CN108620000A - 一种平管板联箱羰化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平管板联箱羰化反应器，包括筒体、气体分布筒、催化剂、上封头、下封头、蛇形换热管、上部平管板联箱、下部平管板联箱、集水器和分水器；所述气体分布筒呈空心环柱形，且所述气体分布筒同轴设于所述筒体内，所述气体分布筒的空心位置形成气体管道，所述催化剂填设于所述气体分布筒内；所述上封头和所述下封头分别设于所述筒体的顶部和底部。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中的催化剂填料分布更加均匀，增强了气体的催化效果；采用蛇形换热管，在同等体积的反应器中，蛇形设置要比列管式具有更多的冷却管长度，也延长了冷却水冷却的有效时间，提高了最终催化剂床层的冷却效果。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，尤其涉及的是一种平管板联箱羰化反应器。
背景技术
乙二醇(EG)是一种重要的有机化工原料，从它可以衍生出100多种化工产品和化学品，其主要用途是生产聚酯单体和抗冻剂，其中用于聚酯纤维的乙二醇消费量约占全球乙二醇产量的54％。
目前乙二醇工艺路线主要分为石油路线和非石油路线，工业合成乙二醇的主要方法是先经石油路线合成乙烯，再氧化乙烯生产环氧乙烷，最后由环氧乙烷非催化水合反应得到乙二醇。在石油价格居高不下的经济环境下，寻找一条经济的石油路线改进工艺或者非石油路线乙二醇合成路线已经成为研究热点。
乙二醇石油路线工艺：
1.1环氧乙烷直接水合法
水合法通常是将环氧乙烷与水以1：10(mol)混合，然后与离开水解反应器的乙二醇和水的化合物换热，预热到120～160℃后进入水解反应器，在190～200℃水解，停留时间约为30min，操作压力约为2.23Mpa，过程为放热反应。由于反应后的乙二醇水溶液中乙二醇的浓度较低，因此为了提纯产品需要蒸发大量的水分，过程能耗较大，这也是现行乙二醇工业生产方法的主要缺点。
1.2环氧乙烷催化水合法
非催化水合的主要缺点是为了降低副产物而需要加入过量的水，导致高能耗。另外，为了处理大量的蒸汽，需要大量的巨型设备。因此，为了提高选择性，降低用水量，降低反应温度，国内外专家学者为此一直不懈努力，已发表了很多非水合制乙二醇的专利、文献。该技术的关键是催化剂，大致分为均相和非均相催化水合法。其中主要是由UCC开发的离子交换树脂的负离子催化剂(如钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐)和三苯基膦络合物为催化剂的水合工艺，Shell开发的以季铵型酸式碳酸盐阴离子交换树脂为催化剂的水合工艺。
1.3通过中间体合称乙二醇
通过中间体合成乙二醇主要有日本三菱化学开发的经碳酸乙烯酯路线和由Texaco开发的联产乙二醇和碳酸二甲酯路线，以及Shell开发的经二氧戊环的路线。此外，以乙烯与醋酸为原料，经二醋酸乙烯酯的直接法工艺研究也十分活跃。
二乙二醇非石油路线工艺：
20世纪70年代世界石油危机的冲击，使人们认识到石油资源的有限性，各国纷纷开始研究以煤和天然气为初级原料来生产乙二醇。目前较有开发前景的方法主要有草酸酯氧化偶联法、理论价值较高的为直接合成法。
2.1草酸酯加氢合成法
CO催化偶联合成草酸酯再加氢生成乙二醇是当前C1化工研究的重要课题，也是C1化工中最有前途的研究方向之一。该工艺具有原料来源丰富、成本低、无污染、反应条件温和、产品纯度高、生产连续化等优点，是洁净生产、环境友好的先进绿色化学工艺。此方法是利用醇类与NO及氧气反应生成亚硝酸酯,然后在Pd系催化剂上氧化偶联制得草酸二酯，再经在铜系催化剂上加氢制得乙二醇。
2.2合成气直接合成法
合成气直接合成法是一种最为简单和有效的乙二醇合成方法，也最符合原子经济性，是理论价值最高的一条工艺路线。
此反应属于Gibbs自由能增加的反应，在热力学上很难进行，需要催化剂和高温高压条件。此方法最早是由美国杜邦公司于1947年提出来的[5]。该工艺技术的关键是催化剂的选择。早期采用的钴催化剂，要求的反应条件苛刻，高温高压下乙二醇的产率也很低。1971年，美国UCC首先公布用铑催化剂从合成气制乙二醇，其催化活性明显优于钴，但所需压力仍太高(340Mpa)。上世纪80年代以来，确定为合成气直接合成乙二醇的优良催化剂主要分为铑和钌两大类。UCC采用铑催化活性组分，以烷基膦、胺为配体，配置在四甘醇二甲醚溶剂中，反应压力可降至50Mpa，反应温度为230℃，不过合成气的转化率和选择性仍偏低。日本研究的铑和钌均相系催化剂，乙二醇选择性达57％，产率达259g/(l.h)。
羰化反应(上述的合成气直接合成法)，具体称羰基化反应(carbonylation)，又称羰基合成(oxo-synthesis)。在有机化合物分子中引入羰基的反应，是制备醛、酮等羰基化合物的重要方法。羰基(carbonyl group)是由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团(C＝O)。是醛，酮，羧酸，羧酸衍生物等官能团的组成部分。
现有的羰化反应器一般为列管式反应器或板式反应器，列管式反应器，管内装填催化剂、管外是水。板式羰化反应器的换热元件是由若干个长方体板围成圆周面，此圆周面实际是一个多边型的，催化剂会出现厚薄不均匀，容易发生催化剂床层局部过热，冷却效果不理想，实际工程上不适合羰化反应使用，同时现有的羰化反应器中的催化剂填料层一般为整体空心柱形，不仅在填料工艺上增加了其工作难度，且催化反应不均匀，效果得不到较大的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：催化剂填料不便，催化剂填料分布不均匀，气体和催化剂之间反应不均匀，列管式的换热元件换热效果不理想。为此，提供了一种平管板联箱羰化反应器。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：包括筒体、气体分布筒、催化剂、上封头、下封头、蛇形换热管、上部平管板联箱、下部平管板联箱、集水器和分水器；所述气体分布筒呈空心环柱形，且所述气体分布筒同轴设于所述筒体内，所述气体分布筒的空心位置形成气体管道，所述催化剂填设于所述气体分布筒内；所述上封头和所述下封头分别设于所述筒体的顶部和底部；
所述上封头上方的所述气体管道顶部连通设有气体进口，所述下封头下方的所述气体管道底部连通设有气体出口；
所述上部平管板联箱和下部平管板联箱分别设置在气体分布筒的顶部和底部，所述上部平管板联箱和下部平管板联箱的结构相同，分别为八个沿气体分布筒圆周方向等角度设置的长方形管板，所述上部平管板联箱上的长方形管板分别连通蛇形换热管的出水口，所述集水器连通上部平管板联箱的八个长方形管板；所述蛇形换热管均匀布于所述气体分布筒与所述催化剂之间的间隙内，所述蛇形换热管的进水口连通下部平管板联箱的八个长方形管板，所述分水器连通下部平管板联箱的八个长方形管板，所述集水器连通出水部；所述分水器连通进水部；
所述催化剂底部固定有催化剂框支撑座，所述催化剂框支撑座下方的所述筒体内固定有内部支撑座，所述催化剂框支撑座固定于所述内部支撑座顶部。
进一步的，所述上封头上贯穿固定有热电偶。所述热电偶是为了随时更加方便的关注筒体内反应的温度，随时把控冷却的效果。
进一步的，靠近所述上封头下方的所述筒体的外壁上安装有法兰。可以通过所述法兰将筒体安装至需要的设备上。
进一步的，所述下封头下方两侧分别固定有筒体支撑座。主要是为了更好的将所述筒体支撑固定。
进一步的，所述下封头设有催化剂自卸口。为了更加方便的对催化剂进行更换时的卸料。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中的催化剂框体被分割呈多个区域，不仅减轻了催化剂的填料工作难度，也使得催化剂填料分布的更加均匀，增加了气体与催化剂之间的有效接触面积，增强了最终气体的催化效果；采用蛇形换热管，在同等体积的反应器中，蛇形设置要比列管式具有更多的冷却管长度，也延长了冷却水冷却的有效时间，提高了最终催化剂床层的冷却效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是筒体内部结构示意图；
图3是筒体内部俯视状态结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2、3所示，一种平管板联箱羰化反应器，包括筒体6、气体分布筒15、催化剂17、上封头4、下封头7、蛇形换热管16、上部平管板联箱14、下部平管板联箱18、集水器22和分水器19；所述气体分布筒15呈空心环柱形，且所述气体分布筒15同轴设于所述筒体6内，所述气体分布筒15的空心位置形成气体管道21，所述催化剂17填设于所述气体分布筒15内；所述上封头4和所述下封头7分别设于所述筒体6的顶部和底部；
所述上封头4上方的所述气体管道21顶部连通设有气体进口2，所述下封头7下方的所述气体管道21底部连通设有气体出口11；
所述上部平管板联箱14和下部平管板联箱18分别设置在气体分布筒15的顶部和底部，所述上部平管板联箱14和下部平管板联箱18的结构相同，分别为八个沿气体分布筒15圆周方向等角度设置的长方形管板，所述上部平管板联箱14上的长方形管板分别连通蛇形换热管16的出水口，所述集水器22连通上部平管板联箱14的八个长方形管板；所述蛇形换热管16均匀布于所述气体分布筒15与所述催化剂17之间的间隙内，所述蛇形换热管16的进水口连通下部平管板联箱18的八个长方形管板，所述分水器19连通下部平管板联箱18的八个长方形管板，所述集水器22连通出水部13；所述分水器19连通进水部12；
所述集水器22连通出水部13所述蛇形换热管16具有更优异的换热效果，在同等体积的反应器中，蛇形设置要比列管式具有更多的冷却管长度，也延长了冷却水冷却的有效时间，提高了最终催化剂床层的冷却效果。
为了保证良好的均匀分布性，在本实施例中，所述进水部12和所述出水部13的个数均为八个，所述上部平管板联箱14及所述所述下部平管板联箱18个数也均为八个，均与八个所述纵向分隔板25分隔出的区域相对应。
其中，如图3所示，所述催化剂17由气体管道21中心往外方向依次形成三个区域，由内至外分别为反应主区171，反应次区172，平衡区173；在本实施例中，所述催化剂17为钯系催化剂。由于催化剂17在填充时可以依次按照纵向的八个区域空隙分别填充，所以，在催化剂17填料时，针对每个不同区域依次填料，使得填料更加的简单，也可以有效的保证填料的均匀性，避免催化剂填充出现密度分布不均的情况，同时，对于气体进入之后分布也更加的均匀，提高了气体与催化剂之间的有效接触面积，也大大增加了气体与催化剂之间的有效反应。
所述催化剂17底部固定有催化剂框支撑座20，所述催化剂框支撑座20下方的所述筒体6内固定有内部支撑座10，所述催化剂框支撑座20固定于所述内部支撑座10顶部。所述上封头4上贯穿固定有热电偶3，所述热电偶3是为了随时更加方便的关注筒体6内反应的温度，随时把控冷却的效果。
同时，靠近所述上封头4下方的所述筒体6的外壁上安装有法兰5，可以通过所述法兰5将筒体6安装至需要的设备上，为了更好的将所述筒体6支撑固定，所述下封头7下方两侧分别固定有筒体支撑座8。
在本实施例中，所述进水部和所述出水部上还应设有控制阀门，(图中未用数字具体标出)可以根据筒体6内的温度来调控进水和出水量和速度。所述下封头7设有催化剂自卸口9。为了更加方便的对催化剂17进行更换时的卸料。
具体的，如图1中箭头所示，黑色箭头为气体走向，阴影箭头为冷却水走向。气体从所述气体进口2进入，通过所述气体管道21，依次经过所述反应主区171、反应次区172、平衡区173中的催化剂中进行催化反应，最终从气体分布筒15的外壁再次重新分布整理之后，从所述气体出口11排出；冷却水从所述进水部进入，最终经过所述蛇形换热管16，进行热交换之后，经过上方的所述出水部13排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：包括筒体、气体分布筒、催化剂、上封头、下封头、蛇形换热管、上部平管板联箱、下部平管板联箱、集水器和分水器；所述气体分布筒呈空心环柱形，且所述气体分布筒同轴设于所述筒体内，所述气体分布筒的空心位置形成气体管道，所述催化剂填设于所述气体分布筒内；所述上封头和所述下封头分别设于所述筒体的顶部和底部；
所述上封头上方的所述气体管道顶部连通设有气体进口，所述下封头下方的所述气体管道底部连通设有气体出口；
所述上部平管板联箱和下部平管板联箱分别设置在气体分布筒的顶部和底部，所述上部平管板联箱和下部平管板联箱的结构相同，分别为八个沿气体分布筒圆周方向等角度设置的长方形管板，所述上部平管板联箱上的长方形管板分别连通蛇形换热管的出水口，所述集水器连通上部平管板联箱的八个长方形管板；所述蛇形换热管均匀布于所述气体分布筒与所述催化剂之间的间隙内，所述蛇形换热管的进水口连通下部平管板联箱的八个长方形管板，所述分水器连通下部平管板联箱的八个长方形管板，所述集水器连通出水部；所述分水器连通进水部；
所述催化剂底部固定有催化剂框支撑座，所述催化剂框支撑座下方的所述筒体内固定有内部支撑座，所述催化剂框支撑座固定于所述内部支撑座顶部。
2.根据权利要求1所述的一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：所述上封头上贯穿固定有热电偶。
3.根据权利要求1所述的一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：靠近所述上封头下方的所述筒体的外壁上安装有法兰。
4.根据权利要求1所述的一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：所述下封头下方两侧分别固定有筒体支撑座。
5.根据权利要求4所述的一种平管板联箱羰化反应器，其特征在于：所述下封头设有催化剂自卸口。
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