專利名稱：一種用于環(huán)氧乙烷制備的列管式固定床反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于化工反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的列管式固定床反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
固定床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于多相催化反應(yīng)過程中，反應(yīng)器中固體顆粒填充成床層，流體流經(jīng)固體顆粒進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。其中流體可以是氣體和/或液體，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚬腆w物料。固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)是反應(yīng)過程在高溫高壓下操作，床內(nèi)催化劑不易磨損，流體流動(dòng)可看作平推流；床內(nèi)流體的停留時(shí)間可控。
列管式固定床反應(yīng)器是化工常用設(shè)備之一，常用于放熱反應(yīng)。因此必須將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時(shí)有效的通過反應(yīng)體或載熱體轉(zhuǎn)移走，以保證管間載熱體的徑向溫度均衡和避免發(fā)生催化劑燒結(jié)事故。所以反應(yīng)器的傳熱效果好壞是衡量反應(yīng)器性能的主要指標(biāo)之一。因此在現(xiàn)有技術(shù)中，有關(guān)反應(yīng)器的改進(jìn)主要是針對(duì)反應(yīng)器的傳熱問題，通過改變換熱介質(zhì)、增加隔板或通道等方法解決反應(yīng)器傳熱效果的問題。
目前，環(huán)氧乙烷/乙二醇是乙烯系列產(chǎn)品中的第三大品種，是生產(chǎn)聚酯、表面活性劑、防凍液等的重要化工原料。環(huán)氧乙烷/乙二醇的生產(chǎn)過程是用乙烯和氧氣反應(yīng)生成環(huán)氧乙烷，環(huán)氧乙烷經(jīng)水解生成乙二醇。因此，環(huán)氧乙烷反應(yīng)器是乙二醇生產(chǎn)流程的關(guān)鍵設(shè)備。由于環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置流程復(fù)雜，其關(guān)鍵設(shè)備環(huán)氧乙烷反應(yīng)器設(shè)計(jì)難度很大，多年來國內(nèi)新建環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置需花費(fèi)大量外匯購買工藝技術(shù)。因此迫切需要自主開發(fā)環(huán)氧乙烷反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)。
目前大型環(huán)氧乙烷/乙二醇工業(yè)化裝置中用于高活性催化劑的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器反應(yīng)管直徑較?。蝗舨捎么笮偷牧泄苁焦潭ù卜磻?yīng)器，其設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度較高，又由于工藝介質(zhì)為易燃易爆且有高度毒性危害的氣體混合物，對(duì)設(shè)備的安全可靠性要求很高。例如在生產(chǎn)能力為10萬噸/年的乙二醇裝置中的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器反應(yīng)管根數(shù)近萬根，設(shè)備的直徑為5160毫米，高度11400毫米，設(shè)備重量達(dá)500多噸。這樣由于反應(yīng)器本身設(shè)計(jì)壓力較高，直徑較大，需要的反應(yīng)器壁厚增大后，導(dǎo)致反應(yīng)器重量加大，投資及運(yùn)輸難度增大。因此需要在滿足工藝要求的前提下，對(duì)環(huán)氧乙烷反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
實(shí)用新型內(nèi)容環(huán)氧乙烷反應(yīng)器是一個(gè)列管式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)管內(nèi)裝有催化劑；乙烯和氧氣自上而下通過反應(yīng)管。反應(yīng)放出的熱量由管外沸騰水帶走。乙烯氧化制環(huán)氧乙烷是在銀催化作用下的強(qiáng)放熱反應(yīng)，伴隨著完全燃燒反應(yīng)，副產(chǎn)二氧化碳，反應(yīng)方程式是
在環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的上段，管外沸騰水部分冷凝，將熱量傳給管內(nèi)反應(yīng)氣體，使其達(dá)到反應(yīng)所需溫度；在環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的中段，反應(yīng)氣體將放出的熱量傳給管外水，管外水沸騰將熱量帶走。在環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的下段，反應(yīng)氣體將熱量傳給管外水，管外水溫度逐漸升高飽和溫度。管內(nèi)的傳熱過程從上至下均為對(duì)流傳熱過程，管外由上至下分別為冷凝給熱過程、沸騰傳熱過程和對(duì)流傳熱過程。
現(xiàn)有技術(shù)中存在的主要問題是，目前大型環(huán)氧乙烷/乙二醇工業(yè)化裝置中用于高活性催化劑的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器反應(yīng)管直徑通常為38.1毫米，為滿足工藝能力所需的催化劑裝填量，所需的反應(yīng)管根數(shù)通常萬根以上。反應(yīng)管根數(shù)多必然導(dǎo)致反應(yīng)器的直徑較大，再加上反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力較高，需要的反應(yīng)器壁厚較大，這樣就使得反應(yīng)器重量加大，進(jìn)而使得投資及運(yùn)輸?shù)某杀竞碗y度大大提高。
發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)研究，將反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、傳熱模型以及水力學(xué)計(jì)算結(jié)合在一起，可以完整描述環(huán)氧乙烷反應(yīng)器系統(tǒng)的特性，可準(zhǔn)確地計(jì)算出反應(yīng)器軸向和徑向溫度分布、熱點(diǎn)溫度和位置、熱流量、物料組成、乙烯的轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧乙烷的選擇性、沸騰水汽化分率分布和汽包高度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。并應(yīng)用上述環(huán)氧乙烷反應(yīng)器設(shè)計(jì)方法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整反應(yīng)器尺寸，通過反復(fù)計(jì)算比較，設(shè)計(jì)出了優(yōu)化的新型的反應(yīng)管直徑為40～50mm的反應(yīng)器。這種新型反應(yīng)器的催化劑裝填量、管內(nèi)軸向和徑向溫度分布均能滿足工藝要求，同時(shí)反應(yīng)器整體尺寸優(yōu)化，直徑減小，降低了壁厚，可節(jié)省投資，并能更好地適應(yīng)運(yùn)輸要求。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型的一種用于環(huán)氧乙烷制備的列管式固定床反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體1、反應(yīng)氣體進(jìn)口2、反應(yīng)氣體出口3、液體進(jìn)口4、液體出口5，以及置于所述反應(yīng)器殼體1的內(nèi)部的反應(yīng)管6和兩端的管板7；所述的反應(yīng)器內(nèi)部分隔成管程和殼程兩個(gè)流體空間；所述的反應(yīng)氣體進(jìn)口2、反應(yīng)氣體出口3位于反應(yīng)器殼體1的兩端并且通過管板7和反應(yīng)管6相通，形成管程；液體進(jìn)口4和液體出口5分別設(shè)置在所述的反應(yīng)器殼體1的側(cè)壁上，形成殼程；其進(jìn)入所述反應(yīng)管6的反應(yīng)氣體為乙烯和氧氣的混合氣體，且在反應(yīng)管6中填充有催化劑8；其特征在于所述的反應(yīng)管6為豎直列管結(jié)構(gòu)；所述反應(yīng)管6的管徑為40～50毫米、優(yōu)選為42～48毫米；更優(yōu)選為45～46毫米；所述的反應(yīng)管6間距為52.5～60毫米。
在具體的應(yīng)用中，所述的反應(yīng)氣體進(jìn)口2設(shè)置在反應(yīng)器殼體1的頂部，所述的反應(yīng)氣體出口3設(shè)置在反應(yīng)器殼體1的底部；所述的液體進(jìn)口4和液體出口5依次分別設(shè)置在反應(yīng)器殼體1側(cè)壁的下部和上部，且液體出口5為沸水出口。
在所述反應(yīng)管6內(nèi)部有催化劑8，且在每根反應(yīng)管6的兩端分別填充有惰性球9。
所述列管式固定床反應(yīng)器殼體的材質(zhì)為高強(qiáng)度碳鋼；所述反應(yīng)管的材質(zhì)為碳鋼；所述管板的材質(zhì)為碳鋼。
對(duì)于年產(chǎn)10萬噸乙二醇裝置中的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器來說，現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)管直徑為38.1mm時(shí)，反應(yīng)器直徑為5160mm。
對(duì)于同樣的生產(chǎn)規(guī)模，本實(shí)用新型將列管式反應(yīng)器的反應(yīng)管直徑由原來的38.1mm增大到40-50毫米。通過本實(shí)用新型的研究和試驗(yàn)證明，本實(shí)用新型的反應(yīng)器的催化劑裝填量、管內(nèi)軸向、徑向溫度分布均能滿足工藝要求。例如，當(dāng)反應(yīng)管直徑取45～46mm時(shí)，本實(shí)用新型反應(yīng)器的直徑可降為5000mm以下。這樣，反應(yīng)器整體尺寸更為優(yōu)化、反應(yīng)器直徑得以減小、長徑比更為合理，同時(shí)壁厚降低。其結(jié)果是降低設(shè)備的總重量，節(jié)省了投資，并能更好地適應(yīng)運(yùn)輸要求。
圖1為本實(shí)用新型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1為反應(yīng)器殼體；2為反應(yīng)氣體進(jìn)口；3為反應(yīng)氣體出口；4為液體進(jìn)口；5為液體出口；6為反應(yīng)管；7為管板；8為催化劑；9為惰性球。
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)附圖進(jìn)行具體說明。
具體實(shí)施方式
圖1為本實(shí)用新型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，本實(shí)用新型的反應(yīng)器，其進(jìn)入所述反應(yīng)管6的反應(yīng)氣體為乙烯和氧氣的混合氣體，且在反應(yīng)管6中填充有催化劑8；所述的反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體1、反應(yīng)氣體進(jìn)口2、反應(yīng)氣體出口3、液體進(jìn)口4、液體出口5，以及置于所述反應(yīng)器殼體1的內(nèi)部的反應(yīng)管6和兩端的管板7；所述的反應(yīng)器內(nèi)部分隔成管程和殼程兩個(gè)流體空間；所述的反應(yīng)氣體進(jìn)口2、反應(yīng)氣體出口3位于反應(yīng)器殼體1的兩端并且通過管板7和反應(yīng)管6相通，形成管程；液體進(jìn)口4和液體出口5分別設(shè)置在所述的反應(yīng)器殼體1的側(cè)壁上，形成殼程。
上述的反應(yīng)管6為豎直列管結(jié)構(gòu)；所述反應(yīng)管6的管徑為40～50毫米、優(yōu)選為42～48毫米；更優(yōu)選為45～46毫米；所述的反應(yīng)管6間距為52.5～60毫米。
上述的反應(yīng)氣體進(jìn)口2設(shè)置在反應(yīng)器殼體1的頂部，上述的反應(yīng)氣體出口3設(shè)置在反應(yīng)器殼體1的底部；上述的液體進(jìn)口4和液體出口5依次分別設(shè)置在反應(yīng)器殼體1側(cè)壁的下部和上部，且液體出口5為沸水出口。
在上述反應(yīng)管6內(nèi)部有催化劑8，且在每根反應(yīng)管6的兩端分別填充有惰性球9。
所述列管式固定床反應(yīng)器殼體的材質(zhì)為高強(qiáng)度碳鋼；所述反應(yīng)管的材質(zhì)為碳鋼；所述管板的材質(zhì)為碳鋼。
權(quán)利要求1.一種用于環(huán)氧乙烷制備的列管式固定床反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體(1)、反應(yīng)氣體進(jìn)口(2)、反應(yīng)氣體出口(3)、液體進(jìn)口(4)、液體出口(5)，以及置于所述反應(yīng)器殼體(1)的內(nèi)部的反應(yīng)管(6)和兩端的管板(7)；所述的反應(yīng)器內(nèi)部分隔成管程和殼程兩個(gè)流體空間；所述的反應(yīng)氣體進(jìn)口(2)、反應(yīng)氣體出口(3)位于反應(yīng)器殼體(1)的兩端并且通過管板(7)和反應(yīng)管(6)相通，形成管程；液體進(jìn)口(4)和液體出口(5)分別設(shè)置在所述的反應(yīng)器殼體(1)的側(cè)壁上，形成殼程；進(jìn)入所述反應(yīng)管(6)的反應(yīng)氣體為乙烯和氧氣的混合氣體，且在反應(yīng)管(6)中填充有催化劑(8)；其特征在于所述的反應(yīng)管(6)為豎直列管結(jié)構(gòu)，所述反應(yīng)管(6)的管徑為40～50毫米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列管式固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)管(6)的管徑為42～48毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列管式固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)管(6)的管徑為45～46毫米；所述的反應(yīng)管(6)間距為52.5～60毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列管式固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)氣體進(jìn)口(2)設(shè)置在反應(yīng)器殼體(1)的頂部，所述的反應(yīng)氣體出口(3)設(shè)置在反應(yīng)器殼體(1)的底部；所述的液體進(jìn)口(4)和液體出口(5)依次分別設(shè)置在反應(yīng)器殼體(1)的側(cè)壁的下部和上部，且液體出口(5)為沸水出口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列管式固定床反應(yīng)器，其特征在于在所述反應(yīng)管(6)內(nèi)部有催化劑(8)，且在每根反應(yīng)管(6)的兩端分別填充有惰性球(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5之一所述的列管式固定床反應(yīng)器，其特征在于所述列管式固定床反應(yīng)器殼體的材質(zhì)為高強(qiáng)度碳鋼；所述反應(yīng)管的材質(zhì)為碳鋼；所述管板的材質(zhì)為碳鋼。
專利摘要本實(shí)用新型為一種列管式固定床反應(yīng)器，屬于化工反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)氣體進(jìn)口、反應(yīng)氣體出口、液體進(jìn)口、液體出口，以及反應(yīng)管和兩端的管板；其特征在于所述的列管式固定床反應(yīng)器用于環(huán)氧乙烷的制備過程中，所述的反應(yīng)管中填充有催化劑，所述反應(yīng)管的管徑在40～50毫米。本實(shí)用新型在不用增加新反應(yīng)器的情況下就能達(dá)到擴(kuò)能的要求，即滿足擴(kuò)大的生產(chǎn)能力的要求。這種反應(yīng)器的催化劑裝填量、管內(nèi)軸向、徑向溫度分布均能滿足工藝要求。同時(shí)反應(yīng)器整體尺寸優(yōu)化，直徑減小，降低了壁厚，可節(jié)省投資，并能更好地適應(yīng)運(yùn)輸要求。
文檔編號(hào)C07D301/00GK2764474SQ200520001210
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者黃耀相, 吉京華, 王紅, 高全樂, 朱為明 申請(qǐng)人:中國寰球工程公司