專利名稱：高溫顯熱回收組合式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高溫顯熱回收利用的組合式換熱器。具體地說，涉及一種用于乙苯負壓絕熱催化脫氫制苯乙烯反應器高溫出料冷卻和熱量回收利用的組合式換熱器。
背景技術(shù)：
眾所周知，苯乙烯是一種重要的化工原料商品，用于制造聚苯乙烯PS、工程塑料ABS和AS、丁苯橡膠SBR及其膠乳SBR-latex、苯乙烯/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物SBS、甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯共聚物MBS、苯乙烯/馬來酸酐共聚物SMA、苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯膠乳以及不飽和聚酯、離子交換樹酯和藥物等。
乙苯脫氫制造苯乙烯的工藝原理是在催化劑和水蒸汽存在和550～650℃高溫條件下，乙苯發(fā)生選擇脫氫反應，生成苯乙烯。
……(1)式中ΔHr——反應熱。在627℃下反應時，ΔHr＝124.9千焦/摩爾(吸熱反應)。
在反應器中除了發(fā)生式(1)主反應，還發(fā)生熱裂解、氫化裂解和蒸汽裂解等副反應，副產(chǎn)物主要有氫氣、苯、甲苯、甲烷、乙烷、一氧化碳、二氧化碳等。
在乙苯脫氫工藝中，原料乙苯中的化學雜質(zhì)也發(fā)生反應，主、副反應的生成物還會進一步發(fā)生反應，故最終生成物還包括另一些副產(chǎn)物，如α-甲基苯乙烯、二甲苯、丙苯、二乙基苯、三乙基苯、三苯基甲烷、二苯基乙烯、聚苯乙烯及焦油等。
圖1是漢考克(E.G.Hancock)[英]主編的《苯及其工業(yè)衍生物》(Benzene And Its IndustrialDerivatives)中譯本(化學工業(yè)出版社，1982年11月，北京)第319頁中乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯裝置的一種流程簡圖。由于本專利申請不涉及脫氫反應器出料的分離精制和回收，故分離精制和回收部分僅以虛線方框概括表示，以突出本專利申請所涉及的主題——反應器出料冷卻與熱量回收的工藝及其換熱設(shè)備的改進。
從圖1可知，通常來自蒸汽管網(wǎng)的水蒸汽8引出一股所謂配料蒸汽同進料乙苯匯合，其主要部分則進入換熱器4的殼程，同管程的來自換熱器3的反應器出料換熱而升溫，然后進入蒸汽過熱爐1的爐管內(nèi)，被爐膛中直接火加熱而升溫到720～850℃，作為乙苯脫氫工藝的主蒸汽。新鮮乙苯9(液態(tài))同循環(huán)乙苯10(液態(tài))匯合后，再同水蒸汽8分出的一股配料蒸汽混合，便進入換熱器5殼程，同管程的來自換熱器4管程的反應器出料換熱，使液態(tài)乙苯汽化。所得乙苯/水蒸汽氣相混合物進而被導入換熱器3的殼程，同管程的來自脫氫反應器系統(tǒng)2的出料進行換熱，而被加熱到450～520℃，然后同來自蒸汽過熱爐1的720～850℃高溫過熱主蒸汽匯合，二者混合后溫度達到570～650℃，便一同進入反應器系統(tǒng)2。在反應器系統(tǒng)2中，呈氣相的乙苯和水蒸汽高溫混合物在流過固定床催化劑床層的過程中發(fā)生絕熱的乙苯脫氫反應，生成主產(chǎn)物苯乙烯和前已述及的各種副產(chǎn)物，同時其自身溫度也降低下來。包含各種反應產(chǎn)物和水蒸汽及未轉(zhuǎn)化乙苯的反應器出料自反應系統(tǒng)2中流出的溫度為500～600℃，它將依次流經(jīng)換熱器3、換熱器4、換熱器5的管程，同殼程的反應進料換熱，實現(xiàn)熱量回收利用和自身冷卻，最后從換熱器5管程導出的溫度為100～150℃，繼而進入繼續(xù)冷卻及分離精制和回收區(qū)域6。在以虛線方框6所代表的冷卻、分離、精制和回收工序中，反應器出料包含的各種組分得到分離，所得凝水11經(jīng)汽提處理后，可作為鍋爐給水而循環(huán)利用；所得脫氫尾氣12可送往蒸汽過熱爐1作為燃料或回收氫氣；所得未反應掉的乙苯10循環(huán)返回反應系統(tǒng)再次作為脫氫原料；所得經(jīng)精制的苯乙烯15、苯13、甲苯14分別是該乙苯脫氫裝置的主產(chǎn)品和副產(chǎn)品；所得焦油16可送往蒸汽過熱爐1作為燃料燒掉，也可作為一種副產(chǎn)品輸至界外，作為進一步綜合利用的原料。
考察主反應式(1)可知，乙苯脫氫生成苯乙烯是一個強吸熱增分子的可逆反應，高溫和低壓有利于該可逆反應向生成苯乙烯的方向進行。這正是具有級間二次加熱的兩級串聯(lián)負壓絕熱徑向反應器系統(tǒng)在乙苯脫氫制苯乙烯工業(yè)生產(chǎn)中獲得普遍應用的原因所在。因為這種徑向絕熱反應器的催化劑床層相對較薄，在反應物料通過催化劑床層的空速相同的前提下，徑向絕熱反應器的壓降明顯低于催化劑床層相對較厚的列管式固定床等溫度反應器的壓降。于是，徑向絕熱反應器更有利于形成高真空度的負壓工況。此外，這種反應器系統(tǒng)的兩臺串聯(lián)的絕熱徑向反應器之間設(shè)置的換熱器可對經(jīng)第一級反應器內(nèi)進行絕熱脫氫反應后溫度已降低到500～570℃的物料實施第二次加熱，使物料重新升溫到580～650℃，進入第二級徑向反應器，再次進行絕熱脫氫反應，從而進料乙苯可實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率。
如上所述，這種負壓絕熱脫氫反應系統(tǒng)的優(yōu)點是毋庸置疑的，但隨之也產(chǎn)生必定面臨的課題一是如何合理地把處于負壓的高溫反應器出料的熱量加以回收利用，并使之冷卻下來，以降低產(chǎn)品的綜合能耗；二是如何使得用于回收反應器出料熱量并使之冷卻的換熱設(shè)備的選型與布置更好地適應反應系統(tǒng)的負壓工況。
關(guān)于乙苯脫氫制造苯乙烯裝置的熱量回收與利用，美國專利US4628136提出了一種從乙苯/苯乙烯分離塔的塔頂冷凝器回收低溫熱，用于加熱原料乙苯/水蒸汽進料，從而減少蒸汽過熱爐供熱量，達到節(jié)能效果的方法；德國專利DE3147323致力于乙苯脫氫工藝中有效利用熱能，提出用已冷卻到90～120℃，并處0.4～1.2大氣壓力的反應器出料氣體去加熱水使之汽化，把所得水蒸汽壓縮到1.4～2.5大氣壓，再用此蒸汽去配制乙苯/水蒸汽進料混合物；美國專利US3515767回收脫氫反應器出料熱量的方法是利用該熱量去產(chǎn)生低于大氣壓的水蒸汽，再把此低壓蒸汽用壓縮機加以壓縮，作為產(chǎn)品分離回收分餾裝置的再沸器供熱；而英國專利GB1122857則提出從脫氫反應器出料中獲取熱量用于產(chǎn)生水蒸汽，并把該蒸汽加以壓縮，用作乙苯/苯乙烯分餾塔再沸器的加熱介質(zhì)。以上各篇專利提出的關(guān)于乙苯脫氫裝置熱量回收利用的改進方案，大多配置壓縮機。顯然，其設(shè)備投資和運行費用均是一筆不可忽視的支出。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是以往文獻的技術(shù)中存在利用反應器出料顯熱的三個換熱器由于獨立存在，管線較長造成壓降損失較大，管線造成的熱量損失較大，占地面積大，換熱器之間由于熱膨脹原因易造成泄漏的問題，提供一種新的高溫顯熱回收組合式換熱器。該組合式換熱器具有管線造成的壓降損失小，管線造成的熱量損失少，節(jié)省占地面積，能有效解決換熱器之間或換熱器管殼程之間易泄漏的特點。
為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案如下一種高溫顯熱回收組合式換熱器，依次由高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器組成，高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器的連接短管上設(shè)置波數(shù)至少為一的波形膨脹節(jié)，且兩者的中心線形成的夾角α為90～135°；中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器通過短管相連接，它們兩者的中心線形成的夾角β為135～180°。
上述技術(shù)方案中高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器均為單程管殼式換熱器。高溫區(qū)段換熱器優(yōu)選方案采用薄管板結(jié)構(gòu)，且在兩管板間的殼程上設(shè)置波數(shù)為1～10的大直徑波形膨脹節(jié)。高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器兩者的中心線形成的夾角α優(yōu)選值為90°，中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器兩者的中心線形成的夾角β優(yōu)選值為180°。
本實用新型由于在用作反應器進料過熱器的高溫區(qū)段換熱器的兩塊固定管板之間的殼體上設(shè)置大直徑波形膨脹，并且在高溫區(qū)段換熱器與用作蒸汽發(fā)生器的中溫區(qū)段換熱器之間也設(shè)置波形膨脹節(jié)，可解決反應器進料過熱器因熱膨脹而引起管程殼程之間的泄漏問題和進料過熱器與蒸汽發(fā)生器之間連接管道因熱膨脹而引起的損壞。將高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫換區(qū)段熱器之間分別用短管相連接，且高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器兩者中心線成90～135°夾角的技術(shù)方案，一方面節(jié)省了占地面積，另一方面減少了大量連接管線，減少了大量連接管線造成的壓降損失和熱量損失，取得了較好的技術(shù)效果。


圖1是乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯裝置的反應系統(tǒng)流程簡圖。
圖2是使用本實用新型高溫顯熱回收組合式換熱器的乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯裝置的反應系統(tǒng)流程簡圖。
圖3是本實用新型高溫顯熱回收組合式換熱器。
在圖1中，1為蒸汽過熱爐；2為脫氫反應器(它所代表的可以是單臺反應器，也可以是具有級間換熱器加熱的多級串聯(lián)負壓絕熱徑向反應器系統(tǒng))；3、4、5均為換熱器，這三臺換熱器的設(shè)置是為了回收利用反應器高溫出料的熱量，同時把它冷卻下來，以進行后續(xù)加工；6代表了把反應器出料繼續(xù)加以冷卻、分離精制和回收各種產(chǎn)物的眾多設(shè)備；7是蒸汽過熱爐的燃料氣或/和油；8是水蒸汽；9是作為脫氫原料的新鮮乙苯；10是循環(huán)乙苯(反應器出料經(jīng)分離、精制而回收的未反應掉的乙苯返回反應系統(tǒng)，同新鮮乙苯匯合后，再次作為反應器進料)；11是反應器出料經(jīng)冷卻、分離得到的凝水；12是脫氫尾氣；13是經(jīng)分離精制而得的乙苯脫氫副產(chǎn)品苯；14是副產(chǎn)品甲苯；15是經(jīng)分離精制所得乙苯脫氫的主產(chǎn)品苯乙苯；16是經(jīng)分離精制操作后得到的重質(zhì)副產(chǎn)物焦油。
圖2是本發(fā)明的改進方案示意簡圖。其中左半部是典型的具有級間加熱的多級串聯(lián)負壓絕熱徑向反應器系統(tǒng)；右半部則是改進的三臺串聯(lián)換熱器組成的L型組合式換熱器。為了便于同圖1對照比較，圖2中的編號基本與圖1對應，只是把圖1中的編號加上“100”用作圖2中相應的編號。譬如圖2中的編號103便對應于圖1中的編號3，余者類推。
在圖2中，102A是第一級脫氫反應器；102B是第二級脫氫反應器；102C是為實現(xiàn)反應物料第二次被加熱升溫而設(shè)置的中間換熱器；103是組合式換熱器的高溫區(qū)段，用作反應器進料過熱器；104是組合式換熱器的中溫區(qū)段，用作產(chǎn)生蒸汽的蒸汽發(fā)生器；105是組合式換熱器的低溫區(qū)段，用作把液態(tài)乙苯汽化的乙苯蒸發(fā)器；107是低壓蒸汽發(fā)生器104的汽包。101A是來自蒸汽過熱爐(圖中未畫出，可參見圖1)的主蒸汽；101B是通入中間換熱器殼程的二次加熱用高溫過熱蒸汽；101C是降溫后返回蒸汽過熱爐的過熱蒸汽；106是經(jīng)組合式換熱器回收熱量后降溫的反應器出料，送往分離精制和回收系統(tǒng)(圖中未畫出，可參見圖1)；108是配料蒸汽；109是新鮮乙苯；110是循環(huán)乙苯；111是鍋爐給水；112是蒸汽發(fā)生器104產(chǎn)生的蒸汽(送往工廠蒸汽管網(wǎng))；113為波形膨脹節(jié)，114為連接短筒。
在圖3中103為高溫區(qū)過熱換熱器，104為中溫區(qū)蒸汽發(fā)生換熱器，105為低溫換熱器，113為波形膨脹節(jié)，114為連接短筒。
下面通過實施例對本實用新型作進一步闡述。
具體實施方式
實施例1根據(jù)本實用新型，為某一采用具有級間二次加熱兩級串聯(lián)反應器的負壓絕熱催化脫氫工藝的6萬噸/年苯乙烯裝置乙苯脫氫反應器高溫出料冷卻和熱量回收利用而設(shè)計的組合式換熱器如圖2所示，其中α＝90°，β＝180°，形成一臺L型組合式換熱器。
該組合式換熱器的豎臂是反應器進料過熱器103，它是一段單程管殼式換熱器，其殼體內(nèi)徑為φ1500毫米，列管長度為7000毫米，共有749根列管，換熱面積為626米2；L型組合式換熱器的橫臂依次是蒸汽發(fā)生器104和乙苯蒸發(fā)器105。這二臺也都是單程管殼式換熱器，其中蒸汽發(fā)生器104的殼體內(nèi)徑為φ1500毫米，列管長度為3000毫米，列管根數(shù)為749根，換熱面積為268米2；乙苯蒸發(fā)器105的殼體內(nèi)徑為φ1500毫米，列管長度為9000毫米，列管根數(shù)為749根，換熱面積為805米2。
依次通過乙苯蒸發(fā)器105殼程和進料過熱器103殼程的反應器進料(108+109+110)流量為16733千克/小時；反應器出料106的流量為27412千克/小時。
反應器高溫氣相出料進入反應器進料過熱器103管程的溫度為564℃，壓力為45KPaA；反應器出料流出過熱器103管程并進入蒸汽發(fā)生器104管程的溫度為392℃；反應器出料從蒸汽發(fā)生器104管程流出并進入乙苯蒸發(fā)器105管程的溫度為269℃；最后從乙苯蒸發(fā)器105管程流出的反應器出料溫度降到了125℃，壓力為36KPaA。反應器出料流過L型組合式換熱器的總壓降為9KPa。
進料液相乙苯和配料蒸汽混合物進入乙苯蒸發(fā)器105殼程的溫度為104℃，它從105殼程流出并進入過熱器103殼程的溫度為210℃，最后從過熱器103殼程流出的溫度已達505℃。
蒸汽發(fā)生器104殼程產(chǎn)生的表壓為350KPaG低壓蒸汽112的流量為10噸/小時。
反應器至組合式換熱器之間連接管道散熱量為20兆焦耳/小時。比較例1根據(jù)實施例1的各個步驟及條件，只是改變換熱器的組合方式，采用圖1方式排列，三個換熱器設(shè)備分別獨立排列，其結(jié)果為，壓降為30KPa以上，連接管道的散熱量共達300兆焦耳/小時。
權(quán)利要求1.一種高溫顯熱回收組合式換熱器，依次由高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器組成，其特征在于高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器的連接短筒上設(shè)置波數(shù)至少為一的波形膨脹節(jié)，且兩者的中心線形成的夾角α為90～135°；中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器通過短筒相連接，它們兩者的中心線形成的夾角β為135～180°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫顯熱回收組合式換熱器，其特征在于高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器均為單程管殼式換熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高溫顯熱回收組合式換熱器，其特征在于高溫區(qū)段換熱器采用薄管板結(jié)構(gòu)，且在兩管板間的殼程上設(shè)置波數(shù)為1～10的大直徑波形膨脹節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫顯熱回收組合式換熱器，其特征在于高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器兩者的中心線形成的夾角α為90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫顯熱回收組合式換熱器，其特征在于中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器兩者的中心線形成的夾角β為180°。
專利摘要本實用新型涉及一種高溫顯熱回收組合式換熱器，主要解決以往技術(shù)中存在的換熱設(shè)備各自獨立放置，占地面積大，連接管線長，管線壓降損失大，管線熱量損失大的問題。本實用新型通過采用將高溫區(qū)段換熱器、中溫區(qū)段換熱器和低溫區(qū)段換熱器用短筒連接，且高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器中心線成90～135°夾角，中溫區(qū)段換熱器與低溫區(qū)段換熱器中心線成135～180°夾角，高溫區(qū)段換熱器與中溫區(qū)段換熱器的連接短管上設(shè)置波形膨節(jié)的技術(shù)方案，較好地解決了上述以往換熱設(shè)備存在的問題，可用于乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)中。
文檔編號F28F9/26GK2557914SQ02265400
公開日2003年6月25日 申請日期2002年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者崔世純, 邵百祥, 李向勇, 沈偉, 嚴玲玲, 毛連生 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院