CN202070331U - 一种高效加氢反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效加氢反应装置。三台加氢反应器并联后均串联加氢成熟机，斜格板分离器(7)底部并联连接三台加氢反应器底部，顶部连接汽液分离罐，汽液分离罐并联连接斜格板分离器(8)、(9)，斜格板分离器并联连接甲苯二胺成品槽，底部并联连接催化剂回收槽，经隔膜泵并联连接三台加氢反应器顶部。本实用新型大幅度降低氢化反应器尺寸，减小搅拌电机功率，实现装置节能降耗。

Description

一种高效加氢反应装置

技术领域

本实用新型涉及一种高效加氢反应装置。 

背景技术

氢化反应是TDI生产硝化、氢化、光化三大核心反应过程中的重要一步，是TDI生产的关键技术之一，加氢反应器是氢化反应的核心生产设备，其技术先进性直接影响到TDI生产成本的高低和整条生产线的工艺稳定性。 

二硝基甲苯加氢生成甲苯二胺的氢化反应方程式如下： 

氢化反应为放热量很大的反应，必须及时把反应热传出，因此反应器内有很大传热面的冷却器。此反应为气液固三相反应，必须有强烈搅拌，使氢气很好分散在液相内，促使反应快速进行。目前国际大型DNT加氢反应器形式主要有两类，一类为喷射循环吸氢反应器，一类为釜式搅拌反应器。由于DNT加氢反应具有氢气消耗量大、放热量大等特点，而喷射循环吸氢反应器吸氢效率低、功耗大，因此加氢反应器还以釜式搅拌反应器为主流。DNT氢化反应用釜式搅拌反应器在使用过程中均存在设备费用昂贵、设备尺寸大、搅拌功率高、机械故障多、时空收率低、出口可还原物高等问题，使单位产品能耗增大，产品质量降低。釜式搅拌反应器历经近百年的发展，反应釜形式多，结构各异，主要有以下类型：从换热件形式来分可分为板式和蛇管类；从传动形式方面可分为机械传动和磁力传动；从搅拌器形式来分可分为标准涡轮搅拌和变异涡轮搅拌； 从反应器组合形式上来看又可分为单釜式和双釜串联式等等。另外，由于设计人设计思路、理念、功用上的差异，在加氢反应釜上还选择性装配了辅助吸氢装置、导流装置、搅拌稳定装置(底部轴承/稳流环等)。 

传统工业上二硝基甲苯加氢生成甲苯二胺是在一个连续的三相淤浆搅拌釜式反应器中完成的。将二硝基甲苯与甲醇等溶剂一道以5-15克·摩尔/米³的浓度加进搅拌的反应器，将精细分散的粉状催化剂尤其是镍和钯基的催化剂悬浮作主催化剂使用在液相搅拌釜式反应器中并对二硝基甲苯的加氢。在搅拌的反应器中使用精细分散的粉状催化剂之外另选方案是在固定床反应器中使用粒状催化剂。虽然这种反应器技术能消除大部分的废料处理问题，但许多工程建造的问题一般不容许固定床反应器技术用于硝基芳烃化合物的加氢中，尤其是二硝基甲苯的加氢。在二硝基甲苯反应过程中控制整个温度的上升和温度梯度是问题之一。硝基芳烃化合物在加氢期间每摩尔硝基团释放500kJ以上的热。第二问题是在固定床填充反应器中由于硝基芳烃的加氢需要高流速而有显著的压力降。第三个问题是液-汽分配问题常导致低转化率和局部的浓度梯度。这些问题累积于生产过程中并对二硝基甲苯加氢存在相当多的安全问题。 

中国发明专利《用于生产苯胺和甲苯二胺的系统和方法》(申请号200880021226.2)使用外部高剪切机械装置以在混合装置中在受控环境中提供化学成分的快速接触和混合。该高剪切装置降低了对反应的传质限制，因此增加了总反应速率。涉及液体、气体和固体的化学反应依靠涉及时间、温度和压力的动力学定律以决定反应速度。如果期望将不同相固体、液体和气体的多种原材料反应，控制反应速度的限制因素之一涉及反应物的接触时间。在非均相催化反应的情况下，存在另外的速率限制因素：将反应产物从催化剂表面移除以使催化剂能够催化另外的反应物。反应物和/或催化剂的接触时间通常通过 混合得以控制，所述混合操作提供在化学反应中所牵涉的多种反应物的接触。包括所述的外部高剪切装置或混合器的反应器组件使得有可能降低传质限制，从而使得反应更密切地接近动力学极限。当反应速率被加速时，停留时间可被减少，从而增加可获得的处理量。产品收率因高剪切系统和方法而被增加。或者，如果现有方法的产品收率是可接受的话，那么通过并入合适的高剪切来减少所需的停留时间可允许使用比传统方法更低的温度和/或压力。高剪切混合器被配置用于经由管道接收进口物流，该进口物流包含液体硝基苯或二硝基甲苯以及分子氢。该系统的一些实施方案可以具有以串联流或并联流布置的两个或更多个高剪切混合装置。其利用了一个或多个发生器，所述发生器包括转子/定子组合每个组合在定子和转子之间具有固定的缝隙，使得其能够在流过混合器的反应物混合物中产生亚微米和微米级的气泡。所述高剪切混合器包括壳体或外壳，以便可以控制反应混合物的压力和温度。 

中国发明专利号ZL99117513.1涉及二硝基甲苯加氢的改进方法，它通过在采用整体催化剂体系的反应器中使用二硝基甲苯与氢相接触。改进方法在于在掺入整体催化剂的活塞流反应器体系中二硝基甲苯连续、基本无溶剂、绝热加氢成甲苯二胺。将由二硝基甲苯和反应产物组分组成的进料连续地加入反应器，所述进料中含低于30％的溶剂；在绝热条件下进行二硝基甲苯加氢生成甲苯二胺；从反应器中连续地取去加氢反应产物。该方法带来许多优点，它们包括： 

·通过高的气-液和液固传质能达到极高的反应速率； 

·能不用溶剂进行二硝基甲苯的加氢，因此排除了某些纯化步骤； 

·能连续进行二硝基甲苯加氢成甲苯二胺而基本无副产物； 

·在加氢过程中能利用整体催化剂，因而降低了投资成本，同时保持了固定床反应器的优点和消除了三相淤浆反应器的缺点； 

·由于绝热操作能产生高质量蒸汽，具有利用反应热的优点； 

·能达到比普通返混DNT加氢反应器明显高的单位体积催化反应器的生产速率； 

·能如固定床反应器操作加氢方法，活塞流，并具有低的压力降特性； 

·通过含高孔隙体积整体催化剂反应器的绝热操作能达到优异的单元催化剂寿命。 

中国实用新型专利ZL200920035493.7涉及一种加氢反应釜，包括筒体、蒸汽管道、球形上下封头，蒸汽管道通过支架固定在筒体四周，筒体两端固定有球形上下封头，上封头上设置有出料口，下封头上设置有进料口，筒体由不锈钢内筒和碳钢外筒组成。 

中国实用新型专利ZL200920035494.1涉及一种加氢反应釜，包括筒体，物料出口管道、安全阀管道和进料管道固定在筒体上，氢气管道和催化剂管道焊接在物料出口管道上，放空管道和另一氢气管道焊接在安全阀管道上，氮气管道焊接在放空管道上，所述物料出口管道焊接在所述进料管道上。 

中国发明专利《连续制备甲苯二胺的方法》(申请号200910169779.9)披露了一种方法，在镍催化剂存在下进行气固液三相催化加氢还原反应，强烈搅拌，采用外循环冷却与内盘管冷却相结合方式将反应器产生的反应热移出，二硝基甲苯被氢气还原生成粗甲苯二胺。反应器的操作压力为1.5-2.5MPa，操作温度是100-200℃，镍催化剂需倒入热水中混合后泵入反应器，氢气由压缩机送入反应器中，DNT需加热到80℃送入反应器中。反应器中反应混合物经过流量控制阀进入分离器，分离器底部浓缩后的催化剂循环液由循环泵送回反应器中，分 离器中经沉降后的液体从上部溢流至汽液分离罐，汽液分离罐中反应液中的气体由排空管线送往火炬，液体进入脱水塔(7)。 

本实用新型的目的是在上述专利的基础上，大幅度降低氢化反应器尺寸，减小搅拌电机功率，实现装置节能降耗；降低反应器中可还原物浓度，提高TDA产品质量；实现加氢反应器备用，避免高负荷下加氢反应设备故障带来的影响；实现加氢技术突破。 

发明内容

本实用新型的总体技术方案包括：采用两釜串联加氢工艺。氢反应器是强搅拌釜式反应器，可近似看做全混流反应器。全混流反应器是返混最大的反应器，反应推动力处于很低状态。DNT加氢反应属中等反应速度反应，实际操作工况下反应速率为0.9-2.1mol/(m³.s)，由于工艺要求反应器中可还原物浓度很低(w/w≤100ppm)，即要求反应得率很高(得率≥99.99％)，为提高反应完全程度，采用加大反应停留时间的办法，因而造成反应器体积很大，导致搅拌功率过高、机械密封故障频繁等一系列问题。DNT加氢反应速率受DNT浓度影响很大，在高浓度区(≥600PPm)属0级反应，在低浓度区(≤600PPm)属1级反应，根据反应动力学原理，采用两级串联可以大大提高反应器的反应推动力，减少反应体积，提高反应效率，因此本实用新型增加了保护反应器，通过两釜串联操作，大大减小了反应体积，解决了反应器搅拌电机过大、生产能耗高、机械故障频繁等问题。板式换热器传热效率高，冷媒用量小，换热器占用反应釜体积小，相同换热量、相同换热工况下，蛇管体积为板式换热器体积的12倍左右。我公司现用反应器采用机械密封，由于搅拌电机功率大(500kw/h)，搅拌轴长，因此造成机械密封故障和底部限位支撑环故障频繁，维修成本昂贵，给公司稳定生产带来了很大危害，为避免此类故障，本实用新型采用磁力搅拌器，实现物 料与设备的完全隔离，避免了机械密封故障。同时由于反应器长度较小，取消底部限位支撑环，改为圆形稳流环稳流，杜绝底部支撑故障，保障设备稳定运行。以前加氢反应器均不设导流筒，釜内物料无法形成很好的定向稳定流，反混现象严重，催化剂分布不够均匀，反应效率较低，因此本实用新型反应器中增加导流筒，提高反应器混合效率，提高反应效果。本实用新型采用φ650双吸头涡轮搅拌器，加φ220大吸气导筒，增加反应器吸气量与持气量，保证反应效果良好和大的提负荷潜力，减小搅拌功率。本实用新型利用反应器结构，采用镍催化剂自循环技术，减少动力消耗和设备故障。本实用新型增加搅拌变频器，实现反应器搅拌转速调节，适应不同负荷需求，实现节能。实用新型内容描述如下： 

一种高效加氢反应装置，包括加氢反应器(3)、加氢成熟机(4)、斜格板分离器(7)、分离器(8)、分离器(9)，其特征是：DNT储槽(1)经DNT输送泵(2)并联连接三台加氢反应器(3)顶部，氢气储槽(5)经氢气压缩机(6)并联连接三台加氢反应器(3)底部，三台加氢反应器(3)并联后均串联加氢成熟机(4)，加氢成熟机(4)连接斜格板分离器(7)，斜格板分离器(7)底部并联连接三台加氢反应器(3)底部，顶部连接汽液分离罐(10)，汽液分离罐(10)底部并联连接斜格板分离器(8)、分离器(9)，斜格板分离器(8)、分离器(9)顶部并联连接甲苯二胺粗品槽(11)，底部并联连接催化剂回收槽(13)，催化剂回收槽(13)顶部连接新催化剂配制槽(12)，底部经隔膜泵(14)并联连接三台加氢反应器(3)顶部。其中加氢反应器(3)由磁力电机联轴节(15)、轴套(16)、轴(17)、冷却水进出口管(18)、导流筒(19)、板式冷却器(20)、双吸头涡轮搅拌器(21)、机体(22)、氢气进口管(23)、下人孔(24)、出料管(25)组成，沿机体(22)中心线从上向下安装有磁力电机联轴节(15)、轴(17)，轴(17) 外包复轴套(16)，轴(17)下安装双吸头涡轮搅拌器(21)，磁力电机通过磁力电机联轴节(15)转动轴(17)再带动双吸头涡轮搅拌器(21)同向转动，导流筒(19)沿轴向环绕悬空，导流筒(19)和机体(22)之间均匀环绕布置板式冷却器(20)，冷却水进出口管(18)穿过机体(22)上部连接板式冷却器(20)，氢气进口管(23)穿过机体(22)下部接盘管沿径向环绕悬空，机体(22)中心线底部开孔焊接下人孔(24)，右上部开孔焊接出料管(25)。板式冷却器(20)呈弧形板，有50块，板与板之间的垂直距离：小头36mm，大头32mm，冷却水采用φ168×7的管，四进四出。氢气进口管(23)盘管采用Dg150的管，压力4MPa，其中按内外圈排小孔两圈，内圈排φ18mm小孔35个，外圈排φ18mm小孔45个。加氢成熟机(4)由机盖(27)、磁力电机联轴节(26)、轴(29)、螺旋搅拌器(30)、导流筒(31)、放净阀(32)、入料管(28)3个、出料管(33)组成，沿机盖(27)中心线从上向下安装有磁力电机联轴节(26)、轴(29)，轴(29)下安装螺旋搅拌器(30)，磁力电机通过磁力电机联轴节(26)转动轴(29)再带动螺旋搅拌器(30)同向转动，导流筒(31)沿轴向环绕悬空，机盖(27)中心线底部开孔焊接放净阀(32)，机盖(27)上部沿径向均分开三孔焊接入料管(28)3个，右上部开孔焊接出料管(33)。 

对比申请号200910169779.9的发明技术要点，本实用新型具有以下几个创新点： 

(1)本实用新型加氢反应器有效体积为14.8m³，采用两级串联可以大大提高反应器的反应推动力，减少反应体积，采用磁力搅拌器，搅拌器直径加大，增加搅拌变频器，实现反应器搅拌转速调节，增加导流桶，提高反应器混合效率，在催化剂含量1％、温度为125℃、压力2.8MPa时，反应能力为DNT12152.70kg/h，达到6.75万吨TDI/年，三台能达满足20万吨TDI/年。采用四台设备三开一备并联做主机，加一台成熟机做保护反应器，产量可达十五万吨TDA/年，也可开 不同台数，调整产量，设备有问题时也可切断此台处理，可保持全线生产。 

(2)反应器的冷却装置采用板式冷却器。传热系数K＝1200kcal/m²h℃，比列管式高。在板式换热器中，由于板面有沟槽或波纹形状，故在低流速下就可以形成湍流，由于有一定冲刷作用，污垢热阻也较小。此外，结构紧凑也是一个优点，每立方米体积内可具有250m²以上的传热面积，而列管换热器则在150m²以内。我们现用的板式冷却器不是以前用的垫圈密封，而是焊接的边框，所以耐压增高。此外板式换热器的处理量比较小，这是因为板间距仅仅几个毫米，流通截面较小，而水在板式冷却器中流速又不大，提高热能平衡与利用，冷却水进口温度为30℃，出口温度控制在60℃左右。 

(3)以前反应器的操作压力为1.5-2.5MPa，本实用新型反应器的操作压力为2-3MPa，设备的吸气量相同，压力越高吸入氢的质量越大。提高反应压力，是提高反应速度最有效方法，提高生产能力最有效。 

(4)回收催化剂采用自流方案，提高反应器的催化剂含量，不是增加催化剂的用量，而是加强催化剂回收与循环。 

本实用新型其与号称“世界一流氢化反应釜专家”的比亚兹反应器相比，时空收率是比亚兹反应器的2.66倍，单位产品功耗只有比亚兹的20％左右，设备成本仅为比亚兹的10％左右，本加氢反应器确实已经达到国际领先水平。 

附图说明

图1是一种高效加氢反应装置工艺流程简图。 

图2是加氢反应器(3)结构示意图。 

图3是加氢反应器(3)中弧形板式冷却器(20)的布置示意图。 

图4是加氢反应器(3)中氢气进口管(23)盘管示意图。 

图5是加氢成熟机(4)结构示意图。 

图中代号说明：1-DNT储槽、2-DNT输送泵、3-加氢反应器、4-加氢成熟机、5-氢气储槽、6-氢气压缩机、7-斜格板分离器、8-斜格板分离器、9-斜格板分离器、10-汽液分离罐、11-甲苯二胺粗品槽、12-新催化剂配制槽、13-催化剂回收槽、14-隔膜泵、15-磁力电机联轴节、16-轴套、17-轴、18-冷却水进出口管、19-导流筒、20-板式冷却器、21-双吸头涡轮搅拌器、22-机体、23-氢气进口管、24-下人孔、25-出料管、26-磁力电机联轴节、27-机盖、28-入料管(3个)、29-轴、30-螺旋搅拌器、31-导流筒、32-放净阀、33-出料管。 

具体实施方式

下列实施例用于进一步详细说明本实用新型。上面所披露的本发明的精神和范围不受这些实施例的限制。本领域的技术人员应不难理解可以进行已知的变更。 

优选实施例 

加氢反应器： 

①机体：因为高压设备，选用椭圆封头，直径φ2400mm，机盖与机体焊在一起，机盖与封头一样，桶体高度3700mm，封头高600mm，设备总高4900mm，直边高50mm，封头体积2.05m³，高4.20mm，全容积为18.32m³，有效体积14.879m³。轴套220mm×mm，轴φ110mm/φ60mm，冷却水总进口管φ210mm×5mm，4根。下人孔φ750mm，出料管φ230mm×40mm。 

②板式冷却器：弧形板，宽940mm，高2500mm，厚14mm，弧长：940mm，半径800mm。50块，235m²，板与板之间的垂直距离(小头)：36mm。(大头)：32mm。冷却水采用φ168mm×7mm的管，四进四出。冷却水温度30℃，冷却水出口温度60℃。 

③导流筒：直径φ1330mm×5mm，H2000mm，搅拌循环两区面积比1.847。 

④搅拌器：φ110/φ60空心轴；φ650mm，H130mm双吸头涡轮搅拌，导气桶φ220mm×4mm。转速为500r.p.m。电机：65KW磁力驱动电机。电机用调频器转速可调为400～550r.p.m。对于涡轮搅拌器来说，搅拌器厚度(也就是高度)高，通过的流体多。高为130mm。为了减少搅拌器下面液体的循环，将搅拌器的位置下移一些，距底近约搅拌器直径90％即500mm。这样也可以减少催化剂在底部的沉淀。而导流筒的底必须高于搅拌器200mm左右，550+200＝700mm，导流筒距机底750mm。导流筒距搅拌器中心200mm。 

⑤加氢管：盘管采用Dg150mm的管，压力4MPa，氢气在管内流速小于8m/s。其中按内外圈排小孔两圈，内圈排φ18mm小孔35个，外圈排φ18mm小孔45个。 

成熟机： 

成熟机反应很小，放热量不大，采用机壳外加半管保温或降温。 

①机体：机盖与机体焊在一起，机盖与封头一样，直径φ1800mm，高2300mm，采用磁力搅拌器。机盖φ1800mm。入料管(3个)Dg200mm，轴φ140mm，导流筒直径φ1200mm×5mm，H1500mm，放净阀Dg100mm，出料管Dg300mm。 

②螺旋搅拌器：φ550mm，方向下压，只要一个搅拌器，位置距大法兰900mm，转速300-400r.p.m，电机用10KW。 

③导流筒直径φ1200mm。 

尽管已在以上的举例说明中详细描述了本实用新型，但应当理解的是，所述的细节仅用于举例说明，本领域技术人员可以在不背离本实用新型的权利要求所限的精神和范围内对其做出变动。 

Claims (5)

1.一种高效加氢反应装置，包括加氢反应器(3)、加氢成熟机(4)、斜格板分离器(7)、分离器(8)、分离器(9)，其特征是：DNT储槽(1)经DNT输送泵(2)并联连接三台加氢反应器(3)顶部，氢气储槽(5)经氢气压缩机(6)并联连接三台加氢反应器(3)底部，三台加氢反应器(3)并联后均串联加氢成熟机(4)，加氢成熟机(4)连接斜格板分离器(7)，斜格板分离器(7)底部并联连接三台加氢反应器(3)底部，顶部连接汽液分离罐(10)，汽液分离罐(10)底部并联连接斜格板分离器(8)、分离器(9)，斜格板分离器(8)、分离器(9)顶部并联连接甲苯二胺粗品槽(11)，底部并联连接催化剂回收槽(13)，催化剂回收槽(13)顶部连接新催化剂配制槽(12)，底部经隔膜泵(14)并联连接三台加氢反应器(3)顶部。

2.根据权利要求1所述的一种高效加氢反应装置，其特征是：其中加氢反应器(3)由磁力电机联轴节(15)、轴套(16)、轴(17)、冷却水进出口管(18)、导流筒(19)、板式冷却器(20)、双吸头涡轮搅拌器(21)、机体(22)、氢气进口管(23)、下人孔(24)、出料管(25)组成，沿机体(22)中心线从上向下安装有磁力电机联轴节(15)、轴(17)，轴(17)外包复轴套(16)，轴(17)下安装双吸头涡轮搅拌器(21)，磁力电机通过磁力电机联轴节(15)转动轴(17)再带动双吸头涡轮搅拌器(21)同向转动，导流筒(19)沿轴向环绕悬空，导流筒(19)和机体(22)之间均匀环绕布置板式冷却器(20)，冷却水进出口管(18)穿过机体(22)上部连接板式冷却器(20)，氢气进口管(23)穿过机体(22)下部接盘管沿径向环绕悬空，机体(22)中心线底部开孔焊接下人孔(24)，右上部开孔焊接出料管(25)。

3.根据权利要求2所述的一种高效加氢反应装置，其特征是：其中所述加氢反应器(3)内安装的板式冷却器(20)呈弧形板，有50块，板与板之间的垂直距离：小头36mm，大头32mm，冷却水采用φ168×7的管，四进四出。 

4.根据权利要求2所述的一种高效加氢反应装置，其特征是：其中所述加氢反应器(3)内安装的氢气进口管(23)盘管采用Dg150的管，压力4MPa，其中按内外圈排小孔两圈，内圈排φ18mm小孔35个，外圈排φ18mm小孔45个。

5.根据权利要求1所述的一种高效加氢反应装置，其特征是：其中加氢成熟机(4)由机盖(27)、磁力电机联轴节(26)、轴(29)、螺旋搅拌器(30)、导流筒(31)、放净阀(32)、入料管(28)3个、出料管(33)组成，沿机盖(27)中心线从上向下安装有磁力电机联轴节(26)、轴(29)，轴(29)下安装螺旋搅拌器(30)，磁力电机通过磁力电机联轴节(26)转动轴(29)再带动螺旋搅拌器(30)同向转动，导流筒(31)沿轴向环绕悬空，机盖(27)中心线底部开孔焊接放净阀(32)，机盖(27)上部沿径向均分开三孔焊接入料管(28)3个，右上部开孔焊接出料管(33)。 

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