專利名稱：管式反應(yīng)器的制作方法
管式反應(yīng)器
背景技術(shù)：
乙烯氧化為乙烯氧化物可以通過在存在被裝載到合適的載體上的銀催化劑的條 件下與空氣或氧氣反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)，其中可選地添加少量的特定的氯代烴類，其用來減少催化 齊U。在正常操作條件下，氧化反應(yīng)主要產(chǎn)生乙烯氧化物，其中二氧化碳和水為副產(chǎn)物。這種 反應(yīng)是放熱的。執(zhí)行氧化反應(yīng)所在的反應(yīng)器的構(gòu)造可以類似于垂直管殼式熱交換器。管子用催化 劑填充，同時(shí)反應(yīng)器的殼體側(cè)設(shè)置有冷卻劑。合適的泵、熱交換器、分離器鼓、和/或冷凝器 可以用來冷凝、或分離和再循環(huán)冷卻劑。在一些情況中，在沒有精細(xì)地控制溫度的情況下，氧化反應(yīng)會(huì)發(fā)展成形成二氧化 碳和水蒸氣。這不僅降低生產(chǎn)量，而且是更大的放熱反應(yīng)，其可能在反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)致"熱 點(diǎn)"，且因此導(dǎo)致對(duì)冷卻系統(tǒng)所提出的要求的增加。此外，“熱點(diǎn)"能夠增加局部溫度，且 會(huì)快速地?cái)U(kuò)散至反應(yīng)器出口，從而導(dǎo)致大量的氣相點(diǎn)火，在此稱為"分解"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開內(nèi)容涉及用于進(jìn)行諸如烯烴氧化反應(yīng)的放熱反應(yīng)的管式反應(yīng)器。各實(shí) 施例適合于商業(yè)規(guī)模的乙烯氧化物生產(chǎn)。如在此使用的那樣，“熱點(diǎn)"為在其中的氧氣被耗盡的反應(yīng)器管中設(shè)置的催化劑 床的內(nèi)部發(fā)生的不受控制的氣相反應(yīng)。本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例包括一種管式反應(yīng)器，其包括被布置在管式反應(yīng)器殼體 內(nèi)的多個(gè)大體平行的反應(yīng)管，所述反應(yīng)管被間隔開，使得在操作期間傳熱流體能夠在反應(yīng) 管之間流動(dòng)，并且在所述反應(yīng)管和傳熱流體之間傳遞熱量。管式反應(yīng)器還包括靠近所述管 式反應(yīng)器殼體定位的限定進(jìn)口頭空間的進(jìn)口頭和靠近所述管式反應(yīng)器殼體定位的出口頭， 其中所述進(jìn)口頭空間與所述反應(yīng)管的進(jìn)口端流體連通。出口頭包括出口頭殼體和定位至由 所述出口頭限定的出口頭空間內(nèi)的至少一個(gè)插入件，其中所述插入件限定了出口頭空間， 所述出口頭空間相對(duì)于由所述出口頭限定的出口頭空間體積被減少，并且其中所述體積被 減少的出口頭空間與所述反應(yīng)管的出口端流體連通并與反應(yīng)器出口流體連通。當(dāng)操作本發(fā)明公開內(nèi)容的管式反應(yīng)器的實(shí)施例時(shí)，出口頭中的氣體滯留時(shí)間可以 被減小。減小的氣體滯留時(shí)間允許熱反應(yīng)氣體更快地轉(zhuǎn)到冷卻步驟，并能夠幫助降低反應(yīng) 副產(chǎn)物的形成。停滯氣體的區(qū)域 也被減小或消除，再次幫助降低副產(chǎn)物的形成，且在工藝 氣體為易燃?xì)怏w的情況中，幫助減小由于出口頭空間中的“分解”的發(fā)展而導(dǎo)致的著火的風(fēng) 險(xiǎn)。


圖IA為本發(fā)明公開內(nèi)容的管式反應(yīng)器的實(shí)施例的截面正視圖。圖IB為與本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例一起使用的具有插入件的出口頭的部分截面 正視圖。
圖IC為根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的管式反應(yīng)器殼體和可拆卸的出口頭的法蘭區(qū)域的截面正視圖。圖ID為根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的用于使傳熱流體從管式反應(yīng)器殼體循環(huán) 至管式反應(yīng)器殼體和可拆卸的出口頭的法蘭區(qū)域的系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的部分截面正視圖。圖2A為沿圖2中的線2A-2A截取的示出根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的具有插 入件的出口頭的截面俯視圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的出口頭的截面正視圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的出口頭的截面正視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例包括用于管式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器的操作的設(shè)備、方法 和工藝。為了說明目的，討論了本發(fā)明公開內(nèi)容應(yīng)用于乙烯氧化物的生產(chǎn)，然而，應(yīng)當(dāng)理解 本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例不限于這種應(yīng)用。圖1A-1D示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的管式反應(yīng)器100的實(shí)施例。管式反應(yīng)器100 包括包圍包含反應(yīng)器管104的空間的外部殼體102。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)器管104可以設(shè) 置為大體上相互平行，并且可以垂直定向，反應(yīng)器管出口在管式反應(yīng)器100的底部。在一些 實(shí)施例中，管式反應(yīng)器100可以定向?yàn)楣艹隹谖挥陧敳?。另外，如果期望用于特定?yīng)用，管 式反應(yīng)器100可以被水平地定向，或者與水平方向成某一角度。反應(yīng)器管104相互間隔開，以允許傳熱流體在相鄰的反應(yīng)器管104之間循環(huán)，從而 在傳熱流體和反應(yīng)器管104之間傳遞熱量。如圖IA所示，為了說明目的，管式反應(yīng)器100 包括少量的反應(yīng)器管。另外，再次為了說明目的，管子104之間的間距被夸大。在各種實(shí)施 例中，管式反應(yīng)器100可以包含在數(shù)百至數(shù)千范圍內(nèi)的反應(yīng)器管104。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)器管104可以經(jīng)由頂部管板106和底部管板108保持在管 式反應(yīng)器殼體102中的合適位置上。管板106、108具有允許工藝氣體從進(jìn)口頭空間110進(jìn) 入反應(yīng)器管104的開口。可替換地，反應(yīng)器管104可以延伸穿過頂部管板106進(jìn)入到進(jìn)口 頭空間110中。類似地，底部管板108具有允許工藝氣體從反應(yīng)器管104進(jìn)入到出口頭空 間112的開口。再次，反應(yīng)器管104可以延伸穿過底部管板108進(jìn)入到出口頭空間112中。在一些實(shí)施例中，各種類型的附加支撐件可以設(shè)置在頂部管板106和底部管板 108之間。例如，附加支撐件可以包括附加管板、各種類型的支架、檔板等等。 如圖IA所示，管式反應(yīng)器100還包括進(jìn)口頭114和出口頭116 (例如，在操作期間 反應(yīng)物向下流動(dòng)的實(shí)施例中)。如圖所示，進(jìn)口頭114靠近管式反應(yīng)器殼體102定位在頂部 位置，出口頭116靠近管式反應(yīng)器殼體102定位在底部位置。實(shí)施例還可以包括定位在底 部位置的進(jìn)口頭114和定位在頂部位置的出口頭116。 進(jìn)口頭114限定進(jìn)口頭空間110。反應(yīng)物通過進(jìn)口導(dǎo)管118被引入到管式反應(yīng)器 100中，在進(jìn)口導(dǎo)管118處反應(yīng)物進(jìn)入進(jìn)口頭空間110。如圖所示，反應(yīng)物可以從進(jìn)口頭空 間110進(jìn)入管子104，并向下流過管子104，反應(yīng)物在管子中與催化劑接觸并發(fā)生期望的反 應(yīng)。因此反應(yīng)產(chǎn)物氣體從管子104底部出來，并進(jìn)入出口頭空間112中，來自各個(gè)管子104 的反應(yīng)產(chǎn)物氣體在出口頭空間中混合并進(jìn)入出口導(dǎo)管120中。
圖1中示出的所述類型的商業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器可以非常大，例如包含數(shù)百或數(shù) 千個(gè)管子，并具有3米和大到20米范圍內(nèi)的殼體直徑。如圖IA所示，由于尺寸大，進(jìn)口頭 114和出口頭116設(shè)計(jì)成具有圓化的橫截面。進(jìn)口頭114和出口頭116的彎曲形狀可以允 許頭在合理的質(zhì)量下具有需要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。然而，由于頭114、116的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，進(jìn)口頭空 間110和出口頭空間112的體積可以很大。大的頭空間導(dǎo)致頭空間內(nèi)的滯留時(shí)間較長。此外，反應(yīng)產(chǎn)物在頭空間內(nèi)的循環(huán)不均勻，結(jié)果，熱點(diǎn)可能在停滯和/或再循環(huán)氣體的氣窩出 現(xiàn)的區(qū)域中形成。在熱點(diǎn)區(qū)域，可能會(huì)發(fā)生不希望的副反應(yīng)，并且增加了分解的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少形成熱點(diǎn)區(qū)域的發(fā)生，本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例尋求減小出口頭空間 112的體積，提供從反應(yīng)器管104出來的反應(yīng)產(chǎn)物氣體的最初的快速混合，和/或提供在出 口頭空間112中的反應(yīng)氣體的再分布。同理，在一些實(shí)施例中，可以最小化出口頭112中的 反應(yīng)產(chǎn)物氣體的滯留時(shí)間。此外，可以收斂描述反應(yīng)產(chǎn)物氣體可能在出口頭空間112內(nèi)部 消耗的時(shí)間量的滯留時(shí)間分布或概率分布函數(shù)，以減少長滯留時(shí)間"拖尾"。在各個(gè)實(shí)施例中，由于反應(yīng)產(chǎn)物氣體從一些反應(yīng)器管104中出來而形成的局部熱 點(diǎn)可以與從其它反應(yīng)器管104出來的冷的反應(yīng)產(chǎn)物氣體快速地混合，從而防止點(diǎn)火和/或 不希望的副反應(yīng)。
由于管式反應(yīng)器100的尺寸，簡單地通過采用較小的出口頭來降低出口頭空間體 積是不現(xiàn)實(shí)的。這種出口頭的質(zhì)量將比如圖1所示的彎曲出口頭116的質(zhì)量大很多，因此 與這種頭相關(guān)的成本和重量使得它是不現(xiàn)實(shí)的。同樣地，如圖IA所示，出口頭116包括出 口頭殼體122和插入件124。插入件124與底部管板108 —起可以限定出口頭空間112的 體積。如圖所示，出口頭空間112的體積比在缺少插入件124時(shí)由底部管板108和出口 頭殼體122限定的體積小相當(dāng)多。較小的體積可以減小停滯區(qū)域，并且可以增加通過出口 頭空間112的流速，同時(shí)還降低出口頭空間112中的反應(yīng)產(chǎn)物氣體的滯留時(shí)間。例如，工藝 氣體可以以約25英尺每秒或更大的速度流過底部管板108，并且反應(yīng)產(chǎn)物氣體的滯留時(shí)間 可以約為0. 1秒或更少。而且，反應(yīng)產(chǎn)物氣體的流型或流動(dòng)模式(flow pattern)不包括大 尺寸的漩渦。在一些實(shí)施例中，與沒有插入件124的同樣配置中的出口頭116相比，插入件124 可以將出口頭116的體積減小至少25%。在各種實(shí)施例中，插入件124將出口頭116的體 積減小至少50%。插入件124可以將出口頭116的體積減小達(dá)60%、達(dá)75%、達(dá)85%、達(dá)
90%或更高。此外，隨著出口頭116的體積減小越多，通過出口頭116的流量(即，氣體速度) 可以增加。另外，出口頭116中的滯留時(shí)間相應(yīng)地降低。在一些情況中，出口頭116的體積減小太多使得難以在合理的操作壓力下實(shí)現(xiàn)大 的總體(bulk)流量，這是因?yàn)橥ㄟ^出口頭116的路徑可能變成受限制的。因此，在一些情 況中，出口頭116的體積可以被減小多少的上限可能受期望的總體流量和/或操作壓力的 限制。圖IB更詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的出口頭116的實(shí)施例。插入件124 示出為從邊緣區(qū)域126朝向出口 120向下傾斜。同樣，出口頭空間112靠近中心的高度大 于在插入件124邊緣處其的高度。這種配置可以改善流量(例如，氣體速度和總體流量)，并且可以幫助消除特別是靠近出口頭空間112的外邊緣的停滯區(qū)域。出口頭殼體122還可以從所述邊緣朝向出口 120向下彎曲，但與插入件124相比， 可以以更大的漸變的比率彎曲。曲率差可以使出口頭殼體122從插入件124移位離開，從 而在出口頭殼體122和插入件124之間形成空間128。在這種實(shí)施例中，除了可能在靠近出 口 120的區(qū)域之外，反應(yīng)產(chǎn)物氣體不與出口頭殼體122接觸，并且出口頭殼體122在一定程 度上與工藝流體熱絕緣。
在一些實(shí)施例中，出口頭殼體122設(shè)計(jì)為大致承受出口頭116的全部重量以及其 它施加的應(yīng)力。在這種實(shí)施例中，出口頭殼體122的外部彎曲可以允許采用合理質(zhì)量的構(gòu) 造材料來制造出口頭殼體122。此外，插入件124承受很少的重量或應(yīng)力，因此可以由相對(duì) 薄的材料制造，以節(jié)約(conserve)質(zhì)量。在一些實(shí)施例中，插入件124可以是自支撐的。此外，在各種實(shí)施例中，插入件124 可以具有通過對(duì)于插入件124采用與自支撐的插入件124相比較薄的材料所獲得的輕質(zhì)的 構(gòu)造。在這種實(shí)施例中，輕質(zhì)插入件124可以包括附加的支撐件，諸如大量的支撐圓筒130， 其可以橫越空間128，并將來自插入件124的負(fù)載傳遞至出口頭殼體122。插入件124可 以由金屬、聚合物和/或陶瓷材料形成，只要構(gòu)造材料能夠承受工藝溫度，不催化工藝氣體 的反應(yīng)和/或不以其它方式與工藝氣體反應(yīng)，并且另外地在特定的工藝下是化學(xué)穩(wěn)定的即可。如圖IB所示，在一些實(shí)施例中，出口頭116可以冷卻出口頭116內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物氣 體。在各種實(shí)施例中，冷卻工藝氣體的方法可以采用傳熱流體吸收來自反應(yīng)產(chǎn)物氣體的熱 量。另外，在一些實(shí)施例中，如圖所示，通過在反應(yīng)產(chǎn)物氣體經(jīng)由出口 120流出反應(yīng)器管100 之前使工藝氣體通過熱交換器132，可以在出口頭空間112內(nèi)冷卻反應(yīng)產(chǎn)物氣體。在一些實(shí)施例中，熱交換器132可以捕獲來自工藝氣體的熱量并在其它地方重新 使用所述熱量。在一些情況中，部分加熱的傳熱流體可以被循環(huán)至管式反應(yīng)器100，以提供 對(duì)反應(yīng)器管的冷卻。在一些實(shí)施例中，如在此進(jìn)一步討論的，部分加熱的傳熱流體可以被循 環(huán)至管式反應(yīng)器殼體102和出口頭116的法蘭系統(tǒng)，以使每個(gè)的溫度均衡。在一些實(shí)施例中，冷卻反應(yīng)產(chǎn)物氣體流出反應(yīng)器管所在位置的正下游的反應(yīng)產(chǎn)物 氣體的能力對(duì)降低不希望的反應(yīng)副產(chǎn)物的形成將是有利的。這在烯烴氧化工藝(例如，乙 烯氧化物工藝)中是尤其是這樣，其中通常在反應(yīng)產(chǎn)物氣體可以被冷卻之前，醛和其它不 希望的副產(chǎn)物在流出反應(yīng)管的熱反應(yīng)產(chǎn)物氣體中形成。在圖IB中示出的實(shí)施例中，出口頭 116中存在的熱交換器132可以允許反應(yīng)產(chǎn)物氣體被快速冷卻，并且與不具有熱交換器132 的出口頭116相比可以減少副產(chǎn)物的形成，特別是在乙烯氧化物生產(chǎn)工藝中。 在一些實(shí)施例中，如圖IB所示，位于熱交換器132下游的出口 120例如還可以通 過管道133連接至第二熱交換器135。反應(yīng)產(chǎn)物氣體可以穿過熱交換器132，穿過出口 120， 并穿過管道133到達(dá)第二熱交換器135。第二熱交換器135可以進(jìn)一步冷卻來自出口 120 的反應(yīng)產(chǎn)物氣體。在一些實(shí)施例中，第二熱交換器135靠近連接至熱交換器132。如在此使用的，“ 靠近連接"表示在離熱交換器132盡可能短的距離處連接第二熱交換器135。在一些實(shí)施 例中，管道133的長度可以小于100英尺，更優(yōu)選地，小于50英尺，還更優(yōu)選地，小于10英 尺。此外，管道133的直徑可以盡可能地小，優(yōu)選地直徑小于100英寸，更優(yōu)選地直徑小于60英寸。最小化熱交換器132和第二熱交換器135之間的距離可以減少兩個(gè)熱交換器之間的區(qū)域中的氣體的滯留時(shí)間，并且可以進(jìn)一步減少反應(yīng)副產(chǎn)物的形成。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)產(chǎn)物氣體可以在出口頭116內(nèi)被完全冷卻。在各種實(shí)施例 中，工藝氣體可以在出口頭116內(nèi)被部分地冷卻。例如，熱交換器132可以全部或部分地 定位在出口頭116內(nèi)。在熱交換器132部分地定位在出口頭116內(nèi)的實(shí)施例中，熱交換器 132可以向外延伸，超過出口頭116的邊界，用以為熱傳遞提供較大的區(qū)域，更徹底地完成 冷卻。如圖IA所示，在操作中，工藝氣體通過進(jìn)口 118進(jìn)入進(jìn)口頭空間110。工藝氣體 被在反應(yīng)器管104之間分布并進(jìn)入反應(yīng)器管104中。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)器管104至少 部分地填充有用于工藝氣體的期望反應(yīng)的催化劑。隨著工藝氣體流過反應(yīng)器管104，在存 在催化劑的條件下它們可以反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物氣體隨后流出反應(yīng)器管104并進(jìn)入出口頭空間 112。在圖IA中示出的實(shí)施例中，反應(yīng)產(chǎn)物氣體通過出口 120流出出口頭空間112。在一些實(shí)施例中，在反應(yīng)管104內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)可能是高放熱的，例如，對(duì)乙烯氧化 物氧化反應(yīng)就是這種情況。在各種實(shí)施例中，通過在殼體102內(nèi)以及管子104外部周圍循 環(huán)傳熱流體，可以控制放熱。在一些實(shí)施例中，水是冷卻流體。水可以沸騰，以產(chǎn)生蒸汽，由 于蒸發(fā)蒸汽所需要的額外的熱量被從系統(tǒng)中去除，因此可以提供額外的冷卻。傳熱流體可以被引導(dǎo)通過一個(gè)或多個(gè)端口 134，傳熱流體通過端口進(jìn)入管式反應(yīng) 器100并流過反應(yīng)器管104之間的空間，接觸反應(yīng)器管104，以及為反應(yīng)過程提供加熱或冷 卻。在一些實(shí)施例中，傳熱流體例如可以在反應(yīng)器管104內(nèi)的催化劑處發(fā)生的反應(yīng)是 放熱的時(shí)提供冷卻。然而，在其它實(shí)施例中，傳熱流體可以將反應(yīng)器管104加熱至以期望的 反應(yīng)速率產(chǎn)生期望的反應(yīng)所需要的溫度。在各種實(shí)施例中，當(dāng)反應(yīng)是放熱的時(shí)，傳熱流體例 如可以在開始反應(yīng)的啟動(dòng)期間提供熱量，或者提供工藝控制，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件為止。傳熱 流體可以通過一個(gè)或多個(gè)端口 134從管式反應(yīng)器100中排出。在一些實(shí)施例中，出口頭116可拆卸地連接到管式反應(yīng)器殼體102上，以允許接近 管式反應(yīng)器100的內(nèi)部，用于諸如維護(hù)、修理和/或催化劑去除和/或更換等的目的。在一 些實(shí)施例中，出口頭116和管式反應(yīng)器殼體102包括法蘭系統(tǒng)，如圖IB和圖IC中的放大視 圖所示。如圖IC所示，適合的法蘭系統(tǒng)包括配合圓周法蘭136和138，其中配合圓周法蘭 136、138分別連接至出口頭116和管式反應(yīng)器殼體102的底部。法蘭136、138可以具有法 蘭136、138接合時(shí)接觸的配合面140、142。在一些實(shí)施例中，法蘭136、138可以為管式反應(yīng) 器殼體102和/或管板106的延伸部分?？蛇x地，配合面140、142可以包括一個(gè)或多個(gè)額外的配合特征，其并在組裝期間 可以幫助對(duì)準(zhǔn)在正確的相對(duì)位置上的出口頭116和管式反應(yīng)器殼體102。一種這種類型的 對(duì)準(zhǔn)特征為圓周舌榫組件。如圖IC所示，法蘭138可以包括可以裝配到法蘭136中的對(duì) 應(yīng)的凹陷槽146中的凸起舌144。在一些實(shí)施例中，為了更容易組裝，槽146可以稍微比舌 144寬。在各種實(shí)施例中，凸起舌144可以位于法蘭138中，對(duì)應(yīng)的凹陷槽146可以位于法 蘭136中。此外，雖然圖IC中未示出，但襯墊材料139可以被包含在槽146內(nèi)，以幫助密封 管式反應(yīng)器100。另外，其它類型的引導(dǎo)件可以結(jié)合到法蘭系統(tǒng)中，包括引導(dǎo)銷孔配置。
如在此討論的，管式反應(yīng)器100的直徑可以在例如從2米至20米或更大的范圍 內(nèi)。由于反應(yīng)器100的尺寸，對(duì)于許多原因來說，管式反應(yīng)器殼體102和出口頭116的相對(duì) 熱膨脹或收縮可能變成了重要 的設(shè)計(jì)考慮。例如，由于插入件124的設(shè)置，出口頭116的出 口頭殼體122可以至少部分地與反應(yīng)產(chǎn)物氣體熱絕緣。因此，尤其是在啟動(dòng)、關(guān)閉和工藝顛 倒期間，出口頭殼體122可以周期性地處于與管式反應(yīng)器殼體102不同的溫度。溫度差可 能導(dǎo)致管式反應(yīng)器殼體102和出口頭殼體122的熱膨脹程度不同，并且由于設(shè)備的直徑大， 可以產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。這種應(yīng)力可能導(dǎo)致法蘭處的密封扭曲和破壞。在一些情況中，設(shè)備 可能被熱應(yīng)力損壞。由于熱應(yīng)力導(dǎo)致對(duì)設(shè)備的損壞的可能性，本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例將出口頭殼體 122保持在與管式反應(yīng)器殼體102的溫度近似相等的溫度。采用多種方法可以將所述溫度 保持為大致相等。例如，通過向出口頭殼體122的表面施加強(qiáng)制的加熱或冷卻氣體，可以提 供加熱和/或冷卻。采用包含在出口頭殼體122中的電阻線圈也可以提供加熱。在一些實(shí)施例中，傳熱流體可以被引導(dǎo)至出口頭殼體122。經(jīng)由套管(例如，位于 出口頭殼體122的內(nèi)表面和/或外表面上)，和/或通過在出口頭殼體122內(nèi)穿過的和/或 在出口頭殼體122的內(nèi)表面和/或外表面上的導(dǎo)管，可以施加傳熱流體。在各種實(shí)施例中，可以包括溫度控制系統(tǒng)，例如包括響應(yīng)于出口頭殼體122的溫 度而操作溫度控制系統(tǒng)的溫度測量裝置。另外，可以包括多種抽吸系統(tǒng)或致動(dòng)系統(tǒng)，其可以 響應(yīng)于例如出口頭殼體122和管式反應(yīng)器殼體102之間的溫度差來產(chǎn)生傳熱流體流。在一些實(shí)施例中，將出口頭殼體122和管式反應(yīng)器殼體102的溫度保持在大致相 等的溫度的方法，包括使出口頭殼體122與也被用來控制管式反應(yīng)器100內(nèi)部的溫度的傳 熱流體接觸。如在此討論的，傳熱流體可以被引入管式反應(yīng)器100，以提供溫度控制。例如， 可以引入傳熱流體，以控制在反應(yīng)器管104內(nèi)發(fā)生的放熱反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，和/或用來向 所述反應(yīng)提供熱量。在操作期間，由于管式反應(yīng)器殼體102與傳熱流體接觸，因此管式反應(yīng)器殼體102 的溫度可以接近近似于管式反應(yīng)器100內(nèi)部的傳熱流體的溫度。因此，通過使傳熱流體循 環(huán)成接觸出口頭殼體122，可以使出口頭殼體122的溫度與管式反應(yīng)器殼體102的溫度大致 相同。因此所述兩部分的熱膨脹和/或收縮可以近似地匹配，并且與兩部分之間熱膨脹差 相關(guān)的應(yīng)力、扭曲和/或泄露可以被最小化。此外，為了使管式反應(yīng)器殼體102和出口頭殼體122的熱膨脹和收縮匹配，這兩部 分可以由相同的材料形成，或者可以由具有類似的線性熱膨脹系數(shù)的不同材料形成。因?yàn)橛捎诤唵蔚赝ㄟ^使相同的傳熱流體循環(huán)至兩個(gè)部件可以獲得管式反應(yīng)器殼 體102和出口頭殼體122之間的近似的溫度匹配，所以使來自反應(yīng)管100的傳熱流體與出 口頭殼體122接觸降低了對(duì)分立的溫度控制系統(tǒng)的需求。圖ID示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的用于將傳熱流體運(yùn)輸至出口頭殼體122的導(dǎo) 管系統(tǒng)的實(shí)施例。在圖ID中，傳熱流體可以通過管式反應(yīng)器殼體102中的端口 134被從管 式反應(yīng)器排出。被排出的流體隨后可以通過泵150穿過導(dǎo)管148，并進(jìn)入一系列額外的導(dǎo)管 152。額外的導(dǎo)管152可以與多個(gè)半管154流體連通，使得傳熱流體可以進(jìn)入半管154并向 出口頭殼體122提供冷卻或加熱。另外，如圖ID所示，傳熱流體還可以引導(dǎo)至法蘭136、138，使得整個(gè)法蘭區(qū)域上的溫度也被均衡。傳熱流體隨后可以通過出口導(dǎo)管156從半管154排出，并且示出的實(shí)施例中，被循環(huán)至鼓158。在一些實(shí)施例中，如本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的，被循環(huán)至鼓158的傳熱 流體可以通過垂直的內(nèi)豎管的方式被引導(dǎo)至鼓158，以避免沖擊(hammering)。此外，各種 導(dǎo)管154可以包括用于平衡和/或另外地控制通過導(dǎo)管154和/或在導(dǎo)管154之間的傳熱 流體的流的各種設(shè)備。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的管式反應(yīng)器200的實(shí)施例。如圖2所 示，如在此討論的，管式反應(yīng)器200包括包圍包含反應(yīng)器管204的空間的外部殼體202。此 夕卜，如在此討論的，頂部管板和底部管板208可以將管子204保持在管式反應(yīng)器殼體202內(nèi) 的合適位置上。端口 234進(jìn)入管式反應(yīng)器殼體202，用于傳熱流體的引導(dǎo)和排出。另外，工 藝氣體可以通過進(jìn)口頭中的進(jìn)口進(jìn)入管式反應(yīng)器200。如圖2所示，出口頭216可以經(jīng)由可選擇的法蘭236和238被可拆卸地連接至管 式反應(yīng)器殼體202，但出口頭216被永久地連接至管式反應(yīng)器殼體202上也是可以的。如果 出口頭216是可拆卸的，則如果需要的話，可以使用用于將出口頭216的溫度保持與管式反 應(yīng)器殼體202的溫度近似相等的方法，以防止熱膨脹差，如在此討論的那樣。如圖所示，插入件224可以位于出口頭216內(nèi)，占據(jù)了由出口頭216限定的頭空間 212的中心區(qū)域?？梢圆捎弥T如多種類型的托架和支撐件之類的任何合適的結(jié)構(gòu)將插入件 224支撐在出口頭216內(nèi)的合適位置上。如圖所示，插入件224可以被定位在出口頭216內(nèi)，因此在反應(yīng)管204的出口端和 插入件224之間存在空間260，以允許反應(yīng)產(chǎn)物氣體進(jìn)入出口頭216。空間260可以將插入 件224與出口頭216分開，從而提供了工藝氣體通過其可以流向出口 220的限制路徑。進(jìn) 入出口頭216的反應(yīng)產(chǎn)物氣體可以接觸插入件224的頂部，并沿箭頭262的方向徑向向外 流動(dòng)，在此處它們進(jìn)入空間260，并向下流向出口 220。圖2A為沿圖2中的線2A截取的管式反應(yīng)器200的俯瞰視圖。通過環(huán)形空間266 的氣體速度相對(duì)于不存在插入件224的情況下的速度可以被增加，從而減小了滯留時(shí)間， 并減少副產(chǎn)物的形成和停滯區(qū)域。在一些實(shí)施例中，與不具有插入件224的出口頭216相 比，滯留時(shí)間可以減少達(dá)40%。在示出的實(shí)施例中，插入件224可以是中空的或?qū)嵭牡?，然而，通過包括中空插入 件224，與實(shí)心插入件224相比，可以減小質(zhì)量和降低成本。在這種實(shí)施例中，插入件224可 以填充有惰性氣體(例如，氮?dú)?。如圖2所示，出口頭216可以包括除插入件224之外的額外插入件263。在該實(shí)施例中，額外插入件263可以為分流板264。如在此使用的，"分流板"表示定位在出口頭空 間212中的非穿孔板，用于引導(dǎo)流出反應(yīng)管204的反應(yīng)產(chǎn)物氣體流和/或快速混合出口頭 空間212中的反應(yīng)產(chǎn)物氣體以降低熱點(diǎn)和/或停滯區(qū)域的出現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，出口頭 216可以包括多個(gè)分流板264。如圖2中箭頭所示，定位在反應(yīng)管204的出口下面的大體水平位置上的分流板264 可以將來自反應(yīng)管204的在管式反應(yīng)器200的外圍上的反應(yīng)產(chǎn)物氣體流引向插入件224。 此外，定位在水平分流板264下面的大體垂直位置和傾斜位置的分流板265可以被穿孔，并 且在反應(yīng)產(chǎn)物氣體在水平分流板264和插入件224附近流動(dòng)并且流過穿孔分流板265時(shí)可 以快速混合所述反應(yīng)產(chǎn)物氣體。
如在此討論的那樣，在一些實(shí)施例中，出口頭216可以被可拆卸地連接至管式反 應(yīng)器殼體202，以允許接近管式反應(yīng)器100的內(nèi)部，用于諸如維護(hù)、修理和/或催化劑去除 和/或更換等的目的。在這種實(shí)施例中，由于出口頭216可以在例如更換反應(yīng)管204的催 化劑時(shí)被卸下，插入件224和/或分流板264、265可以被永久定位在出口頭216內(nèi)。然而，在一些實(shí)施例中，出口頭216可以焊接至管式反應(yīng)器殼體202。在這種實(shí)施 例中，可以設(shè)置人行通道(manways)，以允許人進(jìn)入出口頭216，進(jìn)行維護(hù)、修理和/或催化 劑去除和/或更換。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，當(dāng)出口頭216設(shè)置有足夠人進(jìn)入 出口頭216的空間時(shí)，出口頭空間212的尺寸增加，出口頭216中的滯留時(shí)間增加，并且熱 點(diǎn)形成和可能的后續(xù)點(diǎn)火和/或副產(chǎn)物形成的風(fēng)險(xiǎn)增加。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的管式反應(yīng)器300的實(shí)施例。如圖3所示，出口 頭316被焊接至管式反應(yīng)器殼體302，并且出口頭316足夠大，以適合人366在出口頭空間 312中。為了降低流出出口頭316中的管子304的反應(yīng)產(chǎn)物氣體的滯留時(shí)間，插入件324可 以定位在出口頭316中。在這種實(shí)施例中，如圖3所示，以片狀形式將插入件324帶進(jìn)到出 口頭316中，并在出口頭316中被組裝。由于插入件324在出口頭316中被由分離片組裝，則可能的是，所述片將不接合在 一起以形成不透過流體的密封。此外，可能的是，所述片將不能承受組裝時(shí)的全部工藝壓 力。同理，在一些實(shí)施例中，惰性氣體(例如，甲烷、氮?dú)?可以流入插入件324和出口頭殼 體322之間的空間312中，從而在空間312中保持正的壓力，以防止反應(yīng)產(chǎn)物氣體進(jìn)入空間 312或使進(jìn)入空間312的反應(yīng)產(chǎn)物氣體最小。如圖所示，圖3中示出的實(shí)施例包括至少部分地定位在出口頭316中的熱交換器 332。如在此討論的那樣，熱交換器332可以用來快速地冷卻流出反應(yīng)器管304的反應(yīng)產(chǎn)物 氣體。在一些實(shí)施例中，出口頭316不包括熱交換器332，并且插入件324被構(gòu)造為盡可能 快地將反應(yīng)產(chǎn)物氣體流引導(dǎo)向出口320。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明公開內(nèi)容的實(shí)施例的管式反應(yīng)器400的實(shí)施例。如在此討 論的那樣，在一些實(shí)施例中，出口頭416可以被永久連接(例如，焊接)至管式反應(yīng)器殼體 402。在這種實(shí)施例中，出口頭空間412足夠大，允許人進(jìn)入出口頭416，用于維護(hù)、修理和/ 或催化劑去除和/或更換。同理，與具有定位在出口頭416中的插入件的可拆卸出口頭416 的實(shí)施例相比，出口頭空間412具有增加的體積。如圖4所示，在一些實(shí)施例中，管式反應(yīng)器400可以包括插入件，其中該插入件為 分流板464。分流板464可以直接定位在反應(yīng)管404底部的下面，并且可以具有穿孔構(gòu)造。 同理，可以強(qiáng)制流出反應(yīng)管404的反應(yīng)產(chǎn)物氣體在底部管板408和分流板464之間水平地 流動(dòng)，因此在“熱點(diǎn)的”管子404和常溫管子404之間實(shí)現(xiàn)氣體的快速混合。反應(yīng)產(chǎn)物氣體 也可以流過分流板464中的少量穿孔，并進(jìn)入出口頭空間412中。通過快速混合反應(yīng)產(chǎn)物 氣體，形成在反應(yīng)管404中的熱氣體可以與來自其它反應(yīng)管404的冷氣體快速地混合，從而 減少熱點(diǎn)的發(fā)生。在這種實(shí)施例中，分流板464可以由小得足夠適合通過人行通道468的片形成，并 可以被栓接到出口頭416中的合適的位置上。此外，為了避免出口頭空間412中的任何停 滯區(qū)域，氣流可以引入出口頭空間412中，以將反應(yīng)產(chǎn)物氣體移向出口頭416中的出口 420。在一些實(shí)施例中，出口頭416還可以包括用于再分布出口頭空間412中的反應(yīng)產(chǎn)物氣體的第二分流板464。第二分流板464可以具有穿孔結(jié)構(gòu)，允許反應(yīng)產(chǎn)物氣體流過分流 板464并流入分流板464和出口頭416之間的環(huán)形空間469，因此促進(jìn)沿著出口頭416的壁 的正向流動(dòng)，并降低催化劑灰塵的積聚。本發(fā)明的前述實(shí)施例的操作期間使用的工藝氣體可以為能 夠在管式反應(yīng)器內(nèi)反 應(yīng)的任何材料或材料的混合物。在一些實(shí)施例中，工藝氣體可以為制造烯烴氧化物，特別是 乙烯氧化物的氣體混合物。制造烯烴氧化物的工藝氣體可以包括至少一種烯烴(優(yōu)選乙 烯)、氧氣、以及可選的期望提供反應(yīng)控制的其它氣體(例如鹵代烷(alkyl halide)、N0X化 合物等)。工藝可以在超大氣壓力(如1. 01巴絕對(duì)壓力至28. 5巴絕對(duì)壓力)下操作。此 夕卜，管式反應(yīng)器內(nèi)的工藝溫度可以控制在50至310°C范圍內(nèi)，盡管這可以根據(jù)特定工藝而 改變。在乙烯氧化物制造工藝的情況中，反應(yīng)管包含合適的氧化催化劑，例如銀催化劑，其 可以被支撐并可以包含一種或多種助催化劑，或可以與一種或多種助催化劑聯(lián)合使用。應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)以說明的方式進(jìn)行了上述描述，但不是限制性的描述。雖然已經(jīng)在 此示出并描述了特定的實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于顯示出的特定的實(shí)施 例，也可以用其它的部件配置進(jìn)行替換。除了由現(xiàn)有技術(shù)限定的范圍之外，權(quán)利要求是要覆 蓋本發(fā)明公開內(nèi)容的各種實(shí)施例的這樣的修改或變形。在前述具體實(shí)施方式
中，為了簡化本發(fā)明公開內(nèi)容的目的，各種特征被集合到示 例性的實(shí)施例中。不是要將本發(fā)明公開內(nèi)容的方法解釋成反映任何權(quán)利要求需要多于在權(quán) 利要求中所明確引述的特征的特征的意圖。更確切地說，如隨附的權(quán)利要求所反映的，創(chuàng)造 性的主題在于少于單個(gè)公開的實(shí)施例的所有特征。因此，隨附的權(quán)利要求在此處被結(jié)合到具體實(shí)施方式
中，其中每個(gè)權(quán)利要求獨(dú)立地作為本發(fā)明的單獨(dú)的實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種管式反應(yīng)器，所述管式反應(yīng)器包括被布置在管式反應(yīng)器殼體內(nèi)的多個(gè)大體平行的反應(yīng)管，所述反應(yīng)管被間隔開，使得在操作期間傳熱流體能夠在所述反應(yīng)管之間流動(dòng)，并且在所述反應(yīng)管和所述傳熱流體之間傳遞熱量；進(jìn)口頭，所述進(jìn)口頭被靠近所述管式反應(yīng)器殼體定位，且限定了進(jìn)口頭空間，其中所述進(jìn)口頭空間與所述反應(yīng)管的進(jìn)口端流體連通，以及出口頭，所述出口頭被靠近所述管式反應(yīng)器殼體定位，且包括出口頭殼體和被定位在由所述出口頭所限定的出口頭空間內(nèi)的至少一個(gè)插入件，其中所述插入件限定了出口頭空間，所述出口頭空間相對(duì)于由所述出口頭所限定的出口頭空間體積被減小，并且其中所述體積被減小的出口頭空間與所述反應(yīng)管的出口端流體連通并與反應(yīng)器出口流體連通。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中與由所述出口頭所限定的出口 頭空間相比，所述體積被減小的出口頭空間的體積至少減小約40%。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述出口頭殼體與從所述反應(yīng) 管的出口端進(jìn)入所述出口頭空間的反應(yīng)產(chǎn)物氣體至少部分地?zé)峤^緣。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述出口頭被可拆卸地連接至 所述管式反應(yīng)器殼體。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述管式反應(yīng)器還包括用于將 傳熱流體引入所述管式反應(yīng)器殼體并與所述反應(yīng)管接觸的傳熱流體進(jìn)口和用于使傳熱流 體從所述管式反應(yīng)器中排出的傳熱流體出口。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中從所述管式反應(yīng)器中排出的所 述傳熱流體被使得與所述出口頭殼體接觸，以將所述出口頭殼體保持在與所述管式反應(yīng)器 殼體的溫度大致相等的溫度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述出口頭包括熱交換器，所 述熱交換器被至少部分地位于所述出口頭內(nèi)，以冷卻流出所述反應(yīng)管的反應(yīng)產(chǎn)物氣體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述管式反應(yīng)器包括位于所述 出口頭外面的第二熱交換器，其中所述第二熱交換器被靠近地連接至被至少部分地設(shè)置在 所述出口頭內(nèi)的所述熱交換器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述插入件占據(jù)由所述出口頭 所限定的所述空間的中心部分，并在所述出口頭空間中快速混合流出所述反應(yīng)管的反應(yīng)產(chǎn) 物氣體。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述插入件為分流器板。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的管式反應(yīng)器，其中所述分流器板由在所述出口 頭空間內(nèi)部被組裝成穿孔構(gòu)造的多個(gè)分流器板部分形成。
12.—種操作管式反應(yīng)器的方法，所述方法包括下述步驟使工藝氣體流過被布置在管式反應(yīng)器殼體內(nèi)的多個(gè)大體平行的反應(yīng)管，其中所述工藝 氣體在所述管中反應(yīng)以形成反應(yīng)產(chǎn)物氣體；使傳熱流體流入所述管式反應(yīng)器殼體，其中所述傳熱流體能夠在所述反應(yīng)管之間流 動(dòng)，并在所述反應(yīng)管和所述傳熱流體之間傳遞熱量；將出口頭可拆卸地連接至所述管式反應(yīng)器殼體，其中所述出口頭限定出口頭空間，所述出口頭空間與所述反應(yīng)管的出口端流體連通，并包括出口頭殼體；使所述反應(yīng)產(chǎn)物氣體從所述管流入所述出口頭中，其中所述出口頭殼體與所述反應(yīng)產(chǎn) 物氣體至少部分地?zé)峤^緣；以及將所述出口頭殼體保持在與所述管式反應(yīng)器殼體的溫度大致相等的溫度。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述出口頭和管式反應(yīng)器殼體包括 配合法蘭，并且將所述出口頭可拆卸地連接至所述管式反應(yīng)器殼體的步驟包括使所述管式 反應(yīng)器殼體和所述出口頭的法蘭相配合。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法包括將所述出口頭和所述 管式反應(yīng)器殼體的配合法蘭大致維持在所述管式反應(yīng)器殼體的溫度。
15.一種工藝，所述工藝包括在一定條件下使工藝氣體流過管式反應(yīng)器，以便在所述管式反應(yīng)器的反應(yīng)管中發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)，以形成預(yù)期的反應(yīng)產(chǎn)物氣體，其中所述管式反應(yīng)器包括布置在管式反應(yīng)器殼體內(nèi)的多個(gè)大體平行的反應(yīng)管，其中所述反應(yīng)管被間隔開，使得 在操作期間傳熱流體能夠在所述反應(yīng)管之間流動(dòng)，并且在所述反應(yīng)管和所述傳熱流體之間 傳遞熱量；和出口頭，所述出口頭被可拆卸地連接至所述管式反應(yīng)器殼體，并且限定了與所述反應(yīng) 管的出口端和反應(yīng)器出口流體連通的出口頭空間，所述出口頭包括與被包含在所述出口頭 空間中的工藝氣體至少部分地?zé)峤^緣的出口頭殼體；其中所述出口頭殼體的溫度被保持為與所述管式反應(yīng)器殼體的溫度大致相等。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于管式反應(yīng)器的設(shè)備、方法和工藝，該管式反應(yīng)器包括被布置在管式反應(yīng)器殼體內(nèi)的多個(gè)大體平行的反應(yīng)管，所述反應(yīng)管被間隔開，使得在操作期間傳熱流體能夠在所述反應(yīng)管之間流動(dòng)，并且在所述反應(yīng)管和所述傳熱流體之間傳遞熱量；進(jìn)口頭，所述進(jìn)口頭限定了進(jìn)口頭空間，其中所述進(jìn)口頭空間與所述反應(yīng)管的進(jìn)口端流體連通，以及出口頭，所述出口頭包括出口頭殼體和被定位在由所述出口頭所限定的出口頭空間內(nèi)的至少一個(gè)插入件，其中所述插入件限定了出口頭空間，所述出口頭空間相對(duì)于由所述出口頭所限定的出口頭空間體積被減小，并且其中所述體積被減小的出口頭空間與所述反應(yīng)管的出口端流體連通并與反應(yīng)器出口流體連通。
文檔編號(hào)B01J12/00GK101990457SQ200880121782
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者伯尼·B·奧斯本, 佛瑞德·A·康尼維, 克拉倫斯·P·斯特德維澤, 哈維·E·安德烈森, 唐納德·L·庫爾 申請(qǐng)人:陶氏技術(shù)投資有限公司