CN112588206A - 一种用于大规模dmo反应的卧式多流程板式反应设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，包括一个卧式多管口壳体，该壳体上设有多组原料气进出口和移热侧进出口，所述的壳体内设有催化剂床层(3)，所述的催化剂床层包括至少两段流程，各流程由多个板式控温模块(2)装填催化剂组成，同一流程段的各板式控温模块(2)内装填的催化剂高度相同。与现有技术相比，本发明具有传热系数高，所需换热面积小，无需价格昂贵的管板，有利于降低装置制造成本等优点。较小的催化剂床层阻力和系统运行压降，有利于降低循环机能耗和生产运行成本；能够分段调节水侧温度和流量，控制每段床层温度的均匀性，提高DMO收率和运行的安全性。

Description

一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备
技术领域
本发明涉及DMO反应设备，尤其涉及一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备。
背景技术
目前中国国内乙二醇项目迅速发展，主要以碳一合成路线中草酸二甲酯催化加氢制乙二醇为重点。因此，草酸二甲酯作为乙二醇制备的主要原料，其制备也是非常重要的研究领域。当反应的温度低于预期温度时，DMO草酸二甲酯会在催化剂表面冷凝。冷凝物可能充满催化剂孔并降低催化剂活性；同时反应物亚硝酸甲酯(MN)具有自分解的特征，在反应设备中，应注意将温度控制在一定范围内，以免在高温条件下MN快速分解反应。因此，对于该反应而言，控制反应器催化剂床层的温度分布尤为重要。
随着下游产品乙二醇需求的增加，煤制乙二醇项目产能相应扩大，考虑到制造成本和运行能耗，煤制乙二醇各工段反应器大型化势在必行。目前，DMO合成反应器多为列管式等温反应器，其产能规模主要在5～20万吨DMO/年，对于装置大型化的趋势有着诸多限制。第一，列管式等温反应器直径的增大导致管板的造价激增，造成装置建设投资高；第二，由于羰化反应系统运行压力较低，羰化气体循环压缩机成为煤制乙二醇中的能耗装置，列管式等温反应器高度的增加导致催化剂床层压降的增大，造成气体循环压缩机运行能耗大增，严重限制反应器的放大；第三，列管式等温反应器管径的增大导致催化剂床层温度分布不均，换热管中心易出现超温现象，影响运行的安全性；第四，列管式等温反应器直径的增大导致冷却水侧的流动不均匀性显著增加，加剧催化剂床层温度的不均匀性；第五，列管式等温反应器直径超过了公路运输限制，由于必须在生产现场进行设备加工和焊接，增加反应器制造难度。因此，列管式等温反应器不能满足装置大型化(产能为20～40万吨DMO/年)的设计要求，不符合当今我国化工“大规模、低能耗、高效率、低污染”的发展趋势。
现有的固定床卧式反应器多为绝热反应器，CN207102556U提到了一种卧式反应器，催化剂床层上没有移热设备，通过反应器出入口的热交换器，预先升温、降温。但DMO反应放热速度快，且放热量大，此种反应器无法满足该反应的换热要求。虽然现有的固定床卧式反应器能够不同程度上降低压降、降低投资，但是仍存在催化剂装卸困难以及反应器内气体分布不均的问题。尤其是针对快速放热的反应，催化剂床层需要高效的移热设备来移除反应热，同时要兼顾反应器内部复杂结构，现有的卧式反应器均无法满足。
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传热系数高的用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备。
鉴于列管式等温反应器在DMO合成装置产能放大方面的种种限制，本新型卧式多流程板式反应设备在相同尺寸下传热系数高，催化剂装填率大，可实现产能放大。特别指出的是，本发明的卧式多流程板式反应器具有传热系数高，所需换热面积小，无需价格昂贵的管板，有利于降低装置制造成本；较小的催化剂压降阻力和系统运行压降，有利于降低气体循环压缩机能耗和生产运行成本；能够分段调节水侧温度和流量，控制每段催化剂床层温度的均匀性，提高DMO收率和运行的安全性；反应器直径不受催化剂装填量限制，符合公路运输要求，便于反应器整体运输，降低制造难度。此外，该反应器，整体采用独立模块化设计，模块特性由板对设计参数决定，多组板对形成独立模块，多组模块串并联集成大型反应器。与列管式等温反应器的放大效应相比，本反应器各模块移热性能均匀无偏差，工业放大风险大幅降低。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，包括一个卧式多管口壳体，该壳体上设有多组原料气进出口和移热侧进出口，所述的壳体内设有催化剂床层(3)，其特征在于，所述的催化剂床层包括至少两段流程，各流程由多个板式控温模块(2)装填催化剂组成，同一流程段的各板式控温模块(2)内装填的催化剂高度相同。
流体在各流程段内的流动方式为顺流形式或逆流形式，每段流程利用在轴向上并列多组相同模块来满足反应器产能的放大，避免因根据羰化反应特点，所述的波纹换热板对(11)为枕式换热板对，相邻波纹换热板对(11)之间的间距为10mm～100mm。反应器直径增大而受到公路运输的限制。
每段流程在轴向上并联多组板式控温模块(2)。
所述的板式控温模块(2)包括相同的若干片波纹换热板对(11)，各波纹换热板对(11)底部设置的可拆卸格栅上，相邻波纹换热板对(11)之间装填催化剂。所述的板式控温模块单元由相同的若干片波纹换热板对(11)保持一定间距且由4块厚板分别于最外端波纹换热板对焊接，并在4周密封焊接，只留下上下开口供流体流动。
根据羰化反应特点，所述的波纹换热板对(11)为枕式换热板对，相邻波纹换热板对(11)之间的间距为10mm～100mm。
所述的卧式多管口壳体包括圆形筒体(5)直径为3～6米，长度不小于8米，两端设置的封头(4)，以及多组原料气进出口和移热侧进出口，所述的移热侧进出口的数量或截面积至少是原料气进出口的数量或截面积的2倍，且各移热侧进出口连接至少一个汽包，同时移热侧各分路设置有紧急放空阀。
所述的卧式多管口壳体单侧水平方向上设置有至少2个平行且等距的原料气进口a(6)，其相对的另一侧设置有相对应的生成物出口a(7)；原料气可由反应器右上方原料气进口a(6)流入经U形流程再从反应器左上方生成物出口a(7)流出；
或者，所述的卧式多管口壳体上方设置有至少2个平行且等距的原料气进口b(8)，其底部设置有相对应的生成物出口b(9)；原料气由反应器上侧原料气进口b(8)流入经至少两段不同的催化剂床层从反应器下侧生成物出口b(9)流出。
所述的卧式多管口壳体内轴向上设置至少一段竖直引流分隔挡板(12)，将反应器径向方向上分成至少左右两个流程，该竖直引流分隔挡板(12)上侧为无开孔挡板，下侧均匀开孔的开孔板；无开孔挡板与开孔板比率为10～2：1，开孔板的开孔率为15％～65％，也可以是100％。
所述的卧式多管口壳体内径向上设置至少一段水平引流分配挡板(13)，将反应器轴向方向上分成至少上下两个流程，该水平引流分配挡板(13)上均匀开孔，开孔率为30％～70％，也可以是100％。
催化剂床层至少由两段流程组成，所述的两段及两段以上流程由至少两组不同的板式控温模块组成。处于同一段流程内的板式控温模块组各参数一致，催化剂装填高度均相同。靠近原料气进口且位于同一流程段的板式控温模块(2)的板对间距D1为10mm～60mm，更优选的为15mm～45mm，催化剂装填高度h1为1.5m～4.3m；靠近原料气出口且位于同一流程段的板式控温模块(2)的板对间距D2为20mm～100mm，更优选的为20mm～60mm，催化剂装填高度h2为0.3m～4.0m。其中D1<D2，h1>h2。
DMO合成反应是一种剧烈放热反应，且其反应物质亚硝酸甲酯(MN)在高温条件下会发生快速分解反应，导致反应温度迅速上升，发生飞温爆炸现象，严重影响生产的安全性。而DMO反应速度取决于温度和反应物质的浓度。在反应器入口处反应物质浓度高，反应性好；越接近反应器的出口处反应物质浓度越低，反应性也会跟着变低，因此，催化剂床层前半部分，反应量高，相比催剂床层后半部分需要更高的除热能力。因此，在催化剂床层的前半部分，需要在确保高传热效率的条件下，通过抑制MN分解来提高产量；
同时，生成物DMO的沸点比其他成分的要高，如果反应器的温度低于其底限，在催化剂表层会发生DMO凝结，其凝结物会渗入催化剂细孔，有导致催化剂活性低的可能性。故在整个反应过程中，反应温度的精确控制尤为重要，整体反应过程优选在50至200℃，更优选80至150℃的温度下进行。反应压力优选为环境大气压或更高，但不大于10kg/cm2G(约1MPaG)，更优选不大于5kg/cm2G(约0.5MPaG)。更进一步地，根据此反应特点，在催化剂床层的前半部分需要增强反应器的移热能力，将温度控制在一定范围内，以免在高温条件下MN快速分解反应；在催化剂床层的后半部分，需要弱化反应器的移热能力，控制反应出口温度不低于80℃。
所以，考虑到反应结果和安全性，必须严格控制反应器催化剂床层的温度分布。因此，发明了一种多级多流程的反应器，内置拥有不同的换热能力的板式控温模块，通过并联串联结构排布，形成多流程的内部结构，将反应温度多级化控制。针对DMO合成反应在催化剂床层前半部分放热剧烈需要高换热能力，在催化剂床层后半部分控制床层温度均匀而提高收率的特性，设计不同板间距的至少两个流程，前段流程板间距较小，增强换热能力；后端流程板间距较大，控制反应温度平稳，防止出口温度过低。
另外，随着煤制乙二醇项目产能逐渐扩大，DMO合成反应要求尽量减小催化剂床层阻力，降低催化剂床层压降，减小气体循环压缩机功率以节省运行能耗。采用卧式的反应器催化剂床层高度小，配合板式模块化设计，扩大产能时依然可以保证低压降，而且使得催化剂的装填更均匀和简便，将各通道进料气体与催化剂的接触时间都控制在0.2～10秒，保证反应的安全性，实现节能减排。
卧式多段控温板式反应器由若干个单元模块拼接而成，配合多组移热侧进出口和有紧急放空阀，各个单元模块的汽包(温度·流量)都能实现单独调整。催化剂床层的温度控制更便利，从而更有利于实现安全稳定的生产。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.卧式多段控温板式反应器内部控温板块单元由模块化结构组成，可根据产能要求在轴向上并列多组模块，从而不增大反应器直径，使其在公路运输限制范围内。因此，卧式反应器各部件可在工厂加工组装完成且无管板制造要求，既提高制造精度又降低制造成本。
2.卧式多段控温板式反应器的催化剂床层高度不受产能放大的影响，例如20万吨/年DMO产能控制在一定空速运行条件下，卧式反应器催化剂床层压降只有25kPa，远低于列管式反应器的170kPa，即使提高空速，卧式反应器也只有35kPa，其多段流程催化剂床层总高不超过5m，催化剂床层压降显著减小，可控制在15kPa～50kPa。因此，卧式反应器大大降低系统运行压降，显著减小压缩机功率，进而节约运行成本。
3.卧式多段控温板式反应器的多流程和模块化设计有利于单独调节每个流程和模块的冷却水流量和温度，显著提高催化剂床层温度控制的便利性和精确性，同时多段流程的控制保证整体反应温度均匀，无明显热点区域，有利于调节催化剂床层温度，避免飞温和提高DMO收率。
4.卧式多段控温板式反应器具有极好的传热性能、均匀的冷却水侧流动分布和催化剂装填的便捷均匀性以及模块化设计，使得各个通道催化剂床层温度分布均匀，无局部高温区域。因此，卧式多段控温板式反应器更有利于提高DMO产率，具有更佳的生产安全稳定性。
5、本发明装置具有“稳定、节能、安全、高效”等特性，符合当今化工生产大型化发展趋势，是在煤制乙二醇领域最具潜力的反应器之一。
附图说明
图1为本发明卧式多流程板式反应设备的整体结构示意图；
图2为本发明卧式多流程板式反应设备的第一种结构形式示意图；
图3为本发明卧式多流程板式反应设备的第二种结构形式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。
本发明卧式多流程控温板式反应器可根据需要，将反应器设置成多种形式：
形式一：一种用于亚硝酸甲酯和CO进行反应，得到草酸二甲酯(DMO)的制造方法中的大规模羰化反应的卧式多流程控温板式反应器，参照图1、2，包括一个卧式多管口壳体，壳体为水平放置的卧式壳体，两端设有封头4，圆形筒体5，壳体直径为3～4.5米。壳体内部至少包括两段以上换热能力不同的多级流程，筒体右侧水平方向上设置有至少2个平行且等距的原料气进口a6，其左侧设置有相对应的生成物出口a7，壳体内轴向方向上设置至少一段竖直引流分隔挡板12将反应器分成至少左右两个流程(该竖直引流分隔挡板(12)上侧为无开孔挡板，下侧均匀开孔的开孔板；无开孔挡板与开孔板比率为10～2：1，开孔板的开孔率为15％～65％，也可以是100％)，原料气一氧化碳和亚硝酸甲酯可由反应器右上方原料气进口a6流入右侧的铂族金属催化剂床层进行反应，再通过竖直引流分隔挡板12进入左侧催化剂床层，呈U形流程再从反应器左上方生成物出口a7流出得到生成物。右侧流程内包括2～20个并联连接的板式控温模块2，每个板式控温模块2是由相同的若干片波纹换热板对11保持15mm～45mm间距排布；左侧流程内包括2～20个板式控温模块2，其中的波纹换热板对11保持20mm～80mm间距排布，催化剂装填在波纹换热板对间，波纹换热板对11上设有循环水进出口，通过板对内部循环水带走热量，反应原料气在板对件的催化剂上发生反应。循环水进出口即为移热侧进出口(如图2中移热侧进口10，移热侧出口10’)，循环水进出口与至少一个汽包相连，同时移热侧各分路设置有紧急放空阀，调节反应温度保证反应安全进行。
形式二：另一种用于大规模羰化反应的卧式多流程控温板式反应器，参照图1、3，包括一个卧式多管口壳体,壳体为水平放置的卧式壳体，两端设有封头4，圆形筒体5，壳体直径为4～6米。壳体内部至少包括两段以上换热能力不同的多级流程，筒体上侧水平方向上设置有至少2个平行且等距的原料气进口8，其底部设置有相对应的生成物出口9，反应器壳体内径向方向上设置至少一段水平引流分配挡板13将反应器轴向方向上分成至少上下两个流程(该水平引流分配挡板(13)上均匀开孔，开孔率为30％～70％，也可以为100％。)，原料气一氧化碳和亚硝酸甲酯可由反应器上方进口8流入铂族金属催化剂床层进行反应，再通过水平引流分配挡板进入下侧催化剂床层，最后从生成物出口9流出。上侧流程内包括2～20个板式控温模块2，每个板式控温模块2是由相同的若干片波纹换热板对11保持10mm～40mm间距排布；下侧流程内包括2～20个板式控温模块2，波纹换热板对11保持15mm～60mm间距排布，催化剂装填在波纹换热板对间，通过波纹换热板对内部的循环水带走热量。循环水进出口即为移热侧进出口(如图3中移热侧进口10，移热侧出口10’)，与至少一个汽包相连，同时移热侧各分路设置有紧急放空阀，调节反应温度保证反应安全进行。
根据改变循环水进出口(10,10’)的顺序，可以控制流程为顺流形式或逆流形式。其中每段流程的催化剂装填高度一致，每段流程利用在轴向上并列多组相同模块来满足反应器产能的放大，避免因反应器直径增大而受到公路运输的限制。
实施例1：
在大规模亚硝酸烷基酯羰化反应中，采用形式一卧式多流程控温板式反应器，反应器内径为4m。在反应器的上方，经由气体压缩机(无图示)，把CO和再生塔出来的气体(亚硝酸甲酯)进行混合后的混合气体(含有
Figure BDA0002805077880000071
一氧化碳的体积浓度，含有3～15％体积浓度的亚硝酸甲酯，同时还包含非反应性气体，例如氮气或二氧化碳气体，少量的一氧化氮和烷基醇蒸气)，输送到预热器(无图示)里加热后往催化剂床层供给，通过反应器控温板控制整体反应温度80至150℃，使一氧化碳和亚硝酸甲酯得以进行反应。卧式反应器两段流程催化剂床层总高为4.5m，催化剂装填均匀，反应器运行稳定，与相同的运行工况下的列管式反应器比较，床层压降更小，仅仅45kPa，传热效果显著，卧式多流程控温板式反应器的换热系数是列管式反应器的1.5～2倍，在相同的热点温度条件下，DMO收率会提高15～20％左右。
实施例2：
在大规模亚硝酸烷基酯羰化反应中，跟实施例1同样的反应条件下，采用形式二卧式多流程控温板式反应器，反应器内径为4.8m，控制整体反应温度80至150℃的下进行反应，卧式反应器两段流程催化剂床层总高为2.5m，反应器运行稳定，与相同的运行工况下的列管式反应器比较，催化剂床层压降显著减小，仅25kPa，大大节省循环压缩机的使用功率，降低系统的运行能耗。传热效果显著，催化剂床层温度分布均匀，在相同的热点温度条件下，DMO收率较列管式反应器会提高5～10％。
上述实施例中反应器用于大规模DMO反应，性能如下表所示
Figure BDA0002805077880000081
DMO收率是指每立方米每小时产生的DMO粗品质量，此处基于与普通列管式反应器的比较结果，换热系数和DMO收率是相对值。
从上表可以看出，实施例1中所述反应器传热效果显著，换热系数是列管式反应器的1.5～2倍，DMO收率会提高15～20％左右；
实施例2中反应器传热效果显著，换热系数是列管式反应器的1.5～2倍，DMO收率会提高5～10％左右。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于亚硝酸甲酯和CO进行反应，得到草酸二甲酯(DMO)的制造方法中的大型卧式多流程板式反应设备，包括一个卧式多管口壳体，该壳体上设有多组原料气进出口和移热侧进出口，所述的壳体内设有催化剂床层(3)，其特征在于，所述的催化剂床层包括至少两段流程，各流程由多个板式控温模块(2)装填催化剂组成，同一流程段的各板式控温模块(2)内装填的催化剂高度相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，流体在各流程段内的流动方式为顺流形式或逆流形式。
3.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，每段流程在轴向上并联多组板式控温模块(2)。
4.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的板式控温模块(2)包括相同的若干片波纹换热板对(11)，各波纹换热板对(11)底部设置的可拆卸格栅上，相邻波纹换热板对(11)之间装填催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的波纹换热板对(11)为枕式换热板对，相邻波纹换热板对(11)之间的间距为10mm～100mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的卧式多管口壳体包括圆形筒体(5)，两端设置的扁封头(4)，以及多组原料气进出口和移热侧进出口，所述的移热侧进出口的数量或截面积至少是原料气进出口的数量或截面积的2倍，且各移热侧进出口连接至少一个汽包。
7.根据权利要求6所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的卧式多管口壳体单侧水平方向上设置有至少2个平行且等距的原料气进口a(6)，其相对的另一侧设置有相对应的生成物出口a(7)；
或者，所述的卧式多管口壳体上方设置有至少2个平行且等距的原料气进口b(8)，其底部设置有相对应的生成物出口b(9)。
8.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的卧式多管口壳体内轴向上设置至少一段竖直引流分隔挡板(12)，将反应器径向方向上分成至少左右两个流程，该竖直引流分隔挡板(12)上侧为无开孔挡板，下侧为均匀开孔的开孔板；无开孔挡板与开孔板比率为10～2：1，开孔板的开孔率为15％～65％，也可以是100％。
9.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，所述的卧式多管口壳体内径向上设置至少一段水平引流分配挡板(13)，将反应器轴向方向上分成至少上下两个流程，该水平引流分配挡板(13)上均匀开孔，开孔率为30％～70％，也可以是100％。
10.根据权利要求1所述的一种用于大规模DMO反应的卧式多流程板式反应设备，其特征在于，靠近原料气进口且位于同一流程段的板式控温模块(2)的板对间距为10mm～60mm，更优选的为15mm～45mm，催化剂装填高度为1.5m～4.3m；靠近原料气出口且位于同一流程段的板式控温模块(2)的板对间距为20mm～100mm，更优选的为20mm～60mm，催化剂装填高度为0.3m～4.0m。
CN202011364698.7A 2020-11-27 2020-11-27 一种用于大规模dmo反应的卧式多流程板式反应设备 Active CN112588206B (zh)

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