一種大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]丁二烯是生產(chǎn)丁苯橡膠SBR、ABS樹脂、聚丁二烯橡膠BR等的基本原料，也是生產(chǎn)己二腈、氯丁二烯、環(huán)丁砜、乙烯基環(huán)己烯等化學(xué)品的關(guān)鍵中間體，用途廣泛。丁烯氧化脫氫是生產(chǎn)丁二烯的一種重要方法，丁烯主要通過如下的主反應(yīng)部分氧化脫氫生成丁二烯:
[0003]C4H8+0.502 = C4H6+H20
[0004]丁烯和丁二烯分別通過如下副反應(yīng)進(jìn)一步氧化生成副產(chǎn)物CO2:
[0005]C4H8+602 = 4C02+4H20
[0006]C4H6+5.502 = 4C02+3H20
[0007]丁烯氧化脫氫制丁二烯是在大量水蒸汽存在下，丁烯與空氣中的氧氣在催化劑作用下進(jìn)行脫氫反應(yīng)，生成丁二烯和水。丁烯氧化脫氫反應(yīng)的主要影響因素有反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、水烯比、氧烯比等。因為丁烯氧化脫氫制丁二烯為放熱反應(yīng)，為保護(hù)催化劑和控制反應(yīng)溫度，反應(yīng)過程中需要引入大量的水蒸汽，對于單段絕熱式反應(yīng)器來說能耗略高。丁烯氧化脫氫生成丁二烯反應(yīng)，其中氧烯比是關(guān)鍵，不能使原料配比落入爆炸極限內(nèi)，氧氣含量過高會導(dǎo)致副產(chǎn)物二氧化碳的增加，也容易導(dǎo)致飛溫，過低會嚴(yán)重降低丁烯轉(zhuǎn)化率，此外該反應(yīng)對壓力比較敏感，較低的壓力有利于丁烯轉(zhuǎn)化率和丁二烯選擇性的提高，因此如何保證丁烯氧化脫氫反應(yīng)器在適宜的條件下安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
[0008]專利CN103721643B公開了一種Z型即反應(yīng)氣體流動方式為在分流流道和集流流道內(nèi)的流動方向相一致的丁烯氧化脫氫固定床徑向反應(yīng)器，其中分流流道內(nèi)設(shè)置圓錐形導(dǎo)流體，內(nèi)外分布筒為高開孔率，筒體自身不對反應(yīng)氣體實施控制，雖然床層壓降低，但單純依靠圓錐形導(dǎo)流體無法保證流體在徑向反應(yīng)器內(nèi)部的均勻分布，而丁烯氧化脫氫反應(yīng)對流體混合的均勻性要求很高，不僅涉及到反應(yīng)器內(nèi)溫度的穩(wěn)定還有安全性，該反應(yīng)器在丁烯氧化脫氫反應(yīng)體系的可行性還有待工業(yè)應(yīng)用的驗證。
[0009]專利CN102442874A公開了一種恒溫固定床丁烯氧化脫氫制備丁二烯的方法，采用管殼式固定床反應(yīng)器，其中管內(nèi)裝填催化劑，管間采用換熱介質(zhì)移熱，對于丁烯氧化脫氫反應(yīng)的溫度控制來說沒問題，但是該反應(yīng)器的規(guī)模會受到限制，而且管殼式固定床反應(yīng)器的壓降大，無法滿足裝置大型化的要求。
[0010]專利CN101367702公開了一種軸向固定床丁烯氧化脫氫制備丁二烯的方法，其流程為采用兩段軸向固定床反應(yīng)器，丁烯原料、水蒸汽和空氣分段進(jìn)入，反應(yīng)器出口通過加熱水蒸汽而冷卻，達(dá)到下一段反應(yīng)器入口溫度后進(jìn)入下一段反應(yīng)器，但是采用該方法即使是小規(guī)模生產(chǎn)也需要兩臺反應(yīng)器，如需擴(kuò)大產(chǎn)能就需要并聯(lián)多臺反應(yīng)器，從設(shè)備投資及占地面積方面考慮都不經(jīng)濟(jì)。
[0011]專利CN102675027A公開了一種丁烯氧化脫氫制備丁二烯工藝，采用絕熱徑向固定床由丁烯氧化脫氫制備丁二烯，徑向絕熱固定床由三段組成，但是專利未公開反應(yīng)器具體結(jié)構(gòu)。專利CN103071429A與CN103071430A公開了一種用于丁烯氧化脫氫徑向固定床反應(yīng)器，其采用徑向絕熱固定床反應(yīng)器，催化劑裝在分流道與集流道之間。雖然采用徑向固定床反應(yīng)器理論上可以降低床層壓降，但是為了保證反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)的均勻分布，必須采用低開孔率的分布器，勢必導(dǎo)致分布器產(chǎn)生很大的壓降，不能很好的適用于丁烯氧化脫氫反應(yīng)體系。
[0012]目前，工業(yè)上丁烯氧化脫氫制丁二烯裝置普遍采用多個軸向絕熱固定床反應(yīng)器串聯(lián)，雖然反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，但單臺產(chǎn)能受限，而丁烯氧化脫氫制丁二烯體系采用徑向反應(yīng)器進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)主要由于流體均布的問題限制也未見報道，為了改變采用增加反應(yīng)器臺數(shù)來解決生產(chǎn)能力的現(xiàn)狀，開發(fā)新型易于大型化的反應(yīng)器非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]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易于實現(xiàn)大型化、能夠有效控制反應(yīng)溫度、降低床層壓降，從而獲得能量利用率高、生產(chǎn)能力大的大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器。
[0014]本發(fā)明的設(shè)計思路為:通過對丁烯氧化脫氫制丁二烯的本征及宏觀反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行考察，掌握該反應(yīng)體系的反應(yīng)規(guī)律?；谄浞磻?yīng)特性，設(shè)計一種大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器:反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有適用于大直徑反應(yīng)器的進(jìn)口氣體分布器、絕熱催化劑床層、冷激分布器、以及含間接換熱的催化劑床層，在絕熱催化劑床層下端設(shè)置含冷激噴嘴的分布管，分布管距下一催化劑床層保持足夠的距離，為氣體的充分、均勻混合提供空間?；诜磻?yīng)器的直徑較大，為保證流體在徑向的分布均勻通過與反應(yīng)器軸向平行的擋板將絕熱催化床層的橫截面劃分成大小相等的正方形或正三角形，并且在擋板上沿設(shè)置噴嘴。這樣通過進(jìn)口氣體分布器以及冷激分布器、混合空間、擋板保證流體在該反應(yīng)器內(nèi)均勻性，通過分布在催化劑床層下端的冷激噴嘴以及間接換熱裝置來控制、調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度，降低水的使用量節(jié)約能耗，使反應(yīng)器各段催化劑床層達(dá)到最佳反應(yīng)工況，可以極大提高較易放大的軸向固定床反應(yīng)器的單臺產(chǎn)能。
[0015]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體，該反應(yīng)器殼體上部設(shè)置混合裝置，所述的反應(yīng)器殼體內(nèi)至少設(shè)有兩個軸向催化劑床層，至少含有一個直接換熱段;所述的直接換熱段位于兩個軸向催化劑床層之間，冷激流股通入反應(yīng)器殼體內(nèi)的直接換熱段，與其上方軸向催化劑床層反應(yīng)后的出口物料進(jìn)行混合直接換熱后，進(jìn)入其下方軸向催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。
[0016]所述的混合裝置包括側(cè)壁裝有至上而下平行排列的對置式噴嘴的直筒或錐形筒，形成混合空間，原料通過所述的對置式噴嘴進(jìn)入混合裝置，在混合空間內(nèi)充分混合；
[0017]所述的混合裝置下連接進(jìn)口分布器。
[0018]多個軸向催化劑床層至上而下在反應(yīng)器殼體內(nèi)平行排布，各軸向催化劑床層的高度為30?90cm，直徑為750?1200cm，在第一段軸向催化劑床層上端放置瓷環(huán)層，瓷環(huán)層厚度為18?22cm。
[0019]所述的軸向催化劑床層包括絕熱催化床層或絕熱催化床層與含間接換熱催化劑床層的組合，所述絕熱催化床層高度為30?70cm，含間接換熱的催化劑床層高度為50?90cm，所述直接換熱段高度為150?180cmo
[0020]所述的絕熱催化床層包括支撐篩板、上沿帶有噴嘴的擋板和橫梁、催化劑裝填在支撐篩板和橫梁之間，并通過擋板將催化劑劃分為面積相等且相互之間隔離的催化劑床層，該軸向催化劑床層的橫截面劃分成為大小相等的正方形或正三角形。
[0021]所述的含間接換熱催化劑床層包括換熱管、催化劑和換熱系統(tǒng)，換熱管與軸向催化劑床層以平行或垂直方式排布，換熱管內(nèi)通冷卻介質(zhì)或填催化劑，每根換熱管上設(shè)有若干翅片。
[0022]所述的換熱管為軸向換熱管或徑向換熱管；
[0023]當(dāng)換熱管為軸向換熱管時，催化劑裝填于換熱管內(nèi)，冷卻介質(zhì)在換熱管外流動，形成管外通換熱介質(zhì)的換熱系統(tǒng);所述軸向排列的換熱管外側(cè)設(shè)置三片翅片互成120°設(shè)置，每個翅片都指向正三角或同心圓排列的中心點(diǎn)，確保軸向流動反應(yīng)器的換熱效果；
[0024]當(dāng)換熱管為徑向換熱管時，催化劑裝填于換熱管間，冷卻介質(zhì)在換熱管內(nèi)流動，形成管內(nèi)通換熱介質(zhì)的換熱系統(tǒng)，所述徑向換熱管外側(cè)設(shè)置環(huán)形翅片，每片間隔2?3cm，每個環(huán)形翅片都平行于換熱管的橫截面，確保軸向流動反應(yīng)器的換熱效果。
[0025]所述的冷卻介質(zhì)包括熔鹽、脫鹽水或?qū)嵊椭械囊环N。
[0026]所述的直接換熱段包括水平排列帶有冷激噴嘴的冷激物料分布管、氣體分布器、氣體均勻混合的空間，冷激流股通過冷激物料進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的冷激物料分布管后經(jīng)冷激噴嘴與來自直接換熱段上方的軸向催化劑床層的出口物料通過氣體分布器分布，進(jìn)入氣體均勻混合的空間，在該空間內(nèi)冷熱流股直接接觸充分混合進(jìn)行換熱，每根冷激物料分布管上的冷激噴嘴間隔為40?80cm;所述的直接換熱段的冷激流股組分為丁烯、空氣和水的混合物或丁烯和空氣混合物。
[0027]所述的反應(yīng)器殼體內(nèi)含有2?5個軸向催化劑床層。
[0028]上述的大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器，可以一臺單獨(dú)使用，為了方便催化劑再生不影響生產(chǎn)，可以多臺并聯(lián)使用，根據(jù)整體工藝要求，可以在兩臺大型軸向多段混合換熱式丁烯氧化脫氫反應(yīng)器之間設(shè)置換熱器，優(yōu)化整體的能耗。