CN204619939U - 一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器 - Google Patents

一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，该反应器包括反应器外壳、换热板对束、冷却介质分配总管和支管、冷却介质收集总管和支管；所述的反应器外壳底部设有冷却介质入口，顶部设有冷却介质出口，所述的换热板对束一端通过冷却介质分配总管和支管连接反应器外壳的冷却介质入口，另一端通过冷却介质收集总管和支管连接反应器外壳的冷却介质出口；所述的换热板对束由多个换热板对组成，换热板内为板程，相邻换热板对之间装填催化剂，为壳程，草酸二甲酯与氢气组成的原料气进入反应器后走壳程，并经催化剂催化反应生成乙二醇，冷却流体走板程，带走反应放出的热量。与现有技术相比，本实用新型具有结构调整灵活、换热效率高、反应选择性更好及可以现场组装等优点。

Description

一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器
技术领域
本实用新型涉及合成气制乙二醇工艺，尤其是涉及一种新型高效用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器。
背景技术
目前，在生产乙二醇工艺中，合成气经草酸二甲酯(DMO)生产乙二醇(EG)的工艺具有很强的竞争力。DMO加氢是一个串联反应，首先DMO加氢生成中间产物乙醇酸甲酯(MG)，MG再加氢生成EG，EG过度加氢则生成副产物乙醇和1，2-丁二醇等，同时还有较多其他副反应发生。因此，DMO加氢反应对温度极其敏感，即使很小的温度偏差都会对原料转化率及产物组成产生巨大的影响。DMO加氢反应过程迅速，放热大而且快。由于反应对温度敏感，生产过程一般使用接近反应温度的饱和水作为冷却介质，因此冷却介质与反应物温差小，同时要求同一水平截面的温差以及热点温度与饱和水之间的温差控制在较小的范围内；反应介质的热导率低，催化剂床层总体的导热系数小；反应介质的热容较小，温度易波动。综上所述，DMO加氢反应对移热过程要求苛刻，反应器内需要采用换热效率高的取热元件。目前DMO加氢反应过程中草酸二甲酯的转化率已达约99％，乙二醇选择性已达94-97％，若能够精确控制温度，使乙二醇选择性提高0.5％或更多，效益会得到进一步提高。
现有的管壳式DMO加氢反应器具有以下问题：列管的传热系数不高，需要较多的换热面积，反应器体积较大；催化剂装填在列管内，通常一个反应器内列管数量有成千或上万根，催化剂装卸工作量大，检漏维修等较为复杂；在提高单台设备产量时，列管式反应器往往面临压降大、热点温度高以及体积过大等问题。
中国专利ZL 201210407137.X公开了一种用于草酸酯加氢制乙二醇的工业板式反应器，所述反应器为径向反应器，所述反应器的换热装置为预制成组的换热板和冷管，可以克服管式反应器催化剂装填量小、压降大、大规模生产需要台数多等缺点。但是该反应器存在以下不足：反应器为径向，内部设置分流管和集流管，且换热组件为换热板和冷管，这些结构都将导致装填同样体积催化剂时，与普通列管式反应器相比，该反应器体积较大；该反应器内的换热板与催化剂接触的一侧为平行板翅结构，板翅间距为0.1～0.5mm,且该文献中描述道催化剂颗粒尺寸为3.2～5.5×3.2～5.5mm,显然催化剂不能装填在板翅之间，而反应气体易从板翅之间通过，造成反应气体短路，板及板翅的总体热阻提高，传热效果下降，催化剂床层的热量积累，反应转化率下降，催化剂寿命缩短；该反应器冷管横截面形状为三角形、梯形、正方形、菱形或平行四边形，冷管内没有其他构件，如若在草酸酯加氢反应中要承受约40公斤的设计压力下，该冷管的壁会非常厚，设备制造成本上升；设备构造较多，检漏维修工作复杂，且催化剂装卸不方便。
发明内容
本实用新型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结构调整灵活、换热效率高、选择性高、催化剂装填方便的用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，该反应器包括反应器外壳、换热板对束、冷却介质分配总管和支管、冷却介质收集总管和支管；所述的反应器外壳底部设有冷却介质入口，顶部设有冷却介质出口，所述的换热板对束一端通过冷却介质分配总管和支管连接反应器外壳的冷却介质入口，另一端通过冷却介质收集总管和支管连接反应器外壳的冷却介质出口。所述的换热板对束由多个换热板对组成，各换热板对内为板程，相邻换热板对之间装填催化剂，为壳程，草酸二甲酯和氢气原料气进入反应器后走壳程，并经催化剂催化反应生成乙二醇，冷却流体走板程，带走反应放出的热量。
所述的换热板对束由多个换热板对组成，相邻换热板对之间装填催化剂，根据反应放热量、传热系数、反应物料和催化剂的热容以及对温度波动的要求等参数调节板对之间的间距。
所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，各换热板对底部通口通过冷却介质分配支管连接至冷却介质分配总管，顶部通口通过冷却介质收集支管连接至冷却介质收集总管；相邻换热板对之间为壳程，反应气体从上而下流经壳程，并通过催化剂催化反应，冷却介质自下向上经板程腔体流动，进行换热。
组成换热板对的两张金属板片中间上均匀设置了多个触点，多个触点交错设置，触点密度为200～5000个/㎡，触点间距为20～100mm。优选触点密度为1700～2200个/㎡，触点间距为20～25mm
多对换热板对平行设置，其底部设置支撑件，顶部设有控制各换热板对间间距的换热板定距件，板对间距为10～200mm。优选板对间距为20～80mm。
所述的支撑件为设置在多对换热板对底部的长条形卡槽a，该卡槽上设有多个卡口；
所述的换热板定距件为设置在多对换热板对顶部的长条形卡槽b，该卡槽上设有多个卡口；
各换热板对底部插入支撑件卡口中，顶部插入对应的定距件卡口中，通过调整换热板对在卡口的位置，调节换热板对的间距。
所述的催化剂为草酸二甲酯加氢反应使用的催化剂，包括CuO-SiO2系，装填方式为均匀密实装填。由于本实用新型反应器中相邻换热板对间的间距可调，因此，DMO加氢采用的催化剂，无论颗粒粒径的大小是多少，都能均匀地进行装填。
所述的冷却介质收集总管与反应器外壳的冷却介质出口之间的连接管道上设有膨胀节，用以吸收换热板对束的热应力。
所述的反应器外壳包括筒体、上封头、人孔、下封头、反应气体进口、产物气体出口、冷却介质入口、冷却介质出口以及催化剂卸料口。
所述的换热板对束从上封头吊装进反应器筒体，由支撑件支撑固定，反应器可以现场组装；催化剂直接从反应器上封头或者人孔逐个换热板对间进行装填，从下封头卸料口卸出；冷却介质为接近反应温度的饱和水，出反应器时为汽水混合物。
本实用新型加氢反应器中，催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程，原料气从反应气体进口进入反应器壳程，沿轴向平推流通过催化剂床层，产物气体从反应器另一端产物气体出口流出；冷却介质从反应器底部由分配总管和分配支管进入板内，由收集支管和总管集合后排出反应器，两种流体逆流换热。
换热板对上的若干触点交错排列，使冷却介质流体内部剧烈湍动，加快流体内部的热量传递，使冷却介质内部温度梯度几乎为零；由于触点的多次连续扰动，冷却介质流体一直处于湍流状态，流体没有边界层，流体与板的热量交换一直处于强制对流换热状态；由于板对的凹凸不平的表面，当冷却介质发生相变时，产生的小汽泡不易汇聚成大气泡，更不会在板表面聚成大的气膜，传热形式能够确保为沸腾传热，传热系数高。
由于冷却介质侧高效的传热效率，而催化剂侧的传热系数小的多，使得板壁面的温度非常接近冷却介质的温度，可以提供反应侧与冷却侧的最大温差，使得反应热量最大程度地被冷却介质带走。
反应侧气体在靠近换热元件壁面处，往往会形成气膜，该气膜产生的热阻在反应侧总热阻中占比重非常大。而在该新型板对表面，由于其形状凹凸不平，对气膜形成了积极的扰动作用，得以使气膜更新速度加快，从而减小其热阻，提高反应侧整体的传热系数。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
一、换热效率高，DMO加氢的转化率高及选择性好。新型板对的触点和凹凸不平的表面强化了两侧流体的扰动，增强了换热效率，反应热及时移走，可降低热点温度，同时反应温度平缓分布，更接近等温反应，从而减少副反应的发生，提高选择性，降低单位产品的原料消耗，提高效益，也使产品性质稳定可靠。同时板对之间间距可调性强，可以根据放热量及温度变化的要求，调节板对的间距，满足反应要求。
二、同样催化剂装填量，该新型加氢反应器的体积相对较小。在同样催化剂装填量，反应器高度相同，板对间距与管径相当即催化剂厚度相同的情况下，保证足够的换热面积，该新型反应器的直径大约是管壳式反应器直径的70％左右，体积约是管壳式反应器的40％左右，反应器体积大大减小，反应器有扩大空间，能够装载更多催化剂，有利于提高单台反应器产量，有利于设备大型化。
三、催化剂装填简便。催化剂装填在该新型反应器壳程，板对与板对之间，板对之间无触点，板对数量通常在几十或几百，远少于列管数量，装填工作量小。
四、易于安装、运输和维修。板式换热组件作为整体，可以直接吊装进反应器，板对两侧没有管板，反应器可以现场组装，减少运输成本，板对数量少，检查和维修工作简单。
附图说明
图1为本实用新型一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器的结构示意图；
图2为本实用新型换热板对束结构俯视图。
图1中标号所示：
1、反应气体进口，2、冷却介质出口，3、冷却介质收集总管，4、冷却介质收集支管，5、反应器外壳，6、换热板对束，7、催化剂卸料口，8、产物气体出口，9、冷却介质入口，10、冷却介质分配总管，11、冷却介质分配支管。
图2中标号所示：
12、定距件卡槽，13、支撑件卡槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，该反应器包括反应器外壳5、换热板对束6、冷却介质分配总管10、冷却介质分配支管11、冷却介质收集总管3和冷却介质收集支管4；所述的反应器外壳5包括筒体、上封头、人孔、下封头、反应气体进口1、产物气体出口8、冷却介质入口9、冷却介质出口2以及催化剂卸料口7。
如图2所示，所述的反应器外壳5底部设有冷却介质入口9，顶部设有冷却介质出口2，所述的换热板对束6由多个换热板对平行且等间距排列组成，相邻换热板对之间装填催化剂，根据反应放热量、传热系数、反应物料和催化剂的热容以及对温度波动的要求等参数调节板对之间的间距。
所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，各换热板对底部通口通过冷却介质分配支管11连接至冷却介质分配总管10，顶部通口通过冷却介质收集支管4连接至冷却介质收集总管3；相邻换热板对之间为壳程，反应气体从上而下流经壳程，并通过催化剂催化反应，冷却介质自下向上经板程腔体流动，进行冷却。组成换热板对的两张金属板片中间上均匀设置了多个触点，多个触点交错设置，触点密度为200～5000个/㎡，触点间距为20～100mm。在本实施例中触点密度为1700～2200个/㎡，触点间距为20～25mm
多对换热板对平行设置，其底部设置支撑件，顶部设有控制各换热板对间间距的换热板定距件，板对间距为10～200mm。在本实施例中板对间距为20～80mm。
多对换热板对平行设置，其底部设置在支撑件上，顶部设有控制各换热板对间间距的换热板定距件。所述的支撑件为设置在多对换热板对底部的长条形卡槽b13，该卡槽上设有多个卡口；所述的换热板定距件为设置在多对换热板对顶部的长条形卡槽a12，该卡槽a12上设有对个卡口；各换热板对底部插入支撑件卡口中，顶部插入对应的定距件卡口中，通过调整换热板对在卡口的位置，调节换热板对的间距。
所述的催化剂为CuO-SiO2系，装填方式为：均匀密实装填。
所述的冷却介质收集总管与反应器外壳的冷却介质出口之间的连接管道上设有膨胀节，用以吸收换热板对束的热应力。
所述的换热板对束从上封头吊装进反应器筒体，由支撑件支撑固定；催化剂直接从反应器上封头或者人孔逐个换热板对间进行装填，从下封头卸料口卸出；冷却介质为接近反应温度的饱和水，出反应器时为汽水混合物。
本实用新型新型加氢反应器中，催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程，原料气从反应气体进口进入反应器壳程，沿轴向平推流通过催化剂床层，产物气体从反应器另一端产物气体出口流出；冷却介质从反应器底部由分配总管和分配支管进入板内，由收集支管和总管集合后排出反应器，两种流体逆流换热。
将上述反应器用于合成气制乙二醇工艺，单台反应器直径3.8m，装填CuO-SiO2系催化剂60m3，其处理量即可达到年产10万吨乙二醇生产能力，在操作条件下：反应压力2.8Mpa、反应温度195℃，在本实施例的反应器内催化剂的装填均匀，压力场分布均匀，压降小于50KPa,而且在本实施例的换热板对的作用下，可以将轴向反应温度稳定在195℃左右，且径向温差小，基本上，该DMO加氢反应器可视为等温反应器，草酸二甲酯转化率≥99.99％，乙二醇选择性98.5％，满足工艺要求，且效益显著。

Claims (8)

1.一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，该反应器包括反应器外壳、换热板对束、冷却介质分配总管和支管、冷却介质收集总管和支管；所述的反应器外壳底部设有冷却介质入口，顶部设有冷却介质出口，所述的换热板对束一端通过冷却介质分配总管和支管连接反应器外壳的冷却介质入口，另一端通过冷却介质收集总管和支管连接反应器外壳的冷却介质出口；所述的换热板对束由多个换热板对组成，各换热板对内为板程，相邻换热板对之间装填催化剂，为壳程。
2.根据权利要求1所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，各换热板对底部通口通过冷却介质分配支管连接至冷却介质分配总管，顶部通口通过冷却介质收集支管连接至冷却介质收集总管；相邻换热板对之间为壳程，反应气体从上而下流经壳程，并通过催化剂催化反应，冷却介质自下而上经板程腔体流动，进行冷却。
3.根据权利要求2所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，组成换热板对的两张金属板片中间上均匀设置了多个触点，多个触点交错设置，触点密度为200～5000个/m2，触点间距为20～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，多对换热板对平行设置，其底部设置在支撑件上，顶部设有控制各换热板对间距的换热板定距件，换热板对间距为10～200mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，所述的支撑件为设置在多对换热板对底部的长条形卡槽a，该卡槽上设有多个卡口；
所述的换热板定距件为设置在多对换热板对顶部的长条形卡槽b，该卡槽上设有对个卡口；
各换热板对底部插入支撑件卡口中，顶部插入对应的定距件卡口中，通过调整换热板对在卡口的位置，调节换热板对的间距。
6.根据权利要求1所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，所述的催化剂为DMO加氢反应使用的催化剂，包括CuO-SiO2系，装填方式为均匀密实装填。
7.根据权利要求1所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，所述的冷却介质收集总管与反应器外壳的冷却介质出口之间的连接管道上设有膨胀节，用以吸收换热板对束的热应力。
8.根据权利要求1所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型加氢反应器，其特征在于，所述的反应器外壳包括筒体、上封头、人孔、下封头、反应气体进口、产物气体出口、冷却介质入口、冷却介质出口以及催化剂卸料口。
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