CN109395667B - 一种用于co羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器 - Google Patents

一种用于co羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，包括承压壳体和换热内件，承压壳体包括依次连接的上封头、筒体和下封头，筒体内部沿径向从外到内依次设有气体再分布器和气体收集器，上封头内的空间形成气体折返腔，气体再分布器的外侧壁与筒体内侧壁之间隔有空隙，形成原料气上升通道；原料气经气体进口进入承压壳体，先经过气体分布器均匀的分散到承压壳体内部，大部分气体经过气体再分布器进入催化剂床层，少量气体经原料气上升通道进入气体折返腔，然后轴向进入催化剂床层。产物气流经过气体收集器后流出反应器。与现有技术相比，本发明具有换热效率高、压降低、反应器空间利用率高、催化剂装填方便等优点。

Description

一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器
技术领域
本发明涉及化工设备领域，具体涉及一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器。
背景技术
目前，合成气经草酸二甲酯生产乙二醇的工艺已经广泛工业化，其中CO羰化偶联合成草酸二甲酯的反应是该工艺的关键技术之一。其中关键反应是CO与亚硝酸甲酯在反应温度为110-150℃，反应压力为1-4atm的条件下发生羰化偶联反应生成草酸二甲酯。该反应为不可逆放热反应，反应速率快，反应放热量大。因此对羰化反应器的移热效率要求较高；同时由于操作压力小，对催化剂的大小和装填要求较高，一旦压降明显升高会导致压缩机轴功率增加，能耗增加。
目前，传统的合成气制乙二醇工业装置中的羰化反应器均采用换热式列管式反应器的型式，气体由顶部进入，自上而下轴向穿过催化剂床层，反应后的气体自下部出口离开反应器，同时反应器有配套的汽包控制壳层中加压水的温度来控制反应器的温度。由于平滑管壁的传热系数小，而羰化反应的反应速率快、放热量大，循环水的移热速度一旦滞后或移热能力不能匹配，会导致反应温度骤升，导致原料亚硝酸甲酯在高温下热分解或在催化剂作用下催化分解，明显降低MN的转化率及草酸二甲酯的收率，而且极大的增加了反应系统的安全性风险。同时，由于轴向存在较大温差，不同高度催化剂的工作温度显著不同，无法激活所有催化剂在最优温度区间下的最优性能，因而也浪费了反应器的有效容积。
同时，从工程上考虑，由于压降的因素，列管的长度必须在一定范围内，同时从运输角度考虑反应器的直径不能过大，因此单台列管式反应器的处理量也受到极大限制，实现列管式反应器的大型化存在诸多困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种移热效率好、反应器有效容积利用率高、催化剂床层压降低的用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，包括承压壳体和换热内件，所述的承压壳体包括依次连接的上封头、筒体和下封头，所述的上封头和下封头上分别设有气体进口和气体出口，所述的筒体内部沿径向从外到内依次设有气体再分布器和气体收集器，所述的气体再分布器由多孔网筒构成，气体再分布器的外侧壁与筒体内侧壁之间隔有空隙，形成原料气上升通道，上封头内部设有与原料气体上升通道连通的气体折返腔，气体再分布器的顶部设有罩网，底部设有底板，所述的气体收集器为一具有顶盖的圆筒，该圆筒的顶盖穿出罩网，底端开口并与气体出口相连通，底板与罩网之间的圆筒的下部侧壁设有多个开孔，所述的换热内件设置在气体再分布器和气体收集器之间的空间内，该空间内的间隙用于装填催化剂。
考虑到与后续工段的匹配问题，催化剂并不一定完全装满整个反应器，加之催化剂装入后在不同部位的压降不同，因此需要便捷的调节气体收集器的开孔率，以维持整个反应床层的压降和反应时间。
作为优选的技术方案，气体收集器上设有开孔的圆筒侧壁的长度为气体再分布器长度的30％～90％，可根据催化剂的装填量及床层压降灵活调节。
作为优选的技术方案，圆筒侧壁的开孔为规则均匀开孔，设有开孔的圆筒侧壁外套设有可旋转的金属丝网。
根据催化剂装填量的不同，可以通过旋转金属丝网来调节进气孔的大小，从而达到调节催化剂床层压降的作用。作为优选的技术方案，所述的多孔网筒为不规则开孔多孔网筒，由上至下孔径依次增大，开孔间隔依次缩小。与可旋转的金属丝网结合调节，可有效保证反应气流顺畅通过，降低催化剂床层的压降。作为优选的技术方案，所述的罩网的上方设有格栅，所述的格栅和罩网之间填充有由惰性瓷球构成的顶部隔热层，气体收集器的顶盖穿出罩网，并穿过顶部隔热层与格栅连接。
作为优选的技术方案，气体收集器的顶盖设有可打开的气孔，用于反应异常或堵塞管道时的气体紧急置换和吹扫。草酸二甲酯是一种极其容易冷凝的物质，中心集气筒处换热面积较小，通过设置直排吹扫，能够实现反应异常或堵塞管道时的气体紧急置换和吹扫，防止堵塞管路。
对于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的反应，反应热点会随时间产生偏移，复杂而固定的换热绕管形式不一定适用，因此：
作为优选的技术方案，所述的换热内件采用换热绕管，所述的换热绕管沿筒体径向从内到外由定位条分隔定位缠绕成层层管组，换热绕管的下端和上端分别连接有换热介质进口管组和换热介质出口管组，所述的换热介质进口管组和换热介质出口管组分别设置在下封头和上封头上，或分别设置在筒体下部和上部并按圆周对称布置。
作为优选的技术方案，所述的换热绕管外表面设有呈鱼鳞状的凸起。凸起能够对原料气产生积极的扰动作用。作为优选的技术方案，所述的上封头设有热电偶插孔，该热电偶插孔内插有热电偶，所述的热电偶伸入用于装填催化剂的空间内。
作为优选的技术方案，所述的气体进口连接有气体分布器，所述的气体分布器为多向网状分布器，呈截面为方形或圆形的筒状结构，上下两端设有正方形网状开孔，筒壁设有圆形开孔。开孔率可随气体分布状况进行调节。本发明的轴径向反应器还包括开设在上封头的人孔以及开设在下封头的催化剂卸料口。
该轴径向反应器的工作原理为：
原料气经气体进口进入承压壳体，先经过气体分布器均匀的分散到承压壳体内部，大部分气体经过气体再分布器进入催化剂床层，少量气体经原料气上升通道进入气体折返腔，经顶部隔热层轴向进入催化剂床层。反应之后的产物气流经过气体收集器后经气体出口流出反应器。
与现有技术相比，本发明的轴径向反应器既实现了换热效率高、压降低、反应器空间利用率高、催化剂装填方便等目的，又有效的避免非正常反应条件下所带来的安全风险。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的多孔网筒和圆筒侧壁的开孔示意图。
图中，1为换热介质出口管组，2为气体进口，3为气体分布器，4为热电偶，5为格栅，6为顶部隔热层，7为顶盖，8为筒体，9为原料气体上升通道，10为气体再分布器，11为气体收集器，12为换热内件，13为催化剂卸料口，14为气体出口，15为上封头，16为下封头，17为气体折返腔，18为底板，19为催化剂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，如图1所示，包括承压壳体和换热内件12，承压壳体包括依次连接的上封头15、筒体8和下封头16，上封头15和下封头16上分别设有气体进口2和气体出口14，筒体8内部沿径向从外到内依次设有气体再分布器10和气体收集器11，气体再分布器10由多孔网筒(例如不锈钢多孔网筒)构成，气体再分布器10的外侧壁与筒体8内侧壁之间隔有空隙，形成原料气上升通道9，上封头15内部设有与原料气体上升通道9连通的气体折返腔17，气体再分布器10的顶部设有罩网，底部设有底板18，气体收集器11为一具有顶盖7的圆筒，该圆筒的顶盖7穿出罩网，底端开口并与气体出口14相连通，底板18之上的下部圆筒侧壁设有多个开孔，气体收集器11上设有开孔的圆筒侧壁的长度a为气体再分布器10长度b的30～90％，如图2所示，本实施例中选择90％。换热内件12设置在气体再分布器10和气体收集器11之间的空间内，该空间内的间隙用于装填催化剂19。
多孔网筒和圆筒侧壁的开孔根据需要进行设置，本实施例中的多孔网筒为不规则开孔多孔网筒，多孔网筒为不规则开孔多孔网筒，由上至下孔径依次增大，开孔间隔依次缩小。本实施例中的圆筒侧壁开孔为规则均匀开孔，设有开孔的圆筒侧壁外套设有可旋转的金属丝网(例如不锈钢丝网)。圆筒侧壁上开孔的大小及开孔率均以控制气流均匀流入为目的设计，根据催化剂装填量的不同，可以通过旋转不锈钢丝网来调节进气孔的大小，从而达到调节催化剂床层压降的作用。
本实施在罩网的上方设有格栅5，格栅5和罩网之间填充有由惰性瓷球构成的顶部隔热层6，气体收集器11的顶盖穿出罩网，并穿过顶部隔热层6与格栅5连接，气体收集器11的顶盖设有可打开的气孔，用于反应异常或堵塞管路时的气体紧急置换和吹扫。换热内件12采用换热绕管，换热绕管沿筒体8径向从内到外由定位条分隔定位缠绕成层层管组，换热绕管的下端和上端分别连接有换热介质进口管组和换热介质出口管组1，换热介质进口管组和换热介质出口管1组可以像本发明所示的那样分别设置在下封头16和上封头15上，或者根据需要分别设置在筒体8下部和上部并按圆周对称布置。间隙依据工艺需求及催化剂颗粒大小而确定，不会造成催化剂局部的堵塞。本实施例中，为了能够对原料气产生积极的扰动作用，且不会造成催化剂局部的堵塞，换热绕管外表面设有呈鱼鳞状的凸起。
本实施例的上封头15设有热电偶插孔，该热电偶插孔内插有热电偶4，热电偶4伸入用于装填催化剂19的空间内。气体进口2连接有气体分布器3，气体分布器3为多向网状分布器，呈截面为方形或圆形的筒状结构，上下两端设有正方形网状开孔，筒壁设有圆形开孔，开孔率可随气体分布状况进行调节，用于对原料气进行初次分布。本实施例的上封头15上还设有人孔，下封头16上还设有催化剂卸料口13。
原料气经气体进口进入承压壳体，先经过气体分布器均匀的分散到承压壳体内部，大部分气体经过气体再分布器进入催化剂床层，少量气体经原料气上升通道进入气体折返腔，经顶部隔热层轴向进入催化剂床层。反应之后的产物气流经过气体收集器后经气体出口流出反应器。

Claims (8)

1.一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，包括承压壳体和换热内件(12)，所述的承压壳体包括依次连接的上封头(15)、筒体(8)和下封头(16)，所述的上封头(15)和下封头(16)上分别设有气体进口(2)和气体出口(14)，其特征在于，所述的筒体(8)内部沿径向从外到内依次设有气体再分布器(10)和气体收集器(11)，所述的气体再分布器(10)由多孔网筒构成，气体再分布器(10)的外侧壁与筒体(8)内侧壁之间隔有空隙，形成原料气上升通道(9)，上封头(15)内部设有与原料气体上升通道(9)连通的气体折返腔(17)，气体再分布器(10)的顶部设有罩网，底部设有底板(18)，所述的气体收集器(11)为一具有顶盖(7)的圆筒，该圆筒的顶盖(7)穿出罩网，底端开口并与气体出口(14)相连通，底板(18)与罩网之间的圆筒的下部侧壁设有多个开孔，所述的换热内件(12)设置在气体再分布器(10)和气体收集器(11)之间的空间内，该空间内的间隙用于装填催化剂(19)；
圆筒的下部侧壁的开孔为规则均匀开孔，设有开孔的圆筒侧壁外套设有可旋转的金属丝网；
所述的气体收集器(11)的顶盖设有可打开的气孔，用于反应异常或堵塞管路时的气体紧急置换和吹扫。
2.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，气体收集器(11)上设有开孔的圆筒侧壁的长度为气体再分布器(10)长度的30％～90％。
3.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的多孔网筒为不规则开孔多孔网筒，由上至下孔径依次增大，开孔间隔依次缩小。
4.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的罩网的上方设有格栅(5)，所述的格栅(5)和罩网之间填充有由惰性瓷球构成的顶部隔热层(6)，气体收集器(11)的顶盖穿出罩网，并穿过顶部隔热层(6)与格栅(5)连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的换热内件(12)采用换热绕管，所述的换热绕管沿筒体(8)径向从内到外由定位条分隔定位缠绕成层层管组，换热绕管的下端和上端分别连接有换热介质进口管组和换热介质出口管组(1)，所述的换热介质进口管组和换热介质出口管(1)组分别设置在下封头(16)和上封头(15)上，或分别设置在筒体(8)下部和上部并按圆周对称布置。
6.根据权利要求5所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的换热绕管外表面设有呈鱼鳞状的凸起。
7.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的上封头(15)设有热电偶插孔，该热电偶插孔内插有热电偶(4)，所述的热电偶(4)伸入用于装填催化剂(19)的空间内。
8.根据权利要求1所述的一种用于CO羰化偶联合成草酸二甲酯的轴径向反应器，其特征在于，所述的气体进口(2)连接有气体分布器(3)，所述的气体分布器(3)为多向网状分布器，呈截面为方形或圆形的筒状结构，上下两端设有正方形网状开孔，筒壁设有圆形开孔。
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