RU2096076C1

RU2096076C1 - Apparatus for liquid-phase isoprene synthesis

Info

Publication number: RU2096076C1
Application number: RU94039350A
Authority: RU
Inventors: А.А. Суровцев; С.М. Комаров; В.Г. Румянцев; В.Е. Добровинский; О.П. Карпов; С.Ю. Павлов; В.Ф. Москальцов; В.В. Грибков; С.Г. Лухманов
Original assignee: Акционерное общество Научно-производственное предприятие "Ярсинтез"
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1997-11-20
Also published as: RU94039350A

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: apparatus comprises two successively connected column-type tubular reactors, the second one containing an elevating section in the form of bundle of tubes and an descending section in the form of external circulation tubes. Tubes have annular narrowings, advantageously all at the same level. EFFECT: enhanced operation efficiency due to stabilized phase composition of reagent streams in second reactor tubes. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам химической технологии и предназначено для проведения процесса синтеза изопрена одностадийным методом на основе изобутилена и формальдегида в жидкой среде. Известно описание реакторного блока для одностадийного синтеза изопрена, осуществляемого в двух последовательно соединенных кожухотрубных реакторах с внутренней циркуляцией водного слоя в каждом из них (а. с. СССР N 1216940, кл.C 07 C 11/18, 1983). The invention relates to apparatuses of chemical technology and is intended to conduct the synthesis of isoprene by a one-stage method based on isobutylene and formaldehyde in a liquid medium. A description of the reactor block for the one-stage synthesis of isoprene is carried out, carried out in two shell-and-tube reactors connected in series with the internal circulation of the aqueous layer in each of them (A.S. USSR N 1216940, class C 07 C 11/18, 1983).

Недостатком указанной конструкции является размещение внутри реактора опускных труб, неиспользование межтрубных проходов для опускающихся потоков, что ведет к большой металлоемкости конструкций. The disadvantage of this design is the placement inside the reactor of the lowering pipes, the non-use of the annular passages for the lowering flows, which leads to a large metal consumption of the structures.

Наиболее близким к предлагаемому является аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, который включает два последовательно соединенных колонных трубчатых реактора. Первый реактор содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и опускную секцию в виде межтрубных проходов этого же трубного пучка. Второй реактор выполнен в виде кожухотрубной колонны, верхняя часть которой над трубной доской соединена с нижней частью под трубной доской наружными циркуляционными трубопроводами (заявка N 4673404, решение о выдаче патента от 20.05.92 г.). Closest to the proposed is an apparatus for liquid-phase synthesis of isoprene, which includes two series-connected column tubular reactors. The first reactor contains a lifting section in the form of a tube bundle and a lowering section in the form of annular passages of the same tube bundle. The second reactor is made in the form of a shell-and-tube column, the upper part of which is connected above the pipe plate to the lower part under the pipe plate by external circulation pipelines (Application No. 4673404, decision on the grant of a patent dated 05/20/92).

В известном способе для интенсификации процесса взаимодействия реагентов за счет организации циркуляции водной фазы в подъемные трубы подается изобутилен в количестве, в несколько раз превышающем необходимое для реакции. Фазовый состав реакционной смеси в первом реакторе представляет собой жидкость, во втором жидкость газ вследствие увеличения температуры процесса от 100 110^oC в первом реакторе до 165 175^oC во втором реакторе.In the known method for the intensification of the process of interaction of reagents by organizing the circulation of the aqueous phase into the lifting pipes isobutylene is supplied in an amount several times higher than necessary for the reaction. The phase composition of the reaction mixture in the first reactor is a liquid, in the second liquid a gas due to an increase in the process temperature from 100 110 ^o C in the first reactor to 165 175 ^o C in the second reactor.

Основным недостатком этой конструкции, ограничивающим ее применение при разработке аппаратов жидкофазного синтеза изопрена большой единичной мощности, является недостаточная эффективность процесса взаимодействия реагентов, вызванная перераспределением фаз по высоте подъемных труб. Если в первом реакторе соотношение легкой фазы изобутилена и тяжелой водной по высоте подъемных труб изменяется незначительно, то во втором реакторе благодаря переходу изобутилена, а также продуктов реакции в газовую фазу соотношение газовой и жидкой фаз резко изменяется от минимального значения в начале трубы до максимального на выходе. При этом снижается эффективность использования реакционного объема в связи с тем, что химические превращения протекают в жидкой фазе. The main disadvantage of this design, limiting its use in the development of devices for liquid-phase synthesis of isoprene of large unit capacity, is the insufficient efficiency of the process of interaction of the reagents, caused by the redistribution of phases along the height of the lifting pipes. If in the first reactor the ratio of the light phase of isobutylene and heavy water in the height of the riser does not change significantly, then in the second reactor, due to the transfer of isobutylene and the reaction products to the gas phase, the ratio of the gas and liquid phases sharply changes from the minimum value at the beginning of the pipe to the maximum output . This reduces the efficiency of the use of the reaction volume due to the fact that chemical transformations occur in the liquid phase.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, увеличение эффективности аппарата за счет стабилизации фазового состава потока реагентов по трубам второго реактора. The problem solved by the claimed invention, increasing the efficiency of the apparatus by stabilizing the phase composition of the flow of reagents through the pipes of the second reactor.

Предлагается аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, включающий два последовательно соединенных колонных трубчатых реактора, второй из которых содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и спускную в виде наружных циркуляционных труб, причем в трубах трубного пучка второго реактора установлены кольцевые сужения. An apparatus for liquid-phase synthesis of isoprene is proposed, including two series-connected columned tubular reactors, the second of which contains a lifting section in the form of a tube bundle and a drain section in the form of external circulation tubes, and ring constrictions are installed in the tubes of the tube bundle of the second reactor.

Предпочтительно устанавливать кольцевые сужения в трубах второго реактора на одинаковой высоте. It is preferable to install annular narrowing in the pipes of the second reactor at the same height.

Отличиями предлагаемого аппарата от прототипа является установление в трубах трубного пучка второго реактора кольцевых сужений и предпочтительная установка их во всех трубах на одинаковой высоте. The differences of the proposed apparatus from the prototype is the installation in the pipes of the tube bundle of the second reactor of circular contractions and their preferred installation in all pipes at the same height.

Кольцевые сужения, будучи местным сопротивлением, существенно влияют на распределение газовой и жидкой фаз по сечению потока, причем на значительной высоте трубы после местного сопротивления, т.е. после кольцевого сужения. Ring constrictions, being local resistance, significantly affect the distribution of the gas and liquid phases over the flow cross section, and at a considerable pipe height after local resistance, i.e. after a ring narrowing.

На участках трубы, расположенных после местного сопротивления, т.е. кольцевого сужения, наблюдается значительное изменение плотности смеси в сторону ее увеличения (С.С. Кутетеладзе, М.А.Сытрикович. Гидродинамика газожидкостных систем. М. Энергия, 1976, с.174). In pipe sections located after local resistance, i.e. ring narrowing, there is a significant change in the density of the mixture in the direction of its increase (S. S. Kuteteladze, M. A. Sytrikovich. Hydrodynamics of gas-liquid systems. M. Energia, 1976, p. 174).

Поэтому размещение кольцевых сужений на внутренней поверхности труб подъемной секции второго реактора аппарата жидкофазного синтеза изопрена увеличивает плотность смеси, т.е. долю жидкой фазы, в которой протекает реакция в присутствии катализатора, и, следовательно, увеличивает фактическое время пребывания реагентов в реакционном объеме. Этот реактор имеет особое значение для промышленного аппарата жидкофазного синтеза изопрена, в котором высота подъемных труб достигает 12 м. Therefore, the placement of ring constrictions on the inner surface of the pipes of the lifting section of the second reactor of the liquid-phase isoprene synthesis apparatus increases the density of the mixture, i.e. the proportion of the liquid phase in which the reaction proceeds in the presence of a catalyst, and therefore increases the actual residence time of the reactants in the reaction volume. This reactor is of particular importance for the industrial apparatus for the liquid-phase synthesis of isoprene, in which the height of the lifting pipes reaches 12 m.

Кроме того, для создания одинаковых условий взаимодействия реагентов во всех трубах трубного пучка второго реактора кольцевые сужения на их внутренней поверхности выполняются на одном уровне. In addition, to create the same conditions for the interaction of reagents in all pipes of the tube bundle of the second reactor, annular contractions on their inner surface are performed at the same level.

На фиг. 1 изображен предлагаемый аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, на фиг. 2 кольцевые сужения в трубе. Аппарат состоит из вертикально установленного реактора первой ступени 1, снабженного внизу патрубками для подачи в реактор исходных компонентов водного раствора формальдегида и катализатора через патрубок 2 и изобутилена через патрубок 3, вверху - патрубком 4 для отвода промежуточных продуктов реакции по трубопроводу 5 в следующий реактор. Во внутреннем объеме реактора 1 размещен трубный пучок, образующий в трубах подъемную секцию и в межтрубных проходах 7 опускную секцию. В нижней части реактора 1 под трубным пучком 6 расположено устройство для распределения по трубам изобутилена, которое выполнено в виде коллектора 8 с отходящими от него вверх форсунками 9, входящими в подъемные трубы 6. Циркуляция водной фазы обеспечивается подачей изобутилена легкой фазы в трубы трубного пучка. Аппарат содержит далее реактор второй ступени 10, включающий в себя трубный теплообменник 11 с трубным пучком и трубными досками 12, 13, сепарационную зону 14 над верхней трубной доской 12, содержащей выходной патрубок 15 для отбора паровой смеси изопрена и компонентов реакции, и базовые патрубки 16, сообщающие сепарационную зону с наружными циркуляционными трубами 17, которые соединены с нижней частью реакционной зоны 18. В нижней части реактора 10 размещено распределительное устройство, имеющее плоское днище 19 и размещенные в днище патрубки 10 с отверстиями, выполненными на одном уровне. Реакционную массу из первого реактора подают в реакционную зону под днище распределительного устройства по подводящей трубе 21, соединенной с трубопроводом 5. В верхней части циркуляционных труб 17 встроены дополнительные сепарационные емкости 22, сообщающиеся трубопроводами 23 с патрубком 15 для выхода изопрена в смеси с компонентами реакции. Корпус реактора снабжен патрубками 14 для подвода греющего пара в теплообменник 11 и патрубком 25 для отвода конденсата. В сепарационных емкостях 22 имеются патрубки 26 для вывода водной фазы, содержащей катализатор, для повторного использования в первом реакторе. В трубах 27 трубного пучка реактора 10 установлены кольцевые сужения 28. Кольцевые сужения выполнены на одном уровне на расстоянии друг от друга (120 190)b, где b внутренний диаметр труб. При расстоянии меньшем, чем 120b, возрастает количество сужений по высоте труб и, соответственно, сопротивление труб, что отрицательно сказывается на скорости циркуляции водной фазы, а следовательно, на процессах тепло-массообмена. При расстоянии большем, чем 190b, эффект влияния кольцевых сужений на структуру газожидкостного потока становится незначительным. Кольцевые сужения могут быть выполнены путем подвальцовки концов труб и придания им конической формы с последующей сваркой их. In FIG. 1 shows the proposed apparatus for liquid-phase synthesis of isoprene, FIG. 2 ring constrictions in the pipe. The apparatus consists of a vertically mounted first-stage reactor 1, equipped with pipes at the bottom for supplying the initial components of an aqueous solution of formaldehyde and catalyst to the reactor through pipe 2 and isobutylene through pipe 3, at the top - pipe 4 for removal of intermediate reaction products through pipeline 5 to the next reactor. A tube bundle is placed in the internal volume of the reactor 1, which forms a lifting section in the pipes and a lowering section in the annular passages 7. In the lower part of the reactor 1, under the tube bundle 6, there is a device for distributing isobutylene through pipes, which is made in the form of a collector 8 with nozzles 9 extending upward from it and entering the riser tubes 6. The aqueous phase is circulated by supplying light phase isobutylene to the tube bundle pipes. The apparatus further comprises a second stage reactor 10, which includes a tube heat exchanger 11 with a tube bundle and tube plates 12, 13, a separation zone 14 above the upper tube plate 12, containing an outlet pipe 15 for selecting a vapor mixture of isoprene and reaction components, and base pipes 16 communicating the separation zone with the outer circulation pipes 17, which are connected to the lower part of the reaction zone 18. In the lower part of the reactor 10 there is a distribution device having a flat bottom 19 and nozzles 10 s from the bottom Erste made on the same level. The reaction mass from the first reactor is fed into the reaction zone under the bottom of the switchgear via a supply pipe 21 connected to the pipeline 5. In the upper part of the circulation pipes 17, additional separation tanks 22 are connected, connected by pipelines 23 to the pipe 15 for the release of isoprene in the mixture with the reaction components. The reactor vessel is equipped with nozzles 14 for supplying heating steam to the heat exchanger 11 and a nozzle 25 for condensate drainage. In the separation tanks 22 there are nozzles 26 for withdrawing the aqueous phase containing the catalyst for reuse in the first reactor. In the pipes 27 of the tube bundle of the reactor 10, ring constrictions 28 are installed. Ring constrictions are made at the same level at a distance from each other (120 190) b, where b is the inner diameter of the pipes. When the distance is less than 120b, the number of narrowings along the height of the pipes and, accordingly, the resistance of the pipes increases, which negatively affects the circulation rate of the aqueous phase, and therefore, the processes of heat and mass transfer. At a distance greater than 190b, the effect of the influence of ring constrictions on the structure of the gas-liquid flow becomes insignificant. Ring constrictions can be made by rolling the ends of the pipes and giving them a conical shape, followed by welding them.

Аппарат для жидкофазного синтеза изопрена работает следующим образом. Исходный продукт водный раствор формальдегида с катализатором серной кислоты поступает в первый реактор 1 через патрубок 2. Изобутилен в жидком виде через патрубок 3 подается в распределительное устройство коллектор 8 и через форсунки 9 во все трубы 6 трубного пучка. Так как плотность изобутилена меньше плотности водной фазы, возникает циркуляция водной фазы в межтрубных проходах 7, обеспечивающая условия, близкие к идеальному смешению. Реакционная масса из реактора первой ступени 1 по трубопроводу 5, подводящей трубе 21 поступает под днище 19 распределительного устройства. Здесь происходит накопление промежуточных продуктов реакции до определенного уровня. Через отверстия патрубков 20 они смешиваются с потоком водного раствора катализатора, циркулирующего внутри реактора по трубам 17, и далее распределяются по трубам 27 теплообменника 11. В трубах 27 при подогреве до определенной температуры синтезируется изопрен и одновременно испаряется часть продуктов реакции, поступая в сепарационную зону 14 реактора. Паровая смесь продуктов реакции отводится из реактора через выходной патрубок 15, водная фаза по боковым отводящим патрубкам 16 поступает в сепарационные емкости 22 и далее в циркуляционные трубы 17. Пары из сепарационных емкостей 22 по трубопроводам 23 поступают в патрубок 15. В трубах 27 на определенном расстоянии устанавливаются кольцевые сужения 28. Apparatus for liquid-phase synthesis of isoprene works as follows. The initial product an aqueous solution of formaldehyde with a sulfuric acid catalyst enters the first reactor 1 through the pipe 2. Isobutylene in liquid form through the pipe 3 is supplied to the manifold 8 and through nozzles 9 to all pipes 6 of the tube bundle. Since the density of isobutylene is lower than the density of the aqueous phase, there is a circulation of the aqueous phase in the annular passages 7, providing conditions close to perfect mixing. The reaction mass from the reactor of the first stage 1 through the pipeline 5, the inlet pipe 21 enters under the bottom 19 of the switchgear. Here the accumulation of intermediate reaction products occurs to a certain level. Through the openings of the nozzles 20, they are mixed with the flow of an aqueous solution of the catalyst circulating inside the reactor through pipes 17, and then distributed through the pipes 27 of the heat exchanger 11. In the pipes 27, when heated to a certain temperature, isoprene is synthesized and at the same time a part of the reaction products evaporates, entering the separation zone 14 the reactor. The vapor mixture of the reaction products is discharged from the reactor through the outlet pipe 15, the aqueous phase through the lateral outlet pipes 16 enters the separation tanks 22 and then into the circulation pipes 17. Vapors from the separation tanks 22 through the pipelines 23 enter the pipe 15. In the pipes 27 at a certain distance ring constrictions are established 28.

Реакционный поток, поступающий из первого реактора 1 в нижнюю часть реакционной зоны 18, первоначально нагревается за счет смешения с нагретой до 165 175^oC водной фазой. При этом часть жидкого изобутилена переходит в газовое состояние, поскольку критическая температура изобутилена 143^oC, накапливается под днищем распределительной тарелки, проходя через отверстия в патрубках 20, смешивается с жидким реакционным потоком и поступает в трубы 27 трубного пучка теплообменника 11. Здесь происходит дальнейший нагрев реакционного потока до температуры реакции 165 175^oC, при которой происходит синтез изопрена. Одновременно при этом происходит переход части компонентов реакции в паровую фазу с увеличением газосодержания по высоте труб.The reaction stream coming from the first reactor 1 to the lower part of reaction zone 18 is initially heated by mixing with the aqueous phase heated to 165-175 ^° C. At the same time, part of the liquid isobutylene goes into the gas state, since the critical temperature of the isobutylene is 143 ^o C, accumulates under the bottom of the distribution plate, passing through the holes in the nozzles 20, mixes with the liquid reaction stream and enters the tubes 27 of the tube bundle of the heat exchanger 11. Here, further heating occurs the reaction stream to a reaction temperature of 165 175 ^o C, at which the synthesis of isoprene. At the same time, a part of the reaction components undergoes a transition to the vapor phase with an increase in gas content along the height of the pipes.

В зоне кольцевых сужений 28 в реакционном потоке происходит перераспределение газовой и жидкой фаз, доля газовой фазы сокращается за счет коалесценции мелких пузырей, соответственно возрастает доля жидкой фазы, в которой протекает реакция образования изопрена в присутствии катализатора - серной кислоты. Тем самым достигается более полное использование реакционного объема и увеличение эффективности аппарата. In the zone of annular narrowing 28, redistribution of the gas and liquid phases occurs in the reaction stream, the fraction of the gas phase decreases due to coalescence of small bubbles, and accordingly, the proportion of the liquid phase in which the formation of isoprene proceeds in the presence of a sulfuric acid catalyst occurs. Thereby, a more complete use of the reaction volume and an increase in the efficiency of the apparatus are achieved.

Диаметр кольцевых сужений равен (0,87 0,96)b, где b внутренний диаметр труб. При значении коэффициента меньше 0,80 возрастает гидравлическое сопротивление в трубах, уменьшая скорость циркуляции водной фазы. При значении коэффициента больше 0,95 эффект перераспределения фаз становится несущественным. Расположение кольцевых сужений на одном уровне обеспечивает одинаковые условия в трубах, приводит к достижению максимальной скорости циркуляции и эффективного теплообмена. The diameter of the ring constrictions is (0.87 0.96) b, where b is the inner diameter of the pipes. When the coefficient value is less than 0.80, the hydraulic resistance in the pipes increases, reducing the rate of circulation of the aqueous phase. When the coefficient value is more than 0.95, the effect of phase redistribution becomes insignificant. The location of the ring constrictions at the same level provides the same conditions in the pipes, leading to a maximum circulation speed and efficient heat transfer.

Предлагаемая конструкция аппарата жидкофазного синтеза изопрена позволяет за счет перераспределения газовой и жидкой фаз вдоль труб трубного пучка второго реактора более полно использовать реакционный объем, повысить производительность аппарата, создать условия для более равномерного распределения потоков по трубкам аппарата при стабилизации теплового режима в трубках в узком температурном интервале. The proposed design of the apparatus for the liquid-phase synthesis of isoprene allows, due to the redistribution of the gas and liquid phases along the tubes of the tube bundle of the second reactor, to use the reaction volume more fully, increase the productivity of the apparatus, create conditions for a more even distribution of flows through the tubes of the apparatus while stabilizing the thermal regime in the tubes in a narrow temperature range .

Claims

1. The apparatus for the liquid-phase synthesis of isoprene, comprising two series-connected reactors, characterized in that the reactors are made in columns, tubular, the second of which contains a lifting section in the form of a tube bundle and a drain section in the form of external circulation pipes, and ring pipes are installed in the pipes of the second reactor narrowing.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the annular narrowing is installed in the pipes at the same height.