CN204911449U - 一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器，该反应器为径向反应器，包括反应器外壳、换热组件、分流管、集流管和催化剂，分流管位于反应器中心，换热组件设置在分流管和集流管之间，换热组件设置在催化剂床层内，反应器外壳包括筒体、上封头、下封头、反应气体入口、反应气体出口、冷却介质入口、冷却介质出口及催化剂卸料口等；反应气体入口和反应气体出口均设置在上封头上，反应气体从反应气体入口进入反应器后沿中心分流管流下，径向通过催化剂床层进行反应，反应产物气体进入集流管，并沿集流管向上流动，从反应气体出口流出。与现有技术相比，本实用新型具有换热效率高、设备体积小、催化剂使用效率高、装卸方便的优点。

Description

一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器

技术领域

本实用新型涉及一种羰化反应器，尤其是涉及一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器。

背景技术

目前，合成气经草酸二甲酯生产乙二醇的工艺在所有的乙二醇生产工艺中具有很强的优势，而羰化反应是该工艺的关键技术之一。羰化反应共分两步，首先是O₂、NO、与甲醇发生酯化反应合成中间产物亚硝酸甲酯，该反应的条件温和，不需要催化剂；第二步是CO与亚硝酸甲酯发生羰化偶联反应合成中间产物草酸二甲酯，该反应过程采用Pd/Al₂O₃催化剂，反应温度为110～150℃，反应压力为1～5atm。通常所说的羰化反应器是指用于第二步羰化耦联反应的反应器，该羰化偶联反应的特点是：催化剂的耐温区间小，为110～150℃，而单位体积催化剂上的平均热负荷为240kw/m³左右，属于剧烈放热的反应。因此需要反应器内部换热组件移热效率高，移热面积大；操作压力小，意味着压降不能太大，否则压缩机压比升高，压缩机轴功率增加，能耗增加。

列管式轴向羰化反应器在增加单台处理量方面存在以下瓶颈：在列管式反应器中，往往将催化剂装填在管子内，由于催化剂耐温区间小，平滑光管的传热系数小，管子直径受限，且由于管心距等要求，导致反应器内催化剂装填系数小，若要增加单台处理量，必导致反应器体积大幅增加；由于羰化反应对压降要求苛刻，因此列管的长度即反应器高度有一定限制，同时从运输角度考虑，反应器直径不能过大，所以要实现列管式羰化反应器设备大型化存在较大困难。

中国专利201210407063.X公开了一种用于羰化耦联合成酯工业板式反应器，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，可以克服其单台管式反应器压降大、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：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，同时板翅结构不仅没有增强传热，反而使金属板总体热阻提高，催化剂床层的热量更加不容易快速传递到冷却介质侧；该反应器中反应气体沿反应器壳体内壁与外分布筒间环隙流下，通过径向反应床层的外分布筒进入催化剂床层进行反应，羰化反应为快速反应，反应初期大量放热，纵然该专利中在扇形外围两张板间增加冷管，但冷管的传热差，热量易积累，且冷管占据了反应器的较多空间，增加了设备体积；该反应器反应侧气体流动型式为Z型，Z型易造成分流管(19)和集流管(21)的压降分布不均匀，从而导致气体在催化剂床层的分布不均匀，影响催化剂的使用效率和反应的转化率等参数；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换热效率高、催化剂装卸方便的用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器。

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羰化反应器，该反应器为径向反应器，包括反应器外壳、换热组件、分流管、集流管和催化剂，所述的分流管位于反应器中心，所述的换热组件设置在分流管和集流管之间，所述的催化剂设置在换热组件内，所述的反应器外壳包括筒体、上封头、下封头、反应气体入口、反应气体出口、冷却介质入口、冷却介质出口及催化剂卸料口；其特征在于，所述的反应气体入口和反应气体出口均设置在上封头上，反应气体从上封头上的反应气体入口进入反应器后沿中心分流管流下，径向通过催化剂床层进行反应，反应产物气体进入集流管，并沿集流管向上流动，从上封头上的反应气体出口流出。

所述的换热组件是由多对换热板对以及与各换热板对连接的冷却介质分配支管、冷却介质分配总管、冷却介质收集支管、冷却介质收集总管组成，其中各换热板对内形成供冷却介质流通的板程腔体，相邻换热板对之间形成供反应气体流通的壳程腔体，所述的催化剂设置在壳程腔体内。

所述的多对换热板对以分流管为中心呈扇形排布组成。

所述的换热板对由两张金属板片中间上均匀设置多个焊接触点形成，多个焊接触点交错设置，触点密度为200～5000个/㎡，触点间距为20～100mm。

所述的换热板对四周滚边焊密封，并在底部和顶部各留有通口，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。

相邻换热板对之间的间距和板对数量根据反应放热的大小和快慢、反应物料和催化剂的导热系数及热容、以及对温度波动的要求进行调整，相邻换热板对之间的间距为20～200mm。

所述的反应气体入口和反应气体出口在反应器同侧，反应气体在反应器中的流型为离心Ⅱ型。

所述的换热组件通过反应器上封头吊装进反应器内，反应器为可拆卸结构。

所述的催化剂装填在换热板对与换热板对之间，催化剂为Pd/Al₂O_3,催化剂通过上封头或人孔进行装填，通过下封头催化剂卸料口卸载。

本实用新型新型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，介质流体一直处于湍流状态，强制对流换热，当冷却介质发生相变时，不易形成大气膜，确保高的沸腾传热系数。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。

本实用新型新型羰化反应器中，原料气从进气口进入分流管，由分流管均匀分配，径向通过催化剂床层，在集流管中收集，并从出气口流出，进气口和出气口在反应器同侧，流体流型为离心Ⅱ型流动(径向反应器流体流型见图4)。当流体在分流管和集流管中的流动满足动量交换控制时，(分流管L/de≤30，集流管L/de≤50时)，分流管中沿流体流动方向，静压逐渐上升，集流管中沿流体流动方向，静压逐渐下降，且在开孔分布合理的情况下，分流管与集流管静压差分布完全均匀，反应气体在催化剂床层中的分布均匀，催化剂的使用效率高，热量分布均匀。

扇形排布结构使反应器床层靠近中心的位置传热系数最高，随着催化剂床层半径增大，传热系数呈单调递减函数，且递减速率先快后慢(见图3(a))，移热量也是呈单调递减函数，且递减速率先快后慢(见图3(b))，而羰化反应的放热趋势也是前期大后期小，呈单调递减函数，说明对于该Ⅱ型离心式径向羰化反应器，移热曲线与反应放热曲线的趋势一致，移热合理，整个催化剂床层的温度平缓分布，接近等温反应，对于延长催化剂寿命和提高反应的选择性均有利。

因此对于具有放热强且反应速率快特点的合成气制乙二醇工艺中羰化反应，在该新型羰化反应器中，反应气体的流型宜采用离心型，从而加强反应前半部分的移热，降低热点温度，使反应温度变化平缓，更接近等温反应器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)换热板对换热效率高，有利于形成均匀稳定的温度场分布。

该新型换热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，反应温度平缓分布，更接近等温反应，有利于减少副反应的发生，提高反应选择性和收率，延长催化剂的使用寿命，适用于如羰化反应这样的快速大量放热的反应类型。

(2)移热更合理，反应器体积更小。

羰化反应属于快速反应，反应放热先大后小，热量释放集中在反应前半段部分，而在反应后半段，反应放热很少。径向反应器中，反应气从中心分流管向外扩散，反应放热集中在近中心分流管处，而板片在靠近中心处最密集，催化剂床层的传热系数也最大，可以将热量快速移走；在靠近催化剂外周，板片排列较稀疏，传热系数也减小，不会过多取热，从而得到合适的反应气体出口温度。板对之间无需添加冷管等其他移热元件，节省反应器空间，减小反应器体积。

(3)反应气体和压降分布均匀，提高催化剂效率和反应转化率。

对于该新型羰化反应器中，进气口和出气口在反应器同侧，流体流型为离心Ⅱ型，且当流体在分流管和集流管中的流动满足动量交换控制时，Ⅱ型流体比Z型流体更容易实现在分流管和集流管中压降均匀分布，反应气体在催化剂中均匀分布。

(4)催化剂装填简便。

催化剂装填在反应器壳程，板对与板对之间，板对两端无管板、触点等障碍，装填过程简单，且板对数量通常在几十或几百，装填工作量小。

(5)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，焊缝少，检查和维修工作简便。

附图说明

图1为本实用新型新型羰化反应器的结构示意图；

图2为本实用新型新型羰化反应器的纵剖示意图；

图3(a)为本实用新型传热系数随床层半径变化图；

图3(b)为本实用新型移热量随床层半径变化图；

图4为径向反应器几种流体流动形式示意图；

附图标记说明：

11为反应气体入口，12为反应气体出口，13为反应器外壳，14为换热板对，15为冷却介质入口，16为冷却介质出口，17为冷却介质收集支管，18为冷却介质收集总管，19为分流管，110为冷却介质分配支管，111为冷却介质分配总管，112为催化剂卸料口，21为集流管，22为催化剂；

图3(a)中，横坐标为催化剂床层的半径的变化，纵坐标为传热系数的变化；

图3(b)中，横坐标为催化剂床层的半径的变化，纵坐标为传热量的变化。

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。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实用新型一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器，结构如图1所示，该反应器为径向反应器，包括反应器外壳13、换热组件、分流管19、集流管21和催化剂22，分流管19位于反应器中心，催化剂22设置在换热组件内，反应器外壳13包括筒体、上封头、下封头、反应气体入口11、反应气体出口12、冷却介质入口15、冷却介质出口16及催化剂卸料口112；反应气体入口11和反应气体出口12均设置在上封头上，反应气体从上封头上的反应气体入口11进入反应器后沿中心分流管19流下，径向通过催化剂床层进行反应，反应产物气体进入集流管21，并沿集流管21向上流动，从上封头上的反应气体出口12流出。反应气体入口11和反应气体出口12在反应器同侧，反应气体在反应器中的流型为离心Ⅱ型。

换热组件设置在分流管19和集流管21之间，由多对换热板对14以及与各换热板对14连接的冷却介质分配支管110、冷却介质分配总管111、冷却介质收集支管17、冷却介质收集总管18组成，其中多对换热板对14以分流管19为中心呈扇形排布组成，各换热板对14内形成供冷却介质流通的板程腔体，相邻换热板对14之间形成供反应气体流通的壳程腔体，催化剂22装填在换热板对14与换热板对14之间，催化剂22通过上封头或人孔进行装填，通过下封头催化剂卸料口112卸载。

换热组件通过反应器上封头吊装进反应器内，反应器为可拆卸结构。

换热板对14由两张金属板片中间上均匀设置多个焊接触点形成，多个焊接触点交错设置，触点密度为200～5000个/㎡，触点间距为20～100mm。换热板对14四周滚边焊密封，并在底部和顶部各留有通口，底部通口通过冷却介质分配支管110连接至冷却介质分配总管111，顶部通口通过冷却介质收集支管17连接至冷却介质收集总管18。相邻换热板对14之间的间距和板对数量根据反应放热的大小和快慢、反应物料和催化剂22的导热系数及热容、以及对温度波动的要求进行调整，相邻换热板对14之间的间距为20～200mm。

换热板对14上的若干触点交错排列，使冷却介质流体内部剧烈湍动，介质流体一直处于湍流状态，强制对流换热，当冷却介质发生相变时，不易形成大气膜，确保高的沸腾传热系数。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。而在该换热板对14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。

如图2所示，亚硝酸甲酯和一氧化碳原料气由反应器入口11进入，并由中心分流19均匀分配进入催化剂床层(催化剂22装填在换热板对14之间)，径向通过床层进行反应后，进入反应器外壳13与催化剂床层外周之间的集流管21环隙，产物气体在集流管21中从下向上汇总后，从反应器出口12流出反应器，如图4所示，反应气体的流动形式为Ⅱ型离心式。

扇形排布的换热板对14之间间距随半径增大而增大，而间距不同则传热系数发生变化，传热系数随板对间距即催化剂床层半径的变化如图3(a)。显而易见，当半径变大时，即换热板对14间距变大时，传热系数的值呈单调递减函数，且递减速率先快后慢，说明当半径小时，传热系数最好，有利于反应开始段大量热量快速移走。移热量随催化剂床层半径的变化如图3(b),从图中可以看出，该Ⅱ型离心式径向反应器在反应前期移热量最大，移热曲线与反应放热曲线的趋势一致，从而可以保证该结构形式下，催化剂床层的温度平缓分布，接近等温反应。板对间距和板对数量根据反应放热的大小和快慢、反应物料和催化剂22的导热系数及热容、以及对温度波动的要求等参数确定。

Claims (9)

1.一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器，该反应器为径向反应器，包括反应器外壳(13)、换热组件、分流管(19)、集流管(21)和催化剂(22)，所述的分流管(19)位于反应器中心，所述的换热组件设置在分流管(19)和集流管(21)之间，所述的催化剂(22)设置在换热组件内，所述的反应器外壳(13)包括筒体、上封头、下封头、反应气体入口(11)、反应气体出口(12)、冷却介质入口(15)、冷却介质出口(16)及催化剂卸料口(112)；其特征在于，所述的反应气体入口(11)和反应气体出口(12)均设置在上封头上，反应气体从上封头上的反应气体入口(11)进入反应器后沿中心分流管(19)流下，径向通过催化剂床层进行反应，反应产物气体进入集流管(21)，并沿集流管(21)向上流动，从上封头上的反应气体出口(12)流出。

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羰化反应器，其特征在于，所述的换热组件是由多对换热板对(14)以及与各换热板对(14)连接的冷却介质分配支管(110)、冷却介质分配总管(111)、冷却介质收集支管(17)、冷却介质收集总管(18)组成，其中各换热板对(14)内形成供冷却介质流通的板程腔体，相邻换热板对(14)之间形成供反应气体流通的壳程腔体，所述的催化剂(22)设置在壳程腔体内。

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羰化反应器，其特征在于，所述的多对换热板对(14)以分流管(19)为中心呈扇形排布组成。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于合成气制乙二醇工艺的新型羰化反应器，其特征在于，所述的换热板对(14)由两张金属板片中间上均匀设置多个焊接触点形成，多个焊接触点交错设置，触点密度为200～5000个/㎡，触点间距为20～100mm。

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羰化反应器，其特征在于，所述的换热板对(14)四周焊接密封，并在底部和顶部各留有通口，底部通口通过冷却介质分配支管(110)连接至冷却介质分配总管(111)，顶部通口通过冷却介质收集支管(17)连接至冷却介质收集总管(18)。

6.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羰化反应器，其特征在于，相邻换热板对(14)之间的间距和板对数量根据反应放热的大小和快慢、反应物料和催化剂(22)的导热系数及热容、以及对温度波动的要求进行调整，相邻换热板对(14)之间的间距为20～200mm。

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羰化反应器，其特征在于，所述的反应气体入口(11)和反应气体出口(12)在反应器同侧，反应气体在反应器中的流型为离心Ⅱ型。

8.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羰化反应器，其特征在于，所述的换热组件通过反应器上封头吊装进反应器内，反应器为可拆卸结构。

9.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羰化反应器，其特征在于，所述的催化剂(22)装填在换热板对(14)与换热板对(14)之间，催化剂为Pd/Al₂O₃，催化剂(22)通过上封头或人孔进行装填，通过下封头催化剂卸料口(112)卸载。