專利名稱：一種用于羰化耦聯(lián)合成酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于羰化耦聯(lián)合成酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器，尤其涉及一種適用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
草酸酯是一種重要的化工原料 ，可用于草酸、乙二醇、草酰胺、藥物和燃料的中間體。特別是隨著石油資源的日益減少，由天然氣經(jīng)合成氣制備草酸酯是一項開拓性的Cl化工新工藝、新技術(shù)，實現(xiàn)用煤和天然氣替代石油乙烯，二步間接合成乙二醇的戰(zhàn)略目標(biāo)，具有很大的市場前景，特別是對于我國石油資源缺乏，而煤炭資源豐富的狀況，這一煤化工合成草酸酯路線具有戰(zhàn)略意義。目前，羰化耦聯(lián)合成草酸酯的固定床反應(yīng)器基本采用列管式反應(yīng)器。列管式反應(yīng)器制作簡單，但在提高反應(yīng)能力方面有一定的局限性。一般，提高反應(yīng)能力主要通過提高換熱面積和催化劑裝填量來解決，也就是要加大列管的直徑或增加列管的數(shù)量。這樣會產(chǎn)生床層徑向溫度分布不均勻，導(dǎo)致反應(yīng)不易控制，而且增加副反應(yīng)的發(fā)生。此外，當(dāng)功率要求高到一定程度時，列管式反應(yīng)器體積較大，軸向和徑向較大的溫度差將導(dǎo)致系統(tǒng)能量效率降低，甚至使得反應(yīng)器中的加氫反應(yīng)無法正常運行。羰化耦聯(lián)合成草酸酯的反應(yīng)為氣固相可逆催化放熱反應(yīng)，為保證放熱化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)進行，需不斷移出反應(yīng)熱，以使反應(yīng)過程沿最佳溫度曲線進行。而目前工業(yè)上采用列管式反應(yīng)器為避免催化劑容易老化、使用壽命短等缺點，通常在實際中采用大量填裝催化劑，以加大備用系數(shù)，延長催化劑更換周期的方式，但太大的備用系數(shù)，增加了催化劑床層高度，因而大大增加了設(shè)備運行阻力和動力消耗。綜上所述，目前羰化耦聯(lián)合成草酸酯反應(yīng)存在如下缺點一是采用管式換熱結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)低，難以實現(xiàn)有效的傳熱強化；二是冷熱流是以非全逆流形式換熱，有效傳熱溫差小。由于以上兩方面的缺點，導(dǎo)致現(xiàn)有的羰化耦聯(lián)合成草酸酯反應(yīng)器內(nèi)部有效換熱面積較小，耗材多，設(shè)備造價高，而且體積龐大，安裝與維修都不方便。此外，由于以上設(shè)備結(jié)構(gòu)的缺點，使得反應(yīng)過程中的平均反應(yīng)溫度較低，導(dǎo)致羰化耦聯(lián)合成草酸酯反應(yīng)速率低，所需催化劑用量多，設(shè)備投資高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種氣體流動時阻力小、動力消耗低、可回收的熱量多、產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低的板式反應(yīng)器。解決和克服現(xiàn)有加氫反應(yīng)器內(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)存在的管式換熱傳熱系數(shù)低，難于實現(xiàn)傳熱強化，冷熱流非全逆流換熱，即有效傳熱溫差小、體積大、安裝維修不方便、耗材多、造價高、以及平均反應(yīng)溫度較低，導(dǎo)致加氫反應(yīng)速率低、催化劑耗量大、投資大等的問題和缺點。本發(fā)明提供的板式氣固相催化反應(yīng)裝置，增大了腔內(nèi)傳熱系數(shù)，強化了傳熱，因此大大降低了熱點溫度，同時大大增加了催化劑利用系數(shù)、大幅降低了設(shè)備運行阻力并提高了裝置的生產(chǎn)能力。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)從上到下依次包括位于進口端的反應(yīng)器進口管、進口氣體分布器、換熱室、上端惰性填料層、中間徑向反應(yīng)床層、下端惰性填料層、出口氣體分布器和反應(yīng)器出口管；所述中間徑向反應(yīng)床層，由外到內(nèi)依次包括與上端惰性填料層連接的反應(yīng)器殼體內(nèi)壁與外分布筒間環(huán)隙、外分布筒、催化劑床層、內(nèi)分布筒和中心集氣管；所述催化劑床層內(nèi)設(shè)氣體再分布器，將催化劑床層分為外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)。所述催化劑床層內(nèi)設(shè)換熱器，換熱器的換熱元件為板式換熱元件；所述板式換熱元件為預(yù)制成組的換熱板，由換熱板組成的換熱板組由頂部人孔裝入塔內(nèi)，埋于催化劑床層內(nèi)，換熱板組整體通過固定在反應(yīng)器殼體內(nèi)壁和中心集氣管外壁的環(huán)形筋板共同支撐。所述換熱板組在催化劑床層內(nèi)的排列方式為平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排開，或者垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列。流通在不同換熱板之 間的反應(yīng)介質(zhì)，根據(jù)催化劑的性質(zhì)不同具有不同的錯流方式，目的是延長反應(yīng)介質(zhì)在板間的流通距離，并盡可能保證各反應(yīng)介質(zhì)流通路徑壓降接近相同；利用板式換熱器在反應(yīng)床層中的扇形排布位置或者垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列位置，可以合理利用反應(yīng)器內(nèi)部熱量，汽化與反應(yīng)之間實現(xiàn)了較好的熱量耦合，從而達到增加傳熱效果、提高轉(zhuǎn)化率和選擇性的目的。當(dāng)換熱板組沿催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排開時，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)部空間的大小及換熱板本身的尺寸，沿同一徑向可以設(shè)一塊換熱板或依次設(shè)多塊換熱板；距離反應(yīng)器軸心相同距離的換熱板之間通過環(huán)形或圓形緊固箍固定。當(dāng)換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列時，同一徑向換熱板平行排列，位于催化劑床層的換熱板組整體通過位于靠近外分布筒內(nèi)壁和換熱板組外邊緣的圓形緊固箍包圍固定；同一徑向平行排列的相鄰換熱板之間的有效板間距相等。換熱板的換熱面積比換熱管要大，所以可以帶走更多的反應(yīng)熱。而且氣體所流經(jīng)所接觸催化劑的面積比較大而且均勻，反應(yīng)合成效率比較高。全部結(jié)構(gòu)都是模塊式的標(biāo)準(zhǔn)件，一旦損壞，可以很容易替換。所述換熱板的厚度為O. I I. 0mm。所述換熱板為四邊形結(jié)構(gòu)，由兩塊金屬板焊接而成，同一反應(yīng)器內(nèi)的所有換熱板完全相同；所述換熱板的兩塊金屬板有相同壓痕，換熱板中空，兩塊金屬板沿著周邊焊接，同時表面點焊，然后沖壓制成，兩金屬板間的縫隙形成流體通道。流體以曲折行進方式流過上述壓痕的板片時，一方面加快了流體流速，極大提高總傳熱系數(shù)，并延長了流體通過的時間，不僅使催化劑床層聚集的反應(yīng)及時由該換熱器的流體帶走，同時使板內(nèi)流體得到預(yù)熱。所述壓痕為波紋狀、線條狀、折線狀或鼓泡狀。所述金屬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O. I O. 5mm ;采用所述的平行板翅結(jié)構(gòu)，可使流體在反應(yīng)區(qū)內(nèi)充分混合提高傳熱效率，克服列管式反應(yīng)器在這方面的局限性，同時使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)更加緊湊，床層體積較小，因此避免了反應(yīng)器徑向溫差和軸向溫差。所述金屬板的材質(zhì)為SS304金屬板(氣體換熱板)或者DUPLEX金屬板(蒸汽換熱板)，機械上非常堅固，剛性好；優(yōu)選的為SS304。
所述板式換熱元件的流體通道設(shè)計，沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次包括冷卻介質(zhì)進口、主分配管、換熱板組分配管、換熱板組、換熱板出汽管、換熱板組水汽收集管、主收集管和出汽管口。冷卻介質(zhì)在所述板式換熱元件內(nèi)的流通過程為從冷卻介質(zhì)進口進入反應(yīng)器，經(jīng)主分配管和換熱板組分配管進入各換熱板組的換熱板中，通過換熱板與催化劑床層換熱后，產(chǎn)生低壓飽和水蒸氣在換熱板出汽管中匯集后進入換熱板組水汽收集管，最后，來自換熱板組的低壓水汽經(jīng)主收集管從出汽管口排出反應(yīng)器送至外界，進行后續(xù)低壓蒸汽回收處理再利用。所述冷卻介質(zhì)為鍋爐給水或其它冷卻流體，將反應(yīng)熱及時移出催化劑床層，同時產(chǎn)生低壓飽和蒸汽；也可以氣氣換熱。所述換熱板內(nèi)冷卻介質(zhì)和板外反應(yīng)物的流動方式為錯流。所述催化劑床層的外反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)冷管。
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所述冷管橫截面形狀為三角形、正方形、菱形或平行四邊形；優(yōu)選為三角形。當(dāng)換熱板組平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排列時，所述冷管位于距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰兩個換熱板之間，呈楔形嵌入催化劑床層內(nèi)；以保持所述相鄰兩個換熱板的有效板間距相等，所述相鄰兩個換熱板的有效板間距是所述相鄰兩個換熱板之間的距離減去冷管所占的空間后剩余的距離。當(dāng)換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列時，所述冷管位于距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰換熱板組之間，呈楔形嵌入催化劑床層內(nèi)，以保持所述相鄰兩個換熱板組的有效板間距相等，所述相鄰的換熱板組間的有效板間距則為相鄰兩個換熱板組之間的距離減去冷管所占的空間后剩余的距離。所述催化劑床層內(nèi)相鄰換熱板或相鄰換熱板組的有效板間距為40 60mm，優(yōu)選為 40 50mm。所述的冷管內(nèi)的介質(zhì)為空氣、原料氣、熔鹽、水或無介質(zhì)，優(yōu)選為水。所述冷管的流體通道設(shè)計，沿冷卻流體流動的方向依次包括，冷管進口、冷管進口分配管，冷管、冷管出口收集器和冷管出口。冷卻流體在冷管內(nèi)的流通過程為冷卻介質(zhì)從冷管進口進入，經(jīng)冷管進口分配管分配后進入各冷管，從冷管流出后在冷管出口收集器中匯集，然后從冷管出口流出反應(yīng)器外。所述反應(yīng)器的進口氣體分布器和出口氣體分布器，沿進出口流體的垂直流動方向設(shè)置，分布器上開孔排列呈倒三角或平行四邊形；優(yōu)選的為倒三角。所述外分布筒、內(nèi)分布筒和氣體再分布器為圓筒狀金屬薄殼，均設(shè)開孔，按流體的流動方向，處于流動上游單位長度上的開孔分布密度較大，處于流體流動下游單位長度上的開孔分布密度較?。粡亩ＷC了氣流的均勻分布，死角減少，提高了催化劑的利用率。所述外分布筒、內(nèi)分布筒和氣體再分布器上的開孔為圓形、方形、三角形、柵格形或窄條形；優(yōu)選為窄條形；筒上開孔排列為圓周形或螺旋形。所述氣體再分布器用于將不同類型催化劑分開并進行氣體重新分配。所述外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝填不同的催化劑，所述外反應(yīng)區(qū)遠離反應(yīng)產(chǎn)物平衡濃度，反應(yīng)推動力大，單位體積催化劑反應(yīng)放出的熱量多，因此外反應(yīng)區(qū)為羰化耦聯(lián)合成草酸酯反應(yīng)的反應(yīng)熱集中區(qū)域，而內(nèi)反應(yīng)區(qū)中隨著羰化反應(yīng)的不斷進行，氣體草酸酯含量逐漸增濃，接近反應(yīng)產(chǎn)物平衡濃度，推動力變小，反應(yīng)放出熱量較少，因此需要適于內(nèi)外反應(yīng)區(qū)放出的不同反應(yīng)熱情況，對內(nèi)外反應(yīng)區(qū)中催化劑顆粒形狀和尺寸進行不同的優(yōu)化方案，以強化反應(yīng)傳熱過程，使催化劑床層內(nèi)溫度分布合理并接近最佳溫度曲線。所述外反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝填的羰化催化劑的顆粒尺寸為3. 2 5. 5X3. 2 5. 5mm，優(yōu)選為 5 X 5mm。所述外反應(yīng)區(qū)內(nèi)羰化催化劑的形狀包括圓柱形、拉西環(huán)、三葉草、四葉草、五指球或球形，優(yōu)選為拉西環(huán)。所述內(nèi)反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝填的催化劑的顆粒尺寸3. 2 5. 5X3. 2 5. 5mm，優(yōu)選為
3.2 X 3. 2mm。所述內(nèi)反應(yīng)區(qū)內(nèi)羰化催化劑的形狀包括圓柱形、拉西環(huán)、三葉草、四葉草、五指球或球形，優(yōu)選為五指球。所述催化劑床層的羰化催化劑置于換熱板與換熱板之間及換熱板和冷管之間的空隙內(nèi)。所述板式反應(yīng)器的殼體上端設(shè)有人孔，下端設(shè)呈環(huán)狀分布的催化劑卸出管口，正常使用情況下催化劑通過下端惰性填料床層支撐，當(dāng)卸出催化劑時，將卸出管口法蘭卸掉，催化床層的催化劑及底端惰性填料層中的填料從催化劑卸出管口流出反應(yīng)器。反應(yīng)氣體在所述板式反應(yīng)器內(nèi)的流通過程為預(yù)熱后的反應(yīng)氣體通過反應(yīng)器進口管進入反應(yīng)器，首先經(jīng)過進口氣體分布器，然后在換熱室中進一步預(yù)熱，再經(jīng)上端惰性填料層進一步的均勻分配，分配后的氣體沿反應(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)床層的外分布筒進入催化劑床層的外反應(yīng)區(qū)進行反應(yīng)，部分反應(yīng)氣體及反應(yīng)產(chǎn)物氣體經(jīng)再分布器再分布后進入內(nèi)反應(yīng)區(qū)繼續(xù)反應(yīng)；最后，大部分的反應(yīng)產(chǎn)物通過徑向反應(yīng)床層的內(nèi)分布筒進入中心集氣管，還有少部分從徑向反應(yīng)床層的內(nèi)分布筒直接進入下端惰性填料層，然后兩股產(chǎn)物同時經(jīng)過出口氣體分布器，從反應(yīng)器出口管流出。所述板式反應(yīng)器，用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯工業(yè)化裝置中，但不限于該裝置還可用于專利《一種生產(chǎn)乙二醇并聯(lián)產(chǎn)碳酸二甲酯的工藝流程》ZL200810043079. O權(quán)力要求中所指的“氧化耦聯(lián)反應(yīng)合成草酸二甲酯及碳酸二甲酯”反應(yīng)器，以及如專利號201220194360. 6，《一種醋酸酯生產(chǎn)乙醇并選擇性聯(lián)產(chǎn)2-丁醇的工藝》；專利號201210134269. X《一種醋酸酯生產(chǎn)乙醇并選擇性聯(lián)產(chǎn)2- 丁醇的工藝及其配套工藝系統(tǒng)》中所指的醋酸酯加氫反應(yīng)器。所述板式反應(yīng)器的主要特點是換熱板插在催化劑床層里，板中走水或其它換熱介質(zhì)，換熱板的換熱面積比換熱管要大，所以可以帶走更多的反應(yīng)熱。而且氣體所流經(jīng)所接觸催化劑的面積比較大而且均勻，反應(yīng)合成效率比較高。全部結(jié)構(gòu)都是模塊式的標(biāo)準(zhǔn)件，一旦損壞，可以很容易替換。采用平行翅片板式結(jié)構(gòu)，流體在扇形反應(yīng)區(qū)內(nèi)充分混合，克服列管式反應(yīng)器在這方面的局限性，同時傳熱效率的提高，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)更加緊湊，較小的床層體積，避免了反應(yīng)器徑向溫差和軸向溫差；利用板式換熱器在反應(yīng)床層中的扇形排布位置或垂直徑向同心圓分布位置，合理利用反應(yīng)器內(nèi)部熱量，汽化與反應(yīng)之間實現(xiàn)了較好的熱量耦合，從而達到增加傳熱效果、提高轉(zhuǎn)化率和選擇性的目的。所述板式反應(yīng)器充分挖掘催化劑的潛力，大大增加了催化劑利用系數(shù)，設(shè)備運行阻力僅為列管反應(yīng)器的1/6，同時換熱元件，其總傳熱系數(shù)比一般換熱器大很多，可使催化劑聚集的反應(yīng)熱及時由該板件的流體帶走，在具有低阻力的特性下，使用板式反應(yīng)器可大幅增加產(chǎn)量，制作方便可行，不僅可大大降低投資與生產(chǎn)成本，而且還因具有自動裝、卸載催化劑的功能，為當(dāng)前羰化耦聯(lián)合成草酸酯反應(yīng)器大型化開創(chuàng)了新途徑，具有較好的推廣前景和經(jīng)濟效益。所述板式反應(yīng)器，用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯工業(yè)化裝置中，便于擴大規(guī)模。


圖I 一種用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意2 —種用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器內(nèi)換熱板組平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排列結(jié)構(gòu)示意3換熱板的平行板翅構(gòu)及冷管局部結(jié)構(gòu)立面4換熱板組平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排列局部結(jié)構(gòu)5換熱板組平行于催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排列示意6 —種用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器內(nèi)換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列結(jié)構(gòu)示意7換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列局部結(jié)構(gòu)8換熱板組垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列示意圖附圖標(biāo)記I反應(yīng)器進口管2進口氣體分布器3上端惰性填料層4中間徑向反應(yīng)床層5中心集氣管6下端惰性填料層7冷卻介質(zhì)進口8催化劑卸出管口9出汽管口10主收集管11反應(yīng)器殼體內(nèi)壁與外分布筒間環(huán)隙12催化劑床層13出口氣體分布器14反應(yīng)器出口管15換熱室16內(nèi)分布筒17冷管進口18冷管出口19冷管出口收集器20外分布筒
21冷管進口分配器22主分配管23換熱板組分配管24換熱板組25板翅26冷管出水管27冷管橫截面28換熱板出汽管29冷管30換熱板31緊固箍32反應(yīng)器殼體
33換熱板組水汽收集管34環(huán)形筋板35氣體再分布器
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明所講述的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作任何改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。下面實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，如化工操作手冊，或按照制造廠商所建議的條件。如圖I、圖2所示的年產(chǎn)30萬噸草酸酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器(進行羰化耦聯(lián)反應(yīng))，內(nèi)徑4. 0m，高度(T. L) 12. Om，合成壓力O. 2MPa ;其內(nèi)部結(jié)構(gòu)從上到下依次包括位于進口端的反應(yīng)器進口管I、進口氣體分布器2、換熱室15、上端惰性填料層3、中間徑向反應(yīng)床層4、下端惰性填料層6、出口氣體分布器13和反應(yīng)器出口管14 ;所述中間徑向反應(yīng)床層4，由外到內(nèi)依次包括與上端惰性填料層3連接的反應(yīng)器殼體32內(nèi)壁和外分布筒間環(huán)隙11、外分布筒20、催化劑床層12、內(nèi)分布筒16和中心集氣管5 ;所述催化劑床層12內(nèi)設(shè)氣體再分布器35，將催化劑床層12分為外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)。所述催化劑床層內(nèi)12設(shè)換熱器，換熱器的換熱元件為板式換熱元件；所述板式換熱元件為預(yù)制成組的換熱板30，單塊換熱板30的尺寸為7m (長)xO. 4m (寬)，由換熱板30組成的換熱板組24由頂部人孔裝入塔內(nèi)，埋于催化劑床層12內(nèi)，換熱板組24整體通過固定在反應(yīng)器殼體32內(nèi)壁和中心集氣管5外壁的環(huán)形筋板34共同支撐。所述換熱板30為自動化制成的四邊形結(jié)構(gòu)，由兩塊SS304金屬板焊接而成，同一反應(yīng)器內(nèi)所有換熱板30完全相同；兩塊金屬板有相同鼓泡狀壓痕，換熱板30中空，兩塊金屬板沿著周邊焊接，同時表面點焊，然后沖壓制成，兩金屬板間的縫隙形成流體通道；金屬板與催化劑接觸的一側(cè)為平行板翅結(jié)構(gòu)，板翅25間距為O. I O. 5mm。所述換熱板組24在催化劑床層12內(nèi)的排列方式為平行于催化劑床層12徑向放置并且沿著同心的扇形排開；沿同一徑向設(shè)3塊換熱板30 ;距離反應(yīng)器軸心相同距離的換熱板30之間通過圓形緊固箍31固定。所述板式反應(yīng)器的板式換熱元件的流體通道設(shè)計，沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次包括冷卻介質(zhì)的進口 7、主分配管22、換熱板組分配管23、換熱板組24、換熱板出汽管28、換熱板組水汽收集管33、主收集管10和出汽管口 9。沿所述催化劑床層12的外反應(yīng)區(qū)遠離中心集氣管5處距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰的兩個換熱板30之間設(shè)冷管29，呈楔形嵌入催化劑床層12，冷管橫截面27形狀為三角形，距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰兩換熱板3 0間的有效板間距為40mm，即保證催化劑沿徑向切面裝填總寬度為40mm。在催化劑床層12的換熱板30與換熱板20之間以及換熱板30與冷管29之間的空隙內(nèi)裝填用于羰化耦聯(lián)合成草酸酯的催化劑。反應(yīng)時，通過冷管29將多余催化劑床層12反應(yīng)熱量通過間接換熱帶走，以確保外反應(yīng)區(qū)催化劑床層12溫度分布為最適宜溫度分布。所述冷管29的通道設(shè)計，沿冷卻流體流動的方向依次包括，冷管進口 17、冷管進口分配管21，冷管29、冷管出口收集器19和冷管出口 26。所述進口氣體分布器2和出口氣體分布器13，沿反應(yīng)氣體的垂直流動方向設(shè)置，分布器上開孔排列為倒三角形。所述外分布筒20、內(nèi)分布筒16和氣體再分布器35為圓筒狀金屬薄殼,其上均設(shè)開孔，開孔形狀為窄條形，開孔呈圓周排列；按流體的流動方向，處于流體流動上游單位長度上的開孔分布密度較大，處于流體流動下游單位長度上的開孔分布密度較小，從而保證了氣流的均勻分布，死角減少，提高了催化劑的利用率。所述內(nèi)分布筒16直徑為O. 85m，所述外分布筒20直徑為3. 8m ;所述氣體再分布器35的直徑為I. 9m。所述外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝填不同類型的羰化催化劑；所述外反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝填的羰化催化劑形狀為拉西環(huán)，顆粒尺寸為5X5mm;所述內(nèi)反應(yīng)區(qū)內(nèi)羰化催化劑的形狀為五指球，顆粒尺寸為3. 2X3. 2_。所述板式反應(yīng)器的下端設(shè)呈環(huán)狀分列的催化劑卸出管口 8，正常使用情況下催化劑通過反應(yīng)器下端惰性填料層6支撐，當(dāng)卸出催化劑時，將催化劑卸出管口 8法蘭卸掉，催化劑床層12的催化劑及下端惰性填料層6的填料從催化劑卸出管口 8流出反應(yīng)器。換熱板30內(nèi)走鍋爐給水(CL—小于4PPM)，從冷卻介質(zhì)進口 7進入反應(yīng)器，經(jīng)主分配管22進入各換熱板組24中，然后經(jīng)換熱板組分配管23后進入各換熱板組24的換熱板30中，通過換熱板30與催化劑換熱后，產(chǎn)生低壓飽和水蒸氣在換熱板出汽管28中匯集后進入換熱板組水汽收集管33，最后，來自換熱板組24的低壓水汽經(jīng)主收集管10從出汽管口 9排出反應(yīng)器送至外界回收利用，外送水蒸氣壓力為O. 3 O. 5MPa。冷管29內(nèi)也走鍋爐給水，鍋爐給水通過冷管進口 17及冷管進口分配器21進入位于催化劑床層12內(nèi)的冷管29內(nèi)，將催化劑床層12的多余反應(yīng)熱量通過間接換熱帶走，然后在冷管出口收集器19匯集后從冷管出口 18排出反應(yīng)器，這樣通過冷管29輔助換熱以確保外反應(yīng)區(qū)催化劑床層12溫度分布為最適宜溫度分布，從而保證催化劑的高轉(zhuǎn)化率和選擇性，提高催化劑利用系數(shù)。進行羰化耦聯(lián)反應(yīng)時，混合氣體(溫度105°C，壓力O. 2MPa)先從塔頂反應(yīng)器進口管I通過進口氣體分布器2進入上端惰性填料層3，以加強氣體分布，在換熱室15內(nèi)經(jīng)過進一步和水蒸氣間接換熱后且氣相重新分布后，混合溫度達到140°C，沿反應(yīng)器殼體32內(nèi)壁與外分布筒20間環(huán)隙11流下，通過徑向反應(yīng)床層4的外分布筒20進入催化劑床層12的外反應(yīng)區(qū)，外反應(yīng)區(qū)催化劑床層12溫度控制在120 130°C，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率50%，草酸二甲酯選擇性70% ;反應(yīng)熱由于良好的板塊傳熱效率及較大的催化劑顆粒和中空的催化劑形狀共同作用下被迅速移出，避免了熱量的積累，從而確保反應(yīng)床層形成不了高的熱點。然后反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物氣體經(jīng)過再分布器35重新分布后一同進入催化劑床層12的內(nèi)反應(yīng)區(qū)繼續(xù)反應(yīng)，內(nèi)反應(yīng)區(qū)溫度控制在130 140°C，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率85%，草酸二甲酯選擇性94%。此時反應(yīng)生產(chǎn)出合格的粗草酸酯，物料出反應(yīng)器溫度為135°C。最后，大部分反應(yīng)產(chǎn)物從內(nèi)分布筒16進入中心集氣管5，還有少部分從內(nèi)分布筒16直接進入下層惰性填料層6，然后兩股產(chǎn)物同時經(jīng)過出口氣體分布器13，從反應(yīng)器出口管14流出，反應(yīng)床層壓力降為O. 0 6MPa。所述板式反應(yīng)器可以通過增加單元反應(yīng)體的尺寸或增加單元反應(yīng)體的數(shù)量獲得更大規(guī)模的反應(yīng)裝置。這就有別于列管式反應(yīng)器擴大規(guī)模后體積過于龐大的缺點。
權(quán)利要求
1.一種用于羰化耦聯(lián)合成酯的工業(yè)化板式反應(yīng)器，其特征在于，從上到下依次包括位于進口端的反應(yīng)器進口管(I)、進口氣體分布器(2)、換熱室(15)、上端惰性填料層(3)、中間徑向反應(yīng)床層(4)、下端惰性填料層(6)、出口氣體分布器(13)和反應(yīng)器出口管(14)；所述中間徑向反應(yīng)床層(4)，由外到內(nèi)依次包括與上端惰性填料層(3)連接的反應(yīng)器殼體(32)內(nèi)壁與外分布筒(20)間環(huán)隙(11)、外分布筒(20)、催化劑床層(12)、內(nèi)分布筒(16)和中心集氣管(5);所述催化劑床層(12)內(nèi)設(shè)氣體再分布器(35)，將催化劑床層(12)分為外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)。
2.如權(quán)利要求I所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑床層(12)內(nèi)設(shè)換熱器，換熱器的換熱元件為板式換熱元件；所述板式換熱元件為預(yù)制成組的換熱板(30)，由換熱板(30 )組成的換熱板組(24 )由頂部人孔裝入塔內(nèi)，埋于催化劑床層(12 )內(nèi)，換熱板組(24 )整體通過固定在反應(yīng)器殼體(32)內(nèi)壁和中心集氣管(5)外壁的環(huán)形筋板(34)共同支撐。
3.如權(quán)利要求2所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述換熱板組(24)在催化劑床層(12)內(nèi)的排列方式為平行于催化劑床層(12)徑向放置并且沿著同心的扇形排開，或者垂直于催化劑床層(12)徑向近似于同心圓排列。
4.如權(quán)利要求3所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，當(dāng)換熱板組(24)平行于催化劑床層(12)徑向放置并且沿著同心的扇形排開時，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)部空間的大小及換熱板(30)本身的尺寸，沿同一徑向設(shè)一塊換熱板(30)或依次設(shè)多塊換熱板(30);距離反應(yīng)器軸心相同距離的換熱板(30)之間通過環(huán)形或圓形緊固箍(31)固定。
5.如權(quán)利要求3所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，當(dāng)換熱板組(24)垂直于催化劑床層(12)徑向近似于同心圓排列時，同一徑向換熱板(30)平行排列，位于催化劑床層(12)的換熱板組(24)整體通過位于靠近外分布筒(20)內(nèi)壁和換熱板組(24)外邊緣的圓形緊固箍(31)包圍固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述換熱板(30)的厚度為O.I I. Omm0
7.如權(quán)利要求2所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述換熱板(30)為四邊形結(jié)構(gòu)，由兩塊金屬板焊接而成，同一反應(yīng)器內(nèi)的所有換熱板(30)完全相同。
8.如權(quán)利要求7所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述換熱板(30)的兩塊金屬板有相同壓痕，換熱板(30)中空，兩塊金屬板沿著周邊焊接，同時表面點焊，兩金屬板間的縫隙形成流體通道。
9.權(quán)利要求8所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述壓痕為波紋狀、線條狀、折線狀或鼓泡狀。
10.如權(quán)利要求7-9任一所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述金屬板與催化劑接觸的一側(cè)為平行板翅結(jié)構(gòu)，板翅(25)間距為O. I O. 5mm。
11.如權(quán)利要求2所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述板式換熱元件的流體通道設(shè)計，沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次包括冷卻介質(zhì)進口(7)、主分配管(22)、換熱板組分配管(23),換熱板組(24)、換熱板出汽管(28)、換熱板組水汽收集管(33)、主收集管(10)和出汽管口(9)。
12.如利要求I所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑床層(12)的外反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)冷管(29)。
13.如權(quán)利要求12所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述冷管橫截面(27)的形狀為三角形、正方形、菱形或平行四邊形。
14.如權(quán)利要求12所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，當(dāng)換熱板組(24)平行于催化劑床層(12)徑向放置并且沿著同心的扇形排列時，所述冷管(29)位于外反應(yīng)區(qū)距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰兩個換熱板(30)之間，呈楔形嵌入催化劑床層(12)內(nèi)；當(dāng)換熱板組(24)垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列時，所述冷管(29)位于外反應(yīng)區(qū)距離反應(yīng)器軸心相同距離的相鄰換熱板組(24)之間。
15.如權(quán)利要求14所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑床層(12)內(nèi)相鄰換熱板(30)或相鄰換熱板組(24)的有效板間距為40 60mm。
16.如權(quán)利要求I所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述進口氣體分布器(2)和出口氣體分布器(13)上開孔排列為倒三角形或平行四邊形。
17.如權(quán)利要求I所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述外分布筒(20)、內(nèi)分布筒(16)和氣體再分布器(35)為圓筒狀金屬薄殼，其上均設(shè)開孔，按流體的流動方向，處于流動上游單位長度上的開孔分布密度較大，處于流體流動下游單位長度上的開孔分布密度較小。
18.如權(quán)利要求17所述的板式反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)分布筒(16)、外分布筒(20)和氣體再分布器(35)上開孔為圓形、方形、三角形、柵格形或窄條形；所述開孔的排列為圓周形或螺旋形。
19.如權(quán)利要求1-18任一所述的板式反應(yīng)器在羰化耦聯(lián)合成草酸酯工藝或羰化耦聯(lián)反應(yīng)合成草酸二烷基酯及碳酸二烷基酯的工藝中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于羰化耦聯(lián)合成酯的工業(yè)板式反應(yīng)器,所述反應(yīng)器的催化劑床層內(nèi)設(shè)氣體再分布器，將催化反應(yīng)床層分為外反應(yīng)區(qū)和內(nèi)反應(yīng)區(qū)；所述反應(yīng)器的換熱裝置為預(yù)制成組的換熱板和冷管；換熱板組在催化劑床層內(nèi)的排列方式為沿催化劑床層徑向放置并且沿著同心的扇形排開，或者垂直于催化劑床層徑向近似于同心圓排列；本發(fā)明解決了目前羰化耦聯(lián)生產(chǎn)草酸酯反應(yīng)器為列管反應(yīng)器的不足，可以克服其單臺反應(yīng)器催化劑裝填量小，壓降大、大規(guī)模生產(chǎn)需要臺數(shù)多等缺點。且可以提高催化劑利用系數(shù)和反應(yīng)器容積利用率、增大了催化劑裝填量、提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力、節(jié)省裝置設(shè)備投資，降低運行費用。在羰化耦聯(lián)生產(chǎn)草酸酯工藝中起到良好工業(yè)化應(yīng)用效果。
文檔編號C07C69/36GK102872767SQ20121040706
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者王保明, 王東輝, 李玉江, 徐長青 申請人:上海戊正工程技術(shù)有限公司