雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，涉及一種雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器包括冷卻內(nèi)管（1）、反應(yīng)套管（2）、冷卻套管（3）、螺旋射流管（4）、螺旋導(dǎo)流片（5）、擾流柱（6）、冷卻套管出口管（7）、反應(yīng)套管出口管（8）、冷卻套管進(jìn)口管（9）和反應(yīng)套管進(jìn)口管（10）等。冷卻內(nèi)管、反應(yīng)套管及冷卻套管三管同心布置，構(gòu)成一個反應(yīng)腔體和兩個換熱腔體，同時在兩種腔體內(nèi)分別裝配螺旋射流管及螺旋導(dǎo)流片，保證反應(yīng)物料及冷卻劑能夠螺旋流動，傳質(zhì)及傳熱得到同步強(qiáng)化。本實用新型換熱速度快，反應(yīng)安全可靠，特別適用于采用液相三氧化硫為磺化劑的連續(xù)磺化反應(yīng)工藝。
【專利說明】雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種套管式反應(yīng)器，特別是涉及一種雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]以液相三氧化硫為磺化劑的磺化反應(yīng)通常是以釜式滴加方式進(jìn)行，即先將被磺化物(如硝基苯)投放到反應(yīng)釜中，再將三氧化硫通過插底管緩慢滴加到反應(yīng)釜內(nèi)，通過攪拌將物料混合均勻，同時物料發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱。反應(yīng)熱通過反應(yīng)釜夾套內(nèi)的冷卻劑移出，以保持合適的反應(yīng)溫度。這種反應(yīng)方式存在許多自身無法克服的缺陷:首先，反應(yīng)釜傳熱面積小，反應(yīng)熱移出速度慢，進(jìn)而導(dǎo)致磺化劑滴加緩慢，生產(chǎn)周期長；其次，磺化劑連續(xù)滴加到釜內(nèi)，三氧化硫與反應(yīng)產(chǎn)物持續(xù)接觸，致使早期反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn)深化反應(yīng)，副產(chǎn)物增多；此外，該種反應(yīng)過程存在巨大的安全隱患，一旦反應(yīng)中途停水、斷電或攪拌系統(tǒng)發(fā)生故障，反應(yīng)熱無法及時移出就會導(dǎo)致溫度失控，發(fā)生安全事故。
[0003]針對釜式滴加反應(yīng)存在的不足，近年來出現(xiàn)了一種連續(xù)管式磺化反應(yīng)工藝，即參與反應(yīng)的兩種物料同時進(jìn)入管式反應(yīng)器，兩者同步流動的同時完成反應(yīng)過程。但經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，這種反應(yīng)工藝往往很難控制，原因就是參與反應(yīng)的兩種物料接近理論投料比，反應(yīng)裝置初始反應(yīng)段的反應(yīng)非常劇烈，帶有普通冷卻套管的反應(yīng)器無法快速移出反應(yīng)熱，導(dǎo)致溫度失控，反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行。由此可見，研發(fā)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效快速傳熱的反應(yīng)器是實現(xiàn)連續(xù)管式磺化反應(yīng)工藝的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有內(nèi)外兩個傳熱壁面，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻劑及反應(yīng)物料的螺旋流動，傳熱面積大，傳熱系數(shù)高，反應(yīng)物料接觸充分，混合均勻，反應(yīng)副產(chǎn)物少，保證反應(yīng)過程安全可控。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括冷卻內(nèi)管、反應(yīng)套管、冷卻套管、螺旋射流管、螺旋導(dǎo)流片、擾流柱、冷卻套管出口管、反應(yīng)套管出口管、冷卻套管進(jìn)口管和反應(yīng)套管進(jìn)口管；冷卻內(nèi)管外壁與反應(yīng)套管內(nèi)壁之間的環(huán)形腔體為物料反應(yīng)空間，該空間被螺旋射流管分隔成一條螺旋流道，參與反應(yīng)的物料在螺旋流道內(nèi)混合反應(yīng)；螺旋射流管的管壁上沿著反應(yīng)器軸線方向開有射流孔，射流孔沿著螺旋管軸向及周向均布，射流孔直徑由螺旋射流管內(nèi)的物料流量及物性確定；螺旋射流管的直徑等于環(huán)形反應(yīng)空間徑向?qū)挾?，反?yīng)物料完全或基本沿著螺旋流道方向流動；螺旋射流管的螺距決定了反應(yīng)物料流通截面積，其大小根據(jù)反應(yīng)器處理量及反應(yīng)停留時間確定；螺旋導(dǎo)流片裝配在冷卻套管及反應(yīng)套管所形成的環(huán)形空間內(nèi)，將該環(huán)形空間分割成一條螺旋形流道，冷卻介質(zhì)在流道內(nèi)螺旋流動；螺旋導(dǎo)流片寬度等于冷卻套管及反應(yīng)套管所形成的環(huán)隙距離；螺旋導(dǎo)流片螺距取反應(yīng)套管直徑的0.2^0.8倍。
[0007]所述的雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，所述擾流柱焊接在反應(yīng)套管外壁上，沿螺旋線方向均布在螺旋導(dǎo)流片所形成的螺旋流道中間。
[0008]所述的雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，所述擾流柱直徑取流道軸向?qū)挾鹊?/6?1/3 ;擾流柱高度取螺旋導(dǎo)流片寬度的0.5^1倍。
[0009]所述的雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，所述冷卻內(nèi)管與冷卻套管內(nèi)的冷卻介質(zhì)的整體流動方向相反，保證反應(yīng)器長度方向上各處的溫度均勻一致。
[0010]本實用新型的優(yōu)點與效果是:
[0011]1.本實用新型具有內(nèi)外兩個傳熱空間，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻劑的螺旋流動，傳熱面積大，傳熱系數(shù)高，反應(yīng)熱移出速度快；
[0012]2.本實用新型可實現(xiàn)反應(yīng)物料的旋流與射流同步混合，無流動死角，無短路，不會發(fā)生反應(yīng)過度和反應(yīng)欠缺現(xiàn)象；
[0013]3.本實用新型承壓能力強(qiáng)，混合管徑較小，能夠承受較高的介質(zhì)壓力，可以應(yīng)用到高壓工況；
[0014]4.本實用新型安全可靠，便于溫度控制，適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)工況；
[0015]5.本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊，便于連接，節(jié)省空間。
[0016]6.本實用新型可替代釜式反應(yīng)器，實現(xiàn)反應(yīng)過程的連續(xù)化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的裝配結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2為反應(yīng)套管與螺旋導(dǎo)流片及擾流柱的裝配結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3為冷卻內(nèi)管與螺旋射流管的裝配結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖4為本實用新型工作原理示意圖(其中，實心單箭頭代表磺化劑；空心單箭頭代表被磺化物；實心雙箭頭代表冷卻劑；空心實心雙箭頭代表反應(yīng)產(chǎn)物)。

【具體實施方式】
[0021]下面參照附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022]雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，包括冷卻內(nèi)管1、反應(yīng)套管2、冷卻套管3、螺旋射流管4、螺旋導(dǎo)流片5、擾流柱6、冷卻套管出口管7、反應(yīng)套管出口管8、冷卻套管進(jìn)口管9和反應(yīng)套管進(jìn)口管10等，如圖1所示。冷卻內(nèi)管1、反應(yīng)套管2與冷卻套管3從內(nèi)到外依次同心布置，螺旋射流管及螺旋導(dǎo)流片分別位于三管所形成的兩個環(huán)形空間內(nèi)。
[0023]冷卻內(nèi)管1外壁與反應(yīng)套管2內(nèi)壁之間的環(huán)空腔體為反應(yīng)物料的反應(yīng)空間，物料在該空間的流動狀態(tài)及分布特性決定了反應(yīng)效果，為了提高流體的湍動程度，強(qiáng)化流體的徑向流動，在環(huán)狀的反應(yīng)空間內(nèi)插入一螺旋射流管4，該射流管恰好與冷卻內(nèi)管外壁1及反應(yīng)套管2內(nèi)壁接觸，從而將原來橫截面為環(huán)狀的圓筒形反應(yīng)空間分割成一條截面為近似矩形的螺旋流道，如圖3所示。螺旋射流管4的螺距A決定了螺旋流道的流通面積，其大小應(yīng)根據(jù)反應(yīng)器處理量及反應(yīng)停留時間確定。反應(yīng)物料在螺旋流道內(nèi)流動，不僅流動路徑增長，而且流體在螺旋流離心力的作用下會形成二次渦流，流體的徑向流動作用加強(qiáng)，混合更加充分，反應(yīng)效果更好。
[0024]螺旋射流管4除了具有構(gòu)成螺旋流道的作用外，還起到磺化劑導(dǎo)管和射流管的作用。螺旋射流管4的管壁上沿著反應(yīng)器軸線方向開有通孔，該孔為三氧化硫射流孔。射流孔沿螺旋線圓周方向均布，間隔角度通常為90°或180°，如圖3所示。射流孔的直徑J與射流管物料流量及物料特性有關(guān)，通常為螺旋管直徑的0.5^1倍，確定原則是保證射流核心區(qū)流體軸向長度為一個螺旋管螺距。螺旋射流管4末端用平板封死，保證所有磺化劑均從射流孔流出。螺旋流道內(nèi)的反應(yīng)流體在多孔射流作用下，實現(xiàn)了卷吸、分散、合并等運動形式，兩種反應(yīng)流體混合更加充分、均勻。
[0025]反應(yīng)套管2及冷卻套管3構(gòu)成的同心環(huán)殼為冷卻介質(zhì)的流動空間，冷卻介質(zhì)在該空間的流動狀態(tài)決定了對流傳熱系數(shù)的大小。傳統(tǒng)的換熱夾套是一個環(huán)形空腔，冷卻劑的進(jìn)出管在軸向兩端對稱布置，冷卻劑沿著進(jìn)出管的對角線方向整體流動，從而造成兩端存在較大的流動死區(qū)，傳熱面積降低，同時由于流通截面積較大，冷卻劑流速較慢，傳熱系數(shù)較低，以上兩種不利因素綜合在一起導(dǎo)致傳熱效果較差，換熱不及時，反應(yīng)溫度容易失控。為了改變這種狀況，本實用新型在傳統(tǒng)的環(huán)形冷卻空間內(nèi)加入一條導(dǎo)流螺旋片5，該導(dǎo)流片與內(nèi)外圓筒壁面密切接觸，將原有的環(huán)形流道改造成一條矩形截面螺旋流道，如圖2所示。矩形螺旋流道消除了流動死區(qū)，提高了流體流動速度，強(qiáng)化了流體徑向流動，減薄了傳熱邊界層，從而顯著提高了對流傳熱系數(shù)。此外，螺旋導(dǎo)流片5與反應(yīng)套管2外壁焊接固定，起至IJ “翅片”作用，相當(dāng)于擴(kuò)展了傳熱壁面，增大了傳熱面積。
[0026]為進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)器的傳熱效果，在反應(yīng)套管2的外壁的螺旋流道內(nèi)圓周均布焊接多個擾流柱6，擾流柱6位于導(dǎo)流螺旋片形成的螺旋流道的中間位置，如圖2所示。螺旋流道內(nèi)的冷卻劑受到擾流柱6的阻擋作用，在其后方會形成渦流，渦流進(jìn)一步提高了冷卻劑的湍動程度。擾流柱6在冷卻劑流速較低的情況下強(qiáng)化傳熱的效果更加明顯。擾流柱6直徑取流道寬度的1/6?1/3。擾流柱6高度取螺旋導(dǎo)流片寬度的0.5^1倍。
[0027]雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器除了具有一個環(huán)形的外側(cè)冷卻空間外，還具有一個圓筒形內(nèi)側(cè)冷卻空間，即冷卻內(nèi)筒構(gòu)成的冷卻空間。為保證反應(yīng)器長度方向上溫度均勻分布，冷卻內(nèi)管與冷卻套管內(nèi)的冷卻介質(zhì)的整體流動方向相反。冷卻內(nèi)管根據(jù)傳熱狀況的需要，可加入扭旋葉片等元件來強(qiáng)化管內(nèi)的對流傳熱。
[0028]為保證本反應(yīng)器具有良好的耐腐蝕性，其所有零部件均采用不銹鋼材料，如S30408,冷卻內(nèi)管及反應(yīng)套管在滿足介質(zhì)壓力的前提下，壁厚應(yīng)盡可能薄，以提高導(dǎo)熱效果，通常取2?4_。
[0029]螺旋導(dǎo)流片及螺旋射流管應(yīng)與相應(yīng)的管壁貼合，最大間隙應(yīng)控制在2mm之內(nèi)，保證流體不出現(xiàn)短路現(xiàn)象。螺旋射流管可采用圓截面管、矩形截面管或由一對螺旋片構(gòu)成。螺旋導(dǎo)流片及螺旋射流管分別與其對應(yīng)的管道外壁采用連續(xù)焊或間斷焊的方式焊接牢固，裝配關(guān)系見圖2和圖3。
[0030]采用圓環(huán)板做為冷卻套管和反應(yīng)套管的封頭，最大限度地減小三個同心管之間的長度差，保證傳熱面積足夠大。擾流柱采用實心鋼桿或鋼管制成，保證其與反應(yīng)套管外壁焊接牢固。
[0031]本實用新型可垂直布置、水平布置、傾斜布置；或垂直、水平、傾斜組合布置；可單一使用也可串聯(lián)或并聯(lián)使用，串聯(lián)或并聯(lián)使用時可采用對接或采用連接管連接，連接方式可采用焊接或法蘭連接。
[0032]工作過程，見圖4:首先，將冷卻劑，如冷卻鹽水，通過冷卻套管進(jìn)口管9及冷卻內(nèi)管1進(jìn)口同時進(jìn)入到冷卻腔體，待其流動及溫度平穩(wěn)后，使經(jīng)過計量的被磺化物，硝基苯；通過反應(yīng)套管進(jìn)口管10流入反應(yīng)套管2內(nèi)，確保硝基苯充滿整個反應(yīng)腔體且流動平穩(wěn)；然后，將經(jīng)過計量的液相三氧化硫輸送到螺旋射流管4內(nèi)，利用活塞泵或壓力罐；通過各個射流孔噴射到旋流的硝基苯中，兩種反應(yīng)物料邊混合邊反應(yīng)；最后，調(diào)節(jié)冷卻劑的流量，將反應(yīng)溫度控制在90°C左右。
實施例
[0033]本實施例為本實用新型在液相三氧化硫磺化間硝基苯的應(yīng)用實例。
[0034]將三根雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，反應(yīng)套管直徑DN25，有效反應(yīng)長度1.2m ;串聯(lián)在一起構(gòu)成磺化初始反應(yīng)器，然后又串聯(lián)了 8根DN20的SK型靜態(tài)混合器，單根管長1.2m;做為維持反應(yīng)器。實驗過程中反應(yīng)溫度控制在90°C ±5°C，間硝基苯流量為200L/h，三氧化硫流量為100L/h，實驗得到液態(tài)間硝基苯磺酸含量為96.5%，硝基砜質(zhì)量含量 2.5%。
[0035]實驗結(jié)果表明本反應(yīng)器能夠快速移出反應(yīng)熱，反應(yīng)溫度控制靈敏，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率高，能夠安全地實現(xiàn)反應(yīng)過程的連續(xù)化。
【權(quán)利要求】
1.雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器包括冷卻內(nèi)管(I)、反應(yīng)套管(2)、冷卻套管(3)、螺旋射流管(4)、螺旋導(dǎo)流片(5)、擾流柱(6)、冷卻套管出口管(7)、反應(yīng)套管出口管(8)、冷卻套管進(jìn)口管(9)和反應(yīng)套管進(jìn)口管(10);冷卻內(nèi)管(I)外壁與反應(yīng)套管(2)內(nèi)壁之間的環(huán)形腔體為物料反應(yīng)空間，該空間被螺旋射流管(4)分隔成一條螺旋流道；螺旋射流管(4)的管壁上沿著反應(yīng)器軸線方向開有射流孔，射流孔沿著螺旋管軸向及周向均布，射流孔直徑由螺旋射流管內(nèi)的物料流量及物性確定；螺旋射流管(4)的直徑等于環(huán)形反應(yīng)空間徑向?qū)挾?；螺旋射流?4)的螺距決定了反應(yīng)物料流通截面積，其大小根據(jù)反應(yīng)器處理量及反應(yīng)停留時間確定；螺旋導(dǎo)流片(5)裝配在冷卻套管及反應(yīng)套管所形成的環(huán)形空間內(nèi)，將該環(huán)形空間分割成一條螺旋形流道；螺旋導(dǎo)流片(5)寬度等于冷卻套管及反應(yīng)套管所形成的環(huán)隙距離；螺旋導(dǎo)流片(5)螺距取反應(yīng)套管直徑的0.2^0.8倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，其特征在于，所述擾流柱(6)焊接在反應(yīng)套管外壁上，沿螺旋線方向均布在螺旋導(dǎo)流片(5)所形成的螺旋流道中間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙側(cè)冷卻同心套管式磺化反應(yīng)器，其特征在于，所述擾流柱(6)直徑取流道軸向?qū)挾鹊?/6?1/3 ;擾流柱(6)高度取螺旋導(dǎo)流片(5)寬度的0.5^1倍。
【文檔編號】B01J8/06GK204107483SQ201420489866
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】王宗勇, 孟輝波, 吳劍華, 張春梅, 田瑞, 朱軍 申請人:沈陽化工大學(xué)