CN109433116A - 用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器，包括壳体，上封头、下封头，折流板，换热管，上管板和下管板，上管板和下管板上均设有中心不开孔区和四周开孔区；所述壳体外侧设有熔盐侧，所述熔盐侧包括上盐道和下盐道；在反应器的进口端设有锥形导流器和进口流体分布器，所述锥形导流器位于进口流体分布器的下部，且锥形导流器的底部对应固定在上管板的中心不开孔区；在反应器的出口端设有出口整流器和破涡流器，所述出口整流器底部与下管板的中心不开孔区相连。本发明可以隔离易爆混合气与高温管板的长时间接触，改善反应器的安全性，同时可以隔离目标产物与高温区的接触，快速降温，减少副反应，提高目标产物的收率。

Description

用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器

技术领域

本发明属于化工反应器技术领域，具体涉及一种用于强放热化学反应过程的反应器，特别适用于正丁烷法顺酐以及邻苯法苯酐生产装置，以提高反应产物的收率，提高装置安全性。

背景技术

顺丁烯二酸酐简称顺酐，又名马来酸酐，是一种重要的有机化工原料，是仅次于苯酐和醋酐的世界第三大有机酸酐，广泛用于石油化工、食品加工、医药、建材等行业。

目前，按原料路线，顺酐的生产方法可分为苯氧化法、正丁烷氧化法。 其中，正丁烷氧化法在顺酐生产中占主导地位，其生产能力约占世界顺酐总生产能力的 80％。 国际上顺酐主要采用正丁烷氧化法生产，我国的顺酐则主要采用苯氧化法生产，但由于正丁烷法具备原料价廉，污染相对较轻，碳原子利用率高和顺酐生产成本低等优点，近年来正丁烷法顺酐的产能不断增加，并有逐步取代苯氧化法的趋势。

目前，在顺酐工艺领域的研究基本集中在催化反应和后处理工艺上，对于顺酐反应器通常采用的是熔盐外循环管壳式列管固定床反应器，参见化工设计1991年1期P8-13，杨春生著《列管式固定床反应器壳程熔盐均布结构的设计及应用》的论文；参见化工设计1997年5期P18-24，孙晋波《浅谈大型苯酐顺酐装置》的论文，参见华东理工大学2014年曹斌的硕士论文《大型列管式固定床氧化反应器研究》等等，反应器的发明基本是以轴向列管式固定床反应器（管壳式反应器）为基础的，其改进涉及到流体力学、传热和反应控制等方面。例如浙江大学的专利CN103071433A提出的一种用于正丁烷氧化制顺酐的固定床反应器的气体预分布器，该分布器由水平导流片、导流管、锥形帽组成，可以减少低气速区域的面积，并且改善对分布板局部冲击不均的影响，提高操作的稳定性。天津市化工设计院的专利CN102423666A提出了一种正丁烷法顺酐固定床氧化反应温度调节控制装置及方法：在反应器与熔盐冷却器之间设置有滑阀，通过精确控制滑阀的开启度，实现反应器壳程熔盐温度的稳定，解决和克服反应温度波动，使氧化反应顺酐重量收率提高0.5~1.0%，降低了反应生成物中的副产物。中国蓝星哈尔滨石化有限公司的专利CN202983655U提出了一种顺酐装置氧化反应器熔盐回流管结构，采用该结构可以加大氧化反应器熔盐的回流效果，延长了氧化反应器的使用寿命。

尽管轴向列管式固定床反应器技术成熟，已有许多应用，但反应器采用轴向列管式固定床反应器仍然具有如下问题，如附图1所示，大直径列管式反应器（直径4-12 m）管程的工艺气体分布存在严重不均匀以及存在滞流区的缺陷，例如，2万吨/年正丁烷法顺酐装置的氧化器内约有19000根管子，直径约5300 mm，中心不布管区约1700mm，在反应器进口与上管板的不开孔区域之间容易形成滞流区，高温的熔盐通过管板间接地加热进口工艺物流，极易到达自燃或者爆炸温度，形成极大的安全隐患；即使没有达到自燃温度或爆炸温度，也会引起反应物的长时间滞留，发生一些并不希望发生的副反应，从而降低反应的选择性和收率。在反应器出口与下管板的不开孔区域也会形成滞流区，反应目标产物会在该滞流区长时间停留，与氧进一步反应，过度氧化为不希望的CO,CO2副产品，降低目标产物的收率。

发明内容

本发明的目的就是针目前工业上用于顺酐生产的轴向列管式固定床反应器存在的问题，提出了拥有一种有中心导流锥和出口整流、破涡流器的新型反应器，以形成一个均匀的流场，消除回流区，从而解决反应物和反应产物的长时间滞留，消除不希望发生的副反应的问题，同时提高反应器的安全性，提高节能效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器，特别适用于正丁烷法顺酐和邻苯法苯酐的生产，其包括壳体，壳体两端分别设有上封头、下封头并形成闭合空间，所述上封头设有进口，下封头底部设有出口；所述壳体内设有若干折流板和若干填装催化剂的换热管，所述若干折流板按设计规则自上而下排列，且折流板上设有可供换热管穿过的通孔；所述若干换热管与壳体轴线相互平行排列；

设有上管板和下管板，且上管板和下管板上均分别设有中心不开孔区和四周开孔区，所述换热管上、下两端分别与上管板和下管板的四周开孔区对应连接固定；

所述壳体外侧设有熔盐侧，所述熔盐侧包括上盐道和下盐道，所述上盐道位于壳体上部并设有熔盐出口，所述下盐道位于壳体下部并设有熔盐进口；

在反应器的进口端设有锥形导流器和进口流体分布器，所述进口流体分布器固定在上封头进口端内壳体上；所述锥形导流器位于进口流体分布器的下部，且锥形导流器的底部对应固定在上管板的中心不开孔区；

在反应器的出口端设有出口整流器和破涡流器，所述出口整流器底部与下管板的中心不开孔区相连；所述破涡流器固定在下封头底部出口端的内壳体上。

作为本发明的进一步改进：所述锥形导流器为空心锥形导流器，导流器底部和导流器顶部分别设有供气体进出的通孔。这样在工作时可使用一股惰性气体，通常为氮气从锥形导流器底部通孔进入导流器内部，然后从锥形导流器的顶部通孔流出；从而解决了在反应器进口与上管板的不开孔区域之间容易形成滞流区发生危险等问题。

作为本发明的进一步改进：所述锥形导流器垂直截面中底部夹角α为45-60°；锥形导流器的锥度，决定了上反应器腔内的容积；锥度太大，导流器与进口管之间可能形成流道的瓶颈，造成局部的涡流，而锥度太小时，导流器的导流效果不好，上反应器腔内的无效高温区也更大，丁烷和空气的混合气停留时间和气体容量也均会增大，增大了潜在的局部爆炸风险，因而，锥形导游器与管板的夹角优选为45~60°。

作为本发明的进一步改进：所述进口流体分布器具有至少两段不同角度的进口分布段。

作为本发明的进一步改进：所述出口整流器呈锥体空心结构，其底部和锥顶部分别设有气流孔。这样在工作时可使用一股惰性气体，通常为氮气从出口整流器底部气流孔进入整流器内部，然后从出口整流器的顶部气流孔流出。

作为本发明的进一步改进：所述出口整流器垂直截面中底部夹角β为45-60°。

与传统轴向列管式固定床反应器相比，本发明的反应器创新点在于：

1、反应器进口端设置了进口流体分布和锥形导流器，锥形导流器的设置用机械隔离的方法，避免了反应进口物料与高温管板的接触，从而避免了反应进口物料在没有与催化剂接触的条件下，达到自燃温度而引发反应器进口物料自燃或者爆炸。进口流体分布器和锥形导流器的设置，造成了一个反应管束进口的均匀流场，确保了反应的均匀性，为反应器壳侧温度分布均匀打下了基础。

2、反应器出口设置了整流、破涡流器，整流、破涡流器的设置，消除了反应器出口物流的不开孔区域回流区以及周向回流区，减缓了反应产物的深度氧化反应，高温反应产物快速离开反应器，进入后冷器快速降温，有利于提高反应的选择性和收率。

3、反应器易于放大，消除了滞流区，克服了放大效应，可用于1-5万吨/年顺酐(或苯酐)生产规模。

4、本发明的反应器，设有了中心导流锥的多层气体分布器和中心导流锥的出口整流、破涡流器，反应器管侧的流场得到了很大改善。

附图说明

图1为传统轴向列管式固定床反应器的结构示意图；

图2为本发明管壳式轴向列管反应器的结构示意图；

图3为本发明中进口端结构放大结构示意图；

图4为本发明中出口端结构放大结构示意图；

附图中，1为壳体，2为上封头，21进口，3为下封头，31为出口；41为下盐道，42为上盐道，5为换热管，6为折流板，7为上管板，71上管板中心不开孔区，8为下管板，81为下管板中心不开孔区，9为锥形导流器，9a为锥形导流器底部通孔，9b为锥形导流器顶部通孔，10为进口流体分布器，11为破涡流器，12为出口整流器；12a为出口整流器底部气流孔，12b为出口整流器顶部气流孔。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图2所示，本发明涉及一种用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器，包括壳体1、上封头2、下封头3、上管板7、下管板8、熔盐侧、锥形导流器9、进口流体分布器10、折流板6、换热管5、出口整流器12、破涡流器11。其中，上管板7和下管板8上均分别设有中心不开孔区和四周开孔区；壳体1为圆柱形结构，在其上下两端处分别与上管板7、下管板8固定相连；上管板7、下管板8分别与上封头2、下封头3相连；上封头2上设置有物料进口21，下封头3设置有物料出口31；壳体1外侧熔盐侧，熔盐侧设有下盐道41和上盐道42，下盐道41设有熔盐进口，上盐道42设有熔盐出口，熔盐在熔盐侧中自下而上流动，用于吸收换热管中反应物氧化反应生产的热量，维持反应物流的温度；催化剂填装在换热管5内，换热管5有许多根，布置在反应器壳体内的上、下管板之间，换热管5上、下两端分别与上管板和下管板的四周开孔区对应连接固定，换热管呈同心圆或三角形或正方形排列，并与反应器轴线平行。

如图2和如图3所示：反应器进口设置了进口流体分布器10和锥形导流器9，锥形导流器9底部与上管板中心不开孔区71相连，锥形导流器底部开有锥形导流器底部通孔9a，锥形导流器顶部开有锥形导流器顶部通孔9b，工作时惰性气体氮气从通孔9a进入锥形导流器内部，然后从锥形导流器顶部通孔9b流出；锥形导流器的锥度即锥形导游器与管板的夹角α优选为45~60°；锥形导游器位于进口流体分布器10下部，进口流体分布器10与反应器进口内壁固定相连，流体分布器具有2-4段不同锥度的进口分布段，其成喇叭形结构。

如图2和如图4所示：反应器出口设置了出口整流器12、破涡流器11，出口整流器12底部与下管板中心不开孔区81相连，出口整流器底部开有出口整流器底部气流孔12a，出口整流器顶部开有出口整流器顶部气流孔12b；工作时惰性气体氮气从底部气流孔12a进入出口整流器内部，然后从出口整流器顶部气流孔12b流出；出口整流器12的锥度优选为45-60°；出口整流器末端与下封头3之间设有破涡流器11，破涡流器11固定在下封头内部壳体上。

实施例

以2万吨/年正丁烷法顺酐反应器为例，采用本发明的反应器结构参与反应。

参见图2，原料物流（混合好的丁烷和空气）由反应器进口 21引入，依次经过反应器进口流体分布器10，由锥形导流器9引导，均匀无返混地进入催化剂换热管5中，丁烷和空气在催化剂表面接触反应，生成的含顺酐的反应物流从下管板8流出，经由出口整流器12，破涡流器11后，从反应器出口31流出。

丁烷氧化反应为强放热反应，反应管内的反应热由壳侧的熔盐移出，熔盐由下盐道41经过入口环形分布器均匀进入反应器壳程，流向反应器中心，反应器中心为不布管区域，经过折流板从内到外，最后从上盐道42流出。

参见图2，本发明采用了锥形导流器9，锥形导流器与管板的夹角α为55°，减少了丁烷和空气混合气在反应器上封头内的滞流，隔离了丁烷和空气混合气与高温的管板的接触，减少了丁烷的自燃。

参见图2和图4，本发明采用了出口整流器12，该整流器与管板的夹角β为55°，杜绝了顺酐目标产品与高温管板的接触，使反应后的物流均匀地、无返混地快速流出反应器，减少了顺酐继续氧化为CO和CO2的量，有利于提高顺酐收率。

本发明实施例反应器与传统反应器分别用于2万吨/年正丁烷法顺酐装置后的性能比较见表2 ：

项目	传统轴向列管式反应器	本发明反应器
			接近爆炸下限的丁烷空气混合气体与高温管板接触	接触	不接触
顺酐产品在高温管板处滞留	滞留	无滞留区
			丁烷转化率，%	80~85	80~88
顺酐选择性，%	~70	~72.5
			顺酐收率，wt%	95~101%	97~105%

表2 实施例反应器与传统轴向列管式反应器性能比较

本发明不只可以应用于顺酐苯酐的工艺中，对于丙烯酸、甲基丙烯酸等氧化过程，也具有良好的应用效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下的各种变化和改进都会落入本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于强放热化学反应过程的管壳式轴向列管反应器，特别适用于正丁烷法顺酐和邻苯法苯酐的生产，其特征为：包括壳体，壳体两端分别设有上封头、下封头并形成闭合空间，所述上封头设有进口，下封头底部设有出口；所述壳体内设有若干折流板和若干填装催化剂的换热管，所述若干折流板按设计规则自上而下排列，且折流板上设有可供换热管穿过的通孔；所述若干换热管与壳体轴线相互平行排列；设有上管板和下管板，且上管板和下管板上均分别设有中心不开孔区和四周开孔区，所述换热管上、下两端分别与上管板和下管板的四周开孔区对应连接固定；所述壳体外侧设有熔盐侧，所述熔盐侧包括上盐道和下盐道，所述上盐道位于壳体上部并设有熔盐出口，所述下盐道位于壳体下部并设有熔盐进口；在反应器的进口端设有锥形导流器和进口流体分布器，所述进口流体分布器固定在上封头进口端内壳体上；所述锥形导流器位于进口流体分布器的下部，且锥形导流器的底部对应固定在上管板的中心不开孔区；在反应器的出口端设有出口整流器和破涡流器，所述出口整流器底部与下管板的中心不开孔区相连；所述破涡流器固定在下封头底部出口端的内壳体上。

2.根据权利要求1所述的管壳式轴向列管反应器，其特征为：所述锥形导流器为空心锥形导流器，导流器底部和导流器顶部分别设有供气体进出的通孔。

3.根据权利要求1或2所述的管壳式轴向列管反应器，其特征为：所述锥形导流器垂直截面中底部夹角α为45-60°。

4.根据权利要求1所述的管壳式轴向列管反应器，其特征为：所述进口流体分布器具有至少两段不同角度的进口分布段。

5.根据权利要求1所述的管壳式轴向列管反应器，其特征为：所述出口整流器呈锥体空心结构，其底部和锥顶部分别设有气流孔。

6.根据权利要求1所述的管壳式轴向列管反应器，其特征为：所述出口整流器垂直截面中底部夹角β为45-60°。