一種用于合成氣制乙二醇工藝的新型羰化反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種羰化反應(yīng)器，尤其是涉及一種用于合成氣制乙二醇工藝的新型羰化反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，合成氣經(jīng)草酸二甲酯生產(chǎn)乙二醇的工藝在所有的乙二醇生產(chǎn)工藝中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而羰化反應(yīng)是該工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。羰化反應(yīng)共分兩步，首先是02、NO、與甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)合成中間產(chǎn)物亞硝酸甲酯，該反應(yīng)的條件溫和，不需要催化劑；第二步是CO與亞硝酸甲酯發(fā)生羰化偶聯(lián)反應(yīng)合成中間產(chǎn)物草酸二甲酯，該反應(yīng)過程采用PdAI2O3催化劑，反應(yīng)溫度為110?150°C，反應(yīng)壓力為I?5atm。通常所說的羰化反應(yīng)器是指用于第二步羰化耦聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)器，該羰化偶聯(lián)反應(yīng)的特點(diǎn)是:催化劑的耐溫區(qū)間小，為110?150°C，而單位體積催化劑上的平均熱負(fù)荷為240kw/m3左右，屬于劇烈放熱的反應(yīng)。因此需要反應(yīng)器內(nèi)部換熱組件移熱效率高，移熱面積大；操作壓力小，意味著壓降不能太大，否則壓縮機(jī)壓比升高，壓縮機(jī)軸功率增加，能耗增加。
[0003]列管式軸向羰化反應(yīng)器在增加單臺(tái)處理量方面存在以下瓶頸:在列管式反應(yīng)器中，往往將催化劑裝填在管子內(nèi)，由于催化劑耐溫區(qū)間小，平滑光管的傳熱系數(shù)小，管子直徑受限，且由于管心距等要求，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)催化劑裝填系數(shù)小，若要增加單臺(tái)處理量，必導(dǎo)致反應(yīng)器體積大幅增加；由于羰化反應(yīng)對(duì)壓降要求苛刻，因此列管的長(zhǎng)度即反應(yīng)器高度有一定限制，同時(shí)從運(yùn)輸角度考慮，反應(yīng)器直徑不能過大，所以要實(shí)現(xiàn)列管式羰化反應(yīng)器設(shè)備大型化存在較大困難。
[0004]中國專利201210407063.X公開了一種用于羰化耦聯(lián)合成酯工業(yè)板式反應(yīng)器，所述反應(yīng)器為徑向反應(yīng)器，所述反應(yīng)器的換熱裝置為預(yù)制成組的換熱板和冷管，可以克服其單臺(tái)管式反應(yīng)器壓降大、大規(guī)模生產(chǎn)需要臺(tái)數(shù)多等缺點(diǎn)。但是該反應(yīng)器存在以下不足:該反應(yīng)器內(nèi)的換熱板與催化劑接觸的一側(cè)為平行板翅結(jié)構(gòu)，板翅間距為0.1?0.5mm,且該文獻(xiàn)中描述道催化劑顆粒尺寸為3.2?5.5X3.2?5.5mm,顯然催化劑不能裝填在板翅之間，而反應(yīng)氣體易從板翅之間通過，造成反應(yīng)氣體短路，同時(shí)板翅結(jié)構(gòu)不僅沒有增強(qiáng)傳熱，反而使金屬板總體熱阻提高，催化劑床層的熱量更加不容易快速傳遞到冷卻介質(zhì)側(cè)；該反應(yīng)器中反應(yīng)氣體沿反應(yīng)器殼體內(nèi)壁與外分布筒間環(huán)隙流下，通過徑向反應(yīng)床層的外分布筒進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，羰化反應(yīng)為快速反應(yīng)，反應(yīng)初期大量放熱，縱然該專利中在扇形外圍兩張板間增加冷管，但冷管的傳熱差，熱量易積累，且冷管占據(jù)了反應(yīng)器的較多空間，增加了設(shè)備體積；該反應(yīng)器反應(yīng)側(cè)氣體流動(dòng)型式為Z型，Z型易造成分流管(19)和集流管(21)的壓降分布不均勻，從而導(dǎo)致氣體在催化劑床層的分布不均勻，影響催化劑的使用效率和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率等參數(shù)；設(shè)備構(gòu)造較多，檢漏維修工作復(fù)雜，且催化劑裝卸不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種換熱效率高、催化劑裝卸方便的用于合成氣制乙二醇工藝的新型羰化反應(yīng)器。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]一種用于合成氣制乙二醇工藝的新型羰化反應(yīng)器，該反應(yīng)器為徑向反應(yīng)器，包括反應(yīng)器外殼、換熱組件、分流管、集流管和催化劑，所述的分流管位于反應(yīng)器中心，所述的換熱組件設(shè)置在分流管和集流管之間，所述的催化劑設(shè)置在換熱組件內(nèi)，所述的反應(yīng)器外殼包括筒體、上封頭、下封頭、反應(yīng)氣體入口、反應(yīng)氣體出口、冷卻介質(zhì)入口、冷卻介質(zhì)出口及催化劑卸料口 ；其特征在于，所述的反應(yīng)氣體入口和反應(yīng)氣體出口均設(shè)置在上封頭上，反應(yīng)氣體從上封頭上的反應(yīng)氣體入口進(jìn)入反應(yīng)器后沿中心分流管流下，徑向通過催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物氣體進(jìn)入集流管，并沿集流管向上流動(dòng)，從上封頭上的反應(yīng)氣體出口流出。
[0008]所述的換熱組件是由多對(duì)換熱板對(duì)以及與各換熱板對(duì)連接的冷卻介質(zhì)分配支管、冷卻介質(zhì)分配總管、冷卻介質(zhì)收集支管、冷卻介質(zhì)收集總管組成，其中各換熱板對(duì)內(nèi)形成供冷卻介質(zhì)流通的板程腔體，相鄰換熱板對(duì)之間形成供反應(yīng)氣體流通的殼程腔體，所述的催化劑設(shè)置在殼程腔體內(nèi)。
[0009]所述的多對(duì)換熱板對(duì)以分流管為中心呈扇形排布組成。
[0010]所述的換熱板對(duì)由兩張金屬板片中間上均勻設(shè)置多個(gè)焊接觸點(diǎn)形成，多個(gè)焊接觸點(diǎn)交錯(cuò)設(shè)置，觸點(diǎn)密度為200?5000個(gè)/ m2，觸點(diǎn)間距為20?100mm。
[0011]所述的換熱板對(duì)四周滾邊焊密封，并在底部和頂部各留有通口，底部通口過冷卻介質(zhì)分配支管連接至冷卻介質(zhì)分配總管，頂部通口通過冷卻介質(zhì)收集支管連接至冷卻介質(zhì)收集總管。
[0012]相鄰換熱板對(duì)之間的間距和板對(duì)數(shù)量根據(jù)反應(yīng)放熱的大小和快慢、反應(yīng)物料和催化劑的導(dǎo)熱系數(shù)及熱容、以及對(duì)溫度波動(dòng)的要求進(jìn)行調(diào)整，相鄰換熱板對(duì)之間的間距為20 ?200mm。
[0013]所述的反應(yīng)氣體入口和反應(yīng)氣體出口在反應(yīng)器同側(cè)，反應(yīng)氣體在反應(yīng)器中的流型為II型。
[0014]所述的換熱組件通過反應(yīng)器上封頭吊裝進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器為可拆卸結(jié)構(gòu)。
[0015]所述的催化劑裝填在換熱板對(duì)與換熱板對(duì)之間，催化劑為Pd/Al203，催化劑通過上封頭或人孔進(jìn)行裝填，通過下封頭催化劑卸料口卸載。
[0016]本發(fā)明新型換熱板對(duì)上的若干觸點(diǎn)交錯(cuò)排列，使冷卻介質(zhì)流體內(nèi)部劇烈湍動(dòng)，介質(zhì)流體一直處于湍流狀態(tài)，強(qiáng)制對(duì)流換熱，當(dāng)冷卻介質(zhì)發(fā)生相變時(shí)，不易形成大氣膜，確保高的沸騰傳熱系數(shù)。反應(yīng)側(cè)氣體在靠近換熱元件壁面處，往往會(huì)形成氣膜，該氣膜產(chǎn)生的熱阻在反應(yīng)側(cè)總熱阻中占比重非常大。而在該新型板對(duì)表面，由于其形狀凹凸不平，對(duì)氣膜形成了積極的擾動(dòng)作用，得以使氣膜更新速度加快，從而減小其熱阻，提高反應(yīng)側(cè)整體的傳熱系數(shù)。
[0017]本發(fā)明新型羰化反應(yīng)器中，原料氣從進(jìn)氣口進(jìn)入分流管，由分流管均勻分配，徑向通過催化劑床層，在集流管中收集，并從出氣口流出，進(jìn)氣口和出氣口在反應(yīng)器同側(cè)，流體流型為離心II型流動(dòng)(徑向反應(yīng)器流體流型見圖4)。當(dāng)流體在分流管和集流管中的流動(dòng)滿足動(dòng)量交換控制時(shí)，(分流管L/de ( 30，集流管L/de ( 50時(shí))，分流管中沿流體流動(dòng)方向，靜壓逐漸上升，集流管中沿流體流動(dòng)方向，靜壓逐漸下降，且在開孔分布合理的情況下，分流管與集流管靜壓差分布完全均勻，反應(yīng)氣體在催化劑床層中的分布均勻，催化劑的使用效率高，熱量分布均勻。
[0018]扇形排布結(jié)構(gòu)使反應(yīng)器床層靠近中心的位置傳熱系數(shù)最高，隨著催化劑床層半徑增大，傳熱系數(shù)呈單調(diào)遞減函數(shù)，且遞減速率先快后慢(見圖3(a))，移熱量也是呈單調(diào)遞減函數(shù)，且遞減速率先快后慢(見圖3(b))，而羰化反應(yīng)的放熱趨勢(shì)也是前期大后期小，呈單調(diào)遞減函數(shù)，說明對(duì)于該II型離心式徑向羰化反應(yīng)器，移熱曲線與反應(yīng)放熱曲線的趨勢(shì)一致，移熱合理，整個(gè)催化劑床層的溫度平緩分布，接近等溫反應(yīng)，對(duì)于延長(zhǎng)催化劑壽命和提尚反應(yīng)的選擇性均有利。
[0019]因此對(duì)于具有放熱強(qiáng)且反應(yīng)速率快特點(diǎn)的合成氣制乙二醇工藝中羰化反應(yīng)，在該新型羰化反應(yīng)器中，反應(yīng)氣體的流型宜采用離心型，從而加強(qiáng)反應(yīng)前半部分的移熱，降低熱點(diǎn)溫度，使反應(yīng)溫度變化平緩，更接近等溫反應(yīng)器。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)換熱板對(duì)換熱效率高，有利于形成均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)分布。
[0022]該新型換熱板對(duì)的觸點(diǎn)和凹凸不平的表面強(qiáng)化了兩側(cè)流體的擾動(dòng)，增強(qiáng)了換熱效率，反應(yīng)熱及時(shí)移走，反應(yīng)溫度平緩分布，更接近等溫反應(yīng)，有利于減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高反應(yīng)選擇性和收率，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，適用于如羰化反應(yīng)這樣的快速大量放熱的反應(yīng)類型。
[0023](2)移熱更合理，反應(yīng)器體積更小。
[0024]羰化反應(yīng)屬于快速反應(yīng)，反應(yīng)放熱先大后小，熱量釋放集中在反應(yīng)前半段部分，而在反應(yīng)后半段，反應(yīng)放熱很少。徑向反應(yīng)器中，反應(yīng)氣從中心分流管向外擴(kuò)散，反應(yīng)放熱集中在近中心分流管處，而板片在靠近中心處最密集，催化劑床層的傳熱系數(shù)也最大，可以將熱量快速移走；在靠近催化劑外周，板片排列較稀疏，傳熱系數(shù)也減小，不會(huì)過多取熱，從而得到合適的反應(yīng)氣體出口溫度。板對(duì)之間無需添加冷管等其他移熱元件，節(jié)省反應(yīng)器空間，減小反應(yīng)器體積。
[0025](3)反應(yīng)氣體和壓降分布均勻，提高催化劑效率和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
[0026]對(duì)于該新型羰化反應(yīng)器中，進(jìn)氣口和出氣口在反應(yīng)器同側(cè)，流體流型為II型，且當(dāng)流體在分流管和集流管中的流動(dòng)滿足動(dòng)量交換控制時(shí)，II型流體比Z型流體更容易實(shí)現(xiàn)在分流管和集流管中壓降均勾分布，反應(yīng)氣體在催化劑中均勾分布。
[0027](4)催化劑裝填簡(jiǎn)便。
[0028]催化劑裝填在反應(yīng)器殼程，板對(duì)與板對(duì)之間，板對(duì)兩端無管板、觸點(diǎn)等障礙，裝填過程簡(jiǎn)單，且板對(duì)數(shù)量通常在幾十或幾百，裝填工作量小。
[0029](5)易于安裝、運(yùn)輸和維修。
[0030]板式換熱組件作為整體，可以直接吊裝進(jìn)反應(yīng)器；板對(duì)兩側(cè)沒有管板，反應(yīng)器可以現(xiàn)場(chǎng)組裝，減少運(yùn)輸成本；板對(duì)數(shù)量少，焊縫少，檢查和維修工作簡(jiǎn)便。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明新型羰化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明新型羰化反應(yīng)器的縱剖示意圖；
[0033]圖3 (a)為本發(fā)明傳熱系數(shù)隨床層半徑變化圖；
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