CN204710282U

CN204710282U - 用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器

Info

Publication number: CN204710282U
Application number: CN201420619036.3U
Authority: CN
Inventors: 黄云群; 胡松; 陈俭茂
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2024-10-24

Abstract

本实用新型涉及一种用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，主要解决现有技术中反应器结构复杂、撤热效果差、转化率和选择性低等问题。本实用新型通过采用列管式固定床反应器，该反应器为一具有列管式催化剂床的圆筒形容器，进料口位于反应器顶部，出料口位于反应器底部，进料口内设有预分布器，催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间的反应列管构成，反应列管内装填催化剂，撤热介质位于反应器壳体内反应列管间，撤热介质采用循环热水，与反应列管内物流顺向流动的技术方案，较好地解决了该问题，可用于催化氨化法制乙醇胺的工业生产。

Description

用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器

技术领域

本实用新型涉及一种用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器。

背景技术

乙醇胺(简称：EA)为氨分子中的氢原子分别被一个、两个或三个羟基乙醇取代后的产物总称，分别称为一乙醇胺(简称：MEA)，二乙醇胺(简称：DEA)与三乙醇胺(简称：TEA)。近年来乙醇胺在二次采油、气体净化以及医药中间体等方面发挥着愈来愈重要的应用价值。作为有机化工原料环氧乙烷(简称：EO)重要下游产品之一的乙醇胺在未来5～10年内全球需求年均增长将保持在4～5％，而国内乙醇胺市场需求的增长速度将超过这一平均增长速度。因此，EO催化氨化合成乙醇胺及其下游产品在未来的石化行业中具有广阔的发展空间与技术开发价值。

工业上，环氧乙烷和氨在液相条件下发生反应，是三步串连反应，生成一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和三乙醇胺(TEA)三种产品，反应方程式如下：

由反应热数据可知，以上三个反应都是剧烈的放热反应，且反应热是递增的，反应的撤热非常关键，直接影响装置的安全性。

由于环氧乙烷的化学性质极其活泼，在浓度较高时倾向于发生自聚反应，自聚为聚氧乙烯或聚醚等高沸点物质；或与分子中含有羟基的物质，例如水、醇类等，发生水合等反应生成多元醇、聚醇醚等高沸点物质，这些高沸物质统称重质乙醇胺(HEA)，都进入低价值的三乙醇胺(TEA)二级品之中。上述副反应对于环氧乙烷与氨发生的主反应——氨解反应来说，都是有害的副反应，生成的高沸点副产物HEA，不但降低了主产品的收率，浪费了EO原料，而且严重影响了乙醇胺产品的质量，因此催化氨化法制乙醇胺反应器对于催化氨化法制乙醇胺技术的应用至关重要。反应的产品分布不仅与反应的动力学特征有关，还与反应器的类型有关。因此合适反应器的选取是影响产品分布的重要因素之一。

现有工艺主要采用管式反应器进行乙醇胺生产，如专利CN101148412A，CN101148413A，CN101613289A，CN101613290A等均采用管式(长管段，长达几百米)反应器，管内为反应物料和催化剂，管外采用循环热水作为撤热介质，连续移除反应热。

专利CN101613290A公开了一种以液氨和环氧乙烷为原料生产乙醇胺的方法，其流程为采用带夹套的管式反应器，液氨和部分环氧乙烷在常温下进行预混合后进入管式反应器，分次加入水作为催化剂，使之反应生产一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，其中预定量的环氧乙烷和循环的一乙醇胺、二乙醇胺采用分段交替方式加入反应器以调整一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺三种产物的比例。该管式反应器的直管段内装填散装填料，外部的夹套管内为循环水，夹套内的循环水与反应管内物料为逆向流动，连续移出反应热，以达到反应温度的控制要求。

专利CN101148412A公开了一种用于乙醇胺生产装置反应系统的环氧乙烷EO多点进料工艺，减小了氨的循环量，可以极大地节省反应产物蒸氨(和脱除随氨带入的水)的能耗，以至可以节省蒸氨脱水能耗的80～90％以上。该装置的反应系统采用的也是管式反应器，EO在管式反应器的2～10个不同位置同时进入反应器；各点EO的进入量并不是平均分配，而是按生产工艺需要进行分配；为了避免局部EO浓度过高，各EO注入点后还需加上一段静态混合器。该反应器结构复杂，操作要求高，管道过长，占地面积大，增加检修和维护难度；而且由于催化氨化反应是在高压力(6～20MPa)下进行，管道局部反应温度过高会造成管道穿孔或破裂引发安全事故。

为了减少EO的副反应，降低副产物的生成量，提高乙醇胺产品收率，同时提高工艺安全性，实现设备的长周期稳定运转，须严格控制反应器的温升。以上专利均采用管式反应器进行乙醇胺生产，随着生产规模的扩大，引起管道过长，其投资和占地面积随之上升，同时反应器的操作难度也显著加大，很难满足反应热及时移出的要求，引发反应器局部飞温造成设备破坏，限制了EO催化氨化法制乙醇胺工艺的工业应用。

发明内容

本实用新型主要解决的技术问题是现有技术中存在的反应器结构复杂、撤热效果差、转化率和选择性低的问题。提供了一种新的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，该反应器具有结构紧凑、撤热及时、转化率和选择性高的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，所述反应器由上封头、圆柱形壳体和下封头组成的圆筒形容器，反应器上封头设有进料口，进料口内设有预分布器，反应器下封头设有出料口和卸催化剂口；在反应器的圆柱形壳体内，由上至下设有上管板、撤热介质进口、催化剂床、撤热介质出口、下管板；所述的催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间的反应列管构成，反应列管内装填催化剂；所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间。

上述技术方案中，优选的技术方案为：反应器的进料采用上进下出，反应器上封头设有进料口，反应器下封头设有出料口和卸催化剂口；优选的技术方案为：所述的进料口预分布器上部为长条形垂直筋板，与上封头内壁焊接固定，下部为单级挡板，单级挡板的优选方案为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.05～1.5，更优选方案为多孔板的直径与进料口直径之比为1.1～1.45；所述的长条形垂直筋板与所述的单级挡板焊接固定，且形成侧向环隙，侧向环隙高度为反应介质通过预分布器环隙时保持平均流速为0.5～5m/s所需的高度；优选的技术方案为：所述的催化剂床由至少6根位于反应器壳体内上下管板之间、径向均匀分布的反应列管构成，反应列管内从上至下依次装填惰性氧化铝球、催化剂、惰性氧化铝球及支托弹簧；支托弹簧的优选方案为圆锥螺旋压缩弹簧，弹簧的大端外径与反应列管的内径为过盈配合，更优选方案为圆锥螺旋压缩弹簧的大端外径大于反应列管内径2～5mm；优选的技术方案为：所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间，撤热介质采用循环热水，与反应列管内物流顺向流动；撤热介质进出口至少分别为2个，沿圆周均匀分布。

上述技术方案中，过盈配合是指圆锥螺旋压缩弹簧的大端外径大于反应列管内径。在装卸催化剂时，只要将圆锥螺旋压缩弹簧旋紧至大端外径小于反应列管内径，即可将弹簧卸掉。

上述技术方案中，反应器操作压力为6～15MPa(A)，操作温度为60～150℃，进入反应器的原料配比为：液氨：环氧乙烷摩尔比为6：1～20：1。

本实用新型用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，反应器上封头设进料口，进料口内设预分布器，目的是为了实现反应原料在反应器上管板表面均匀分布后再进入由多根反应列管组成的催化剂床，避免了反应原料从进料管进入反应器时，因流道面积突然扩大而导致分布不均匀，造成一部分催化剂超负荷而过早失活，而另一部分催化剂却几乎不起作用，影响产品质量；同时进料口预分布器也起到了混合反应原料液氨和环氧乙烷的作用。

本实用新型用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间、径向均匀分布的反应列管构成，反应列管内从上至下依次装填瓷球、催化剂、瓷球及支托弹簧。在反应列管下端设置支托弹簧，目的是既可保持反应列管内的催化剂不从反应列管底部泄漏，又可使反应物料顺利通过；支托弹簧为圆锥螺旋压缩弹簧，也方便了反应列管内催化剂的装卸。

本实用新型用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器从根本上解决了以往管式反应器结构复杂，原料EO进入点多且进入量分配要求高，而且管道过长，占地面积大，检修和维护难度大等技术问题，使反应器结构紧凑，节省了设备投资，简化了反应器操作流程。而且充分发挥了列管式固定床反应器良好的换热效果，使反应产生的热量通过反应列管间的撤热介质(如循环热水)，及时连续地移出，从而保证了原料的转化率和产品的收率，实现了设备的长周期平稳运行，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为一种用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器结构示意图。

图2为内反应列管结构示意图

图1中，1为进料口，2为预分布器，3为上封头，4为人孔，5为循环热水进口，6为圆柱形筒体，7为反应列管，8为支持板，9为循环热水出口，10为出料口，11为卸催化剂口，12为下封头，13为下管板，14为上管板，15为热电偶套管。

图2中：1为瓷球，2为反应列管，3为催化剂，4为支托弹簧。

图1中的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器工作方式为：反应原料自进料口1进入预分布器2后，进入由多根反应列管7组成的催化剂床，反应列管的顶部及底部均设有瓷球，反应产物自出料口10流出反应器。循环热水自反应器筒体上端的进口5进入反应器壳体内反应列管间，与反应列管内产生的反应热进行热量交换，连续移出反应热，最后循环热水自反应器筒体下端的出口9流出反应器。

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步阐述。

具体实施方式

【实施例1】

某1万吨/年催化氨化法制乙醇胺装置，反应器采用图1的结构型式，反应器由上封头、圆柱形壳体和下封头组成的圆筒形容器，反应器上封头上设有进料口，进料口内设有预分布器，在反应器的下封头设有出料口和卸催化剂口；在反应器的圆柱形壳体内，由上至下设有上管板、撤热介质进口、催化剂床、撤热介质出口、下管板；所述的催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间的反应列管构成，反应列管内装填催化剂；所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间。

反应原料液氨与环氧乙烷摩尔流量之比为6:1，液氨2320kg/h，环氧乙烷1000kg/h，反应操作温度72℃，操作压力6.0MPa(A)，反应空速6.0h^-1，采用循环热水作为撤热介质，与反应列管内物流顺向流动,连续移除反应热，循环热水进出口分别设2个，沿圆周均匀分布，循环热水进口温度70℃，出口温度72℃；反应器直径1400mm，反应列管内催化剂床层高5200mm，催化剂采用无粘结剂ZSM-5沸石分子筛催化剂；反应介质通过进料口预分布器环隙时平均流速为1m/s，其预分布器下部的单级挡板为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.3，开孔率为50％；反应列管外径38mm、壁厚2.5mm，列管内的催化剂支托弹簧大端外径大于反应列管内径3mm。该反应器运行平稳，环氧乙烷的转化率为99.97％，产品一乙醇胺(MEA)与二乙醇胺(DEA)的选择性为94％。

【实施例2】

某1万吨/年催化氨化法制乙醇胺装置，反应器采用图1的结构型式，反应器由上封头、圆柱形壳体和下封头组成的圆筒形容器，反应器上封头上设有进料口，进料口内设有预分布器，在反应器的下封头设有出料口和卸催化剂口；在反应器的圆柱形壳体内，由上至下设有上管板、撤热介质进口、催化剂床、撤热介质出口、下管板；所述的催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间的反应列管构成，反应列管内装填催化剂；所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间。反应器进料口预分布器上部为长条形垂直筋板，与上封头内壁焊接固定，下部为单级挡板，所述的长条形垂直筋板与所述的单级挡板焊接固定，且形成侧向环隙。

反应原料液氨与环氧乙烷摩尔流量之比为8:1，液氨3093kg/h，环氧乙烷1000kg/h，反应操作温度83℃，操作压力8.0MPa(A)，反应空速6.0h^-1，采用循环热水作为撤热介质，与反应列管内物流顺向流动,循环热水进出口分别设2个，沿圆周均匀分布，循环热水进口温度80℃，出口温度83℃，反应器直径1600mm，反应列管内催化剂床层高4800mm，催化剂采用无粘结剂ZSM-5沸石分子筛催化剂，反应介质通过进料口预分布器环隙时平均流速为1m/s，其预分布器下部的单级挡板为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.2，开孔率为53％；反应列管外径38mm、壁厚2.5mm，列管内的催化剂支托弹簧大端外径大于反应列管内径2.5mm。该反应器运行平稳，环氧乙烷的转化率为99.96％，产品一乙醇胺(MEA)与二乙醇胺(DEA)的选择性为95％。

【实施例3】

某1万吨/年催化氨化法制乙醇胺装置，反应器采用图1的结构型式，反应原料自进料口1进入预分布器2后，进入由多根反应列管7组成的催化剂床，反应列管的顶部及底部均设有瓷球，反应产物自出料口10流出反应器。循环热水自反应器筒体上端的进口5进入反应器壳体内反应列管间，与反应列管内产生的反应热进行热量交换，连续移出反应热，最后循环热水自反应器筒体下端的出口9流出反应器。

反应原料液氨与环氧乙烷摩尔流量之比为10:1，液氨3866kg/h，环氧乙烷1000kg/h，反应操作温度94℃，操作压力10MPa(A)，反应空速8.0h^-1，采用循环热水作为撤热介质，与反应列管内物流顺向流动，循环热水进出口分别设4个，沿圆周均匀分布，循环热水进口温度90℃，出口温度94℃，反应器直径1400mm，反应列管内催化剂床层高5200mm，催化剂采用无粘结剂ZSM-5沸石分子筛催化剂，反应介质通过进料口预分布器环隙时平均流速为1m/s，其预分布器下部的单级挡板为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.3，开孔率为53％；反应列管外径38mm、壁厚2.5mm，列管内的催化剂支托弹簧大端外径大于反应列管内径3mm。该反应器运行平稳，环氧乙烷的转化率为99.98％，产品一乙醇胺(MEA)与二乙醇胺(DEA)的选择性为96.3％。

【实施例4】

某1万吨/年催化氨化法制乙醇胺装置，反应器采用图1的结构型式，反应原料液氨与环氧乙烷摩尔流量之比为12:1，液氨4640kg/h，环氧乙烷1000kg/h，反应操作温度110℃，操作压力12.0MPa(A)，反应空速6.0h^-1，采用循环热水作为撤热介质，与反应列管内物流顺向流动,连续移除反应热，循环热水进出口分别设2个，沿圆周均匀分布，循环热水进口温度100℃，出口温度110℃，反应器直径1400mm，反应列管内催化剂床层高5200mm，催化剂采用无粘结剂ZSM-5沸石分子筛催化剂，反应介质通过进料口预分布器环隙时平均流速为1m/s，其预分布器下部的单级挡板为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.3，开孔率为55％；反应列管外径38mm、壁厚2.5mm，列管内的催化剂支托弹簧大端外径大于反应列管内径3mm。该反应器运行平稳，环氧乙烷的转化率为99.98％，产品一乙醇胺(MEA)与二乙醇胺(DEA)的选择性为97.5％。

【比较例1】

某1万吨/年催化氨化法制乙醇胺装置，采用具有水夹套的管式反应器，管内为反应物料，管外即夹套内为热水，夹套内的循环水与反应管内物料为逆向流动，采用10点进EO工艺，反应原料液氨与环氧乙烷摩尔流量之比为8:1，各EO注入点后分别加上一段静态混合器，反应操作温度100℃，操作压力8.0MPa(A)，反应管道长450m。该设备运行不到半年，出现因局部反应温度过高造成管道穿孔引发安全事故。其环氧乙烷的转化率为95.0％，产品一乙醇胺(MEA)与二乙醇胺(DEA)的选择性为88％。

Claims

1.一种用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，所述反应器由上封头、圆柱形壳体和下封头组成的圆筒形容器，反应器上封头设有进料口，进料口内设有预分布器，反应器下封头设有出料口和卸催化剂口；在反应器的圆柱形壳体内，由上至下设有上管板、撤热介质进口、催化剂床、撤热介质出口、下管板；所述的催化剂床由多根位于反应器壳体内上下管板之间的反应列管构成，反应列管内装填催化剂；所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间。

2.根据权利要求1所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于反应器的进料采用上进下出，反应器上封头设有进料口，反应器下封头设有出料口和卸催化剂口。

3.根据权利要求1所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的进料口预分布器上部为长条形垂直筋板，与上封头内壁焊接固定，下部为单级挡板，所述的长条形垂直筋板与所述的单级挡板焊接固定，且形成侧向环隙，侧向环隙高度为反应介质通过预分布器环隙时保持平均流速为0.5～5m/s所需的高度。

4.根据权利要求1所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的催化剂床由至少6根位于反应器壳体内上下管板之间、径向均匀分布的反应列管构成，反应列管内从上至下依次装填瓷球、催化剂、瓷球及支托弹簧。

5.根据权利要求1所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的撤热介质位于反应器壳体内反应列管间，撤热介质采用循环热水，与反应列管内物流顺向流动。

6.根据权利要求1所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的撤热介质进出口至少分别为2个，沿圆周均匀分布。

7.根据权利要求3所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的单级挡板为多孔板，多孔板的直径与进料口直径之比为1.05～1.5。

8.根据权利要求7所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的单级挡板为均匀开孔，开孔率为10％～60％。

9.根据权利要求4所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的支托弹簧为圆锥螺旋压缩弹簧，弹簧的大端外径与反应列管的内径为过盈配合。

10.根据权利要求9所述的用于催化氨化法制乙醇胺的固定床反应器，其特征在于所述的圆锥螺旋压缩弹簧大端外径大于反应列管内径至少1mm。