中心切除部分的直径由反应器下部的1200 mm增大到上部的2000mm。

图8为根据本发明的第二实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图。

如图8所示，在根据本发明的第二实施例的新型壳程结构中，在位于最上面的顶端圆环形折流板2与位于最下面的底端圆环形折流板6之间，依次水平设置多块圆盘形折流板4、3、5。沿着所述反应器轴向向上，所述圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。

图9为根据本发明的第三实施例的新型壳程结构中所使用的折流板的组合结构示意图。

如图9所示，在位于最上面的顶端圆环形折流板2与位于最下面的底端圆环形折流板6之间，交替地水平设置多块圆盘形折流板4、3、5和圆环形折流板8、9。在根据本发明的第三实施例的新型壳程结构中，沿着所述反应器轴向向上，所述圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。

在本发明中所使用的折流板可与反应列管之间存在0.1mm－0.8mm大小的间隙（图中未示出）。由于在醋酸乙烯合成反应过程中水在醋酸乙烯合成反应生成的热量的作用下发生汽化至少部分地转化为流动通过能力更强的水蒸汽，因此相对于使用导热油或者熔盐作为撤热介质的列管式醋酸乙烯合成反应器而言，本发明的折流板与反应列管之间的间隙可明显小于导热油分布板与反应列管之间的间隙。由此，本发明的壳程结构可更为紧凑，有利于反应器的小型化。

本发明的用于醋酸乙烯合成反应的壳程结构的新颖设计通过有意识地引导撤热介质在壳程内的流动从而消除了现有技术壳程中经常存在的撤热介质流动死区，最大程度上降低了撤热介质流量，从而改善了反应器的撤热效果并且减小反应器径向的温差。

以上实施例对用于列管式固定床反应器的新型壳程结构和包括该新型壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器进行了详细具体地描述。当然，所属领域的技术人员可以意识到：本发明不仅适用于列管式醋酸乙烯合成反应器，还可以适用于反应过程中能够放出较多反应热的其它化学品的列管式合成反应器（用水作为撤热介质）以及反应过程中需要吸收较多热量的其它化学品的列管式合成反应器（用水蒸汽作为撤热介质）。另外，所属领域的技术人员可通过借鉴本文的内容，适当改变结构参数等实现本发明。相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品结构进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对所属领域的技术人员来说是显而易见的，它们都被视为被包括在本发明精神、范围和内容中。

附图标记列表

1        上环形分布器

2        顶端圆环形折流板

3，4，5  圆盘形折流板

6        底端圆环形折流板

7        下环形分布器

8，9     圆环形折流板

10       下环形分布器的进入口

11       下环形分布器的环形通道

12       下环形分布器的分布孔

13       上环形分布器的排出口

14       上环形分布器的环形通道

15       上环形分布器的分布孔

16       边缘不布管区

17       中心不布管区

18       列管式固定床反应器

Claims (15)

1. 一种列管式醋酸乙烯合成反应器的壳程结构，其特征在于，在所述壳程结构的上、下两端分别沿圆周方向均匀设置具有至少两个排出口的上环形分布器和具有至少两个进入口的下环形分布器，所述至少两个排出口中的至少两个排出口通过所述上环形分布器中的环形通道彼此流体连通且所述至少两个进入口中的至少两个进入口通过所述下环形分布器中的环形通道彼此流体连通。

2. 如权利要求1所述的壳程结构，其特征在于，所述反应器使用水-水蒸汽作为撤热介质并以热虹吸方式运行。

3. 如权利要求1所述的壳程结构，其特征在于，所述进入口的个数为4-16个。

4. 如权利要求1所述的壳程结构，其特征在于，所述排出口的个数为4-12个。

5. 如权利要求1-4中任一项所述的壳程结构，其特征在于，在所述上环形分布器的内侧沿圆周方向设置有50-100个均匀分布，大小一致的分布孔。

6. 如权利要求5所述的壳程结构，其特征在于，所述分布孔呈圆形、条形或方形。

7. 如权利要求1-4中任一项所述的壳程结构，其特征在于，在所述下环形分布器的内侧沿圆周方向设置有15-30个均匀分布的、大小一致的分布孔。

8. 如权利要求7所述的壳程结构，其特征在于，所述分布孔呈圆形，条形或方形。

9. 如权利要求1-4中任一项所述的壳程结构，其特征在于，沿水平方向在所述上环形分布器与所述下环形分布器之间设置折流板，所述折流板至少包括顶端圆环形折流板、底端圆环形折流板和/或设置在所述顶端圆环形折流板与所述底端圆环形折流板之间的圆环形折流板和圆盘形折流板，从而在所述上环形分布器与所述下环形分布器之间形成撤热介质的缓冲流动区域。

10. 如权利要求9所述的壳程结构，其特征在于，沿着所述反应器轴向向上，所述圆环形折流板的中心切除率逐渐增大。

11. 如权利要求9所述的壳程结构，其特征在于，所述顶端圆环形折流板的中心切除率为所述底端圆环形折流板的1.5-3倍。

12. 如权利要求9所述的壳程结构，其特征在于，所述圆环形折流板和所述圆盘形折流板与反应列管之间存在0.1mm－0.8mm大小的间隙。

13. 如权利要求1-4中任一项所述的壳程结构，其特征在于，在所述列管式醋酸乙烯合成反应器壳程内的中心区域不布置反应管。

14. 如权利要求1-4中任一项所述的壳程结构，其特征在于，在所述列管式醋酸乙烯合成反应器壳程内的边缘区域不布置反应管。

15. 一种包括如权利要求1-14中任一项所述的壳程结构的列管式醋酸乙烯合成反应器。

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