CN105107434A - 一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，包括反应器外壳(5)、换热板对束(6)、换热介质分配总管(10)、换热介质分配支管(11)、换热介质收集总管(3)和换热介质收集支管(4)，反应器外壳(5)设有反应物料进口(1)、反应物料出口(8)、换热介质进口(9)和换热介质出口(2)，换热板对束(6)由多组子换热板对束组成，每组子换热板对束一端通过换热介质分配支管(11)和对应的换热介质分配总管(10)连接换热介质进口(9)，另一端通过换热介质收集支管(4)和对应的换热介质收集总管(3)连接换热介质出口(2)。与现有技术相比，本发明具有体积小、催化剂装填方便、换热效率高、结构灵活的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴向反应器，尤其是涉及一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器。
背景技术
环氧丙烷是生产聚醚、丙二醇、异丙醇胺、丙烯醇、非聚醚多元醇等的重要原料，目前环氧丙烷的生产方法主要有氯醇法、间接氧化法(共氧化法)、异丙苯法和过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷法。氯醇法主要缺点是使用有毒氯气，设备腐蚀严重并污染环境；间接氧化法对原料质量要求高，且工艺冗长，投资规模大；异丙苯法实质仍是一种共氧化法。过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷法则是一种流程简单、副产物少和绿色无污染的直接氧化法生产环氧丙烷的新工艺，该工艺是在中温、低压和液相条件下在甲醇溶剂中用过氧化氢催化丙烯环氧化生产环氧丙烷。
目前该双氧水法制环氧丙烷的新型反应器常用的为列管式反应器，催化剂装填在管内，冷却水走反应器壳程。由于反应放热多，列管的传热系数不高，需要较多的换热面积，且由于管心距等限制因素，反应器体积较大；催化剂装填在列管内，通常一个反应器内列管数量有成千上万根，催化剂装卸工作量大，检漏维修等较为复杂；在提高单台设备产量时，列管式反应器往往面临压降大、热点温度高以及体积过大等问题。
双氧水法制环氧丙烷反应器进料有液相和气液相进料两种情况，即有进料预混合和无进料预混合两种进料方式。尤其对于气液相分别进料，没有进料预混合，由于进入反应器后混合时间和空间有限，导致进入催化剂床层时物料不均匀，若采用列管式反应器，不均匀的物料立即被细分成成千上万个小单元，每根管内的反应情况均不一样，严重影响产品性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种体积小、催化剂装卸方便、结构灵活、可进行多反应串联的用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，包括反应器外壳、换热板对束、换热介质分配总管、换热介质分配支管、换热介质收集总管和换热介质收集支管，所述的反应器外壳设有反应物料进口、反应物料出口、至少一个换热介质进口和至少一个换热介质出口，其特征在于，所述的换热板对束由多组子换热板对束组成，每组子换热板对束一端通过换热介质分配支管和对应的换热介质分配总管连接反应器外壳的换热介质进口，另一端通过换热介质收集支管和对应的换热介质收集总管连接反应器外壳的换热介质出口；所述换热板对束在反应器轴向至少包括一段，各段换热板对束的换热板对数量、间距和形状相互独立且可调节。由于子换热板对束分别对应各自的换热介质分配总管和换热介质收集总管，从而减小换热板对中换热介质在水平方向的流动行程，使水平方向换热均匀。
所述的换热板对束整体呈圆柱体状，所述的多组子换热板对束在水平方向将换热板对束分割为二等分结构、四等分结构、多等分结构或同心圆结构，子换热板对束中的换热板对是由两块金属板通过多点焊接形成。
所述的二等分结构为两组呈半圆柱体形的子换热板对束，一组子换热板对束中的换热板对与另一组子换热板对束中的换热板对平行；
所述的四等分结构为四组呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置，不同组的子换热板对束中的换热板对相互平行或垂直；
所述的多等分结构为五组以上的呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置。
所述的二等分结构、四等分结构和多等分结构中，换热介质分配总管和换热介质收集总管呈圆弧形。
所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，为换热介质的流通通道，换热板对上两张板片之间可设置多处焊接，焊接方式为点形焊接或条形焊接中的一种或两种，焊点密度范围为100～5000个/㎡，焊接位置交错设置，使板对表面形成凹凸形状；各换热板对底部通口通过换热介质分配支管连接至换热介质分配总管，顶部通口通过换热介质收集支管连接至换热介质收集总管。换热板对一般有几十张到几百张，反应区域被分成几十或几百份，远少于列管式反应器中管子的数量(成千上万根)，反应物料进入催化剂床层后，在催化剂的强烈扰流后，反应物料可以混合均匀。
所述的换热板对底部设置支撑件，顶部设有控制各换热板对间距的换热板定距件，板对间距为10～60mm。
所述的各换热板对内为板程，相邻换热板对之间为壳程，壳程装填催化剂，换热介质走板程，反应物料走壳程。
所述的反应器还包括筒体、上封头、人孔、下封头、原料进口和产物出口。
所述的反应器内催化剂床层可以是一段或者多段。当催化剂床层是一段时，反应器只有一个反应物料进口，一个反应产物出口和一组冷却介质进出口。当催化剂床层为多段时，反应器有多个原料进口，一个产物出口和多组冷却介质进出口
所述的换热板对束从上封头吊装进反应器筒体，由支撑件支撑固定，反应器可以现场组装；催化剂直接从反应器上封头或者人孔逐个向换热板对间进行装填，从下封头卸料口卸出；换热介质可以是气体和水，优选为水。
优选的，当反应器直径小于等于2m时，换热板对束优选二等分结构，2个等分的板对束的排列方向是平行的，共有2个换热介质分配总管和2个换热介质收集总管，可根据需要分别设置1个或2个换热介质进出口；且当反应器直径为2～4m之间时，换热板对束优选四等分结构，4个等分的板对束的排列方向可以是平行，也可以是垂直的，共有4个换热介质分配总管和4个换热介质收集总管，可根据需要分别设置1个或2个换热介质进出口；以此类推，当反应直径继续增大时，从制造和安装角度考虑，相应地，换热板对束优选多等分结构。
本发明用于双氧水制环氧丙烷的新型反应器中，催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程，为反应物料和催化剂的空间，反应物料沿轴向平推流通过催化剂床层；换热介质由分配总管和分配支管进入换热板内即板程，由收集支管和总管集合后排出反应器。
本发明换热板对上的若干焊接交错排列，使冷却介质流体内部剧烈扰动，介质流体一直处于湍流状态，为强制对流换热。反应侧物料在靠近换热元件壁面处，往往会形成液膜，该液膜产生的热阻在反应侧总热阻中占比重非常大。而在该新型板对表面，由于其形状凹凸不平，对液膜形成了积极的扰动作用，得以使液膜更新速度加快，从而减小其热阻，提高反应侧整体的传热系数。
由于双氧水氧化丙烯法制环氧丙烷的适宜温度范围为30～60度，一般用冷却水作为冷却介质，温度范围为30～40度，两侧温差不大，且该反应放热剧烈，约为200～250KJ/mol，所需冷却水的体积流量是反应物料体积流量的近8～14倍左右，而当增大物料处理量时，冷却侧难以将热量及时移走，导致单台反应器的处理量受限。因此采用多段床层式反应器时，便可以设置多次进料，对每一段催化剂床层内，都设有换热板对束，每段床层之间设有换热介质进出口，每段反应产生的热量恰好被每段冷却介质移走，因此分段进料形式可以增加单台反应器的处理量，又不会出现热量大量积累、热点过高现象。
由于该新型反应器没有管板等结构，而是采用总管和支管结构，其排布形式灵活，且不会阻碍催化剂的装卸，反应器可以在水平方向任意划分成几个模块，其结构尺寸由物料分布、制造和安装等决定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)体积小，利于设备大型化：
由于没有类似管心距等要求，板对间距的调整较为灵活，通常该新型反应器的催化剂装填率在60％～90％之间。在同样催化剂装填量、反应器高度相同、板对间距与管径相当即催化剂厚度相同的情况下，保证足够的换热面积，该新型反应器的直径大约是管壳式反应器直径的60～80％左右，体积约是管壳式反应器的40～60％左右，反应器体积大大减小，反应器有扩大空间，能够装载更多催化剂，有利于提高单台反应器产量和设备大型化。
(2)换热效率高：
与原有的整体型换热板对束相比，等分结构的多组子换热板对束中，每组子换热板对束对应一个换热介质分配总管和一个换热介质收集总管，换热板对可平行或垂直，由此可避免由于板对宽度过大，使换热介质分配不均匀的现象，因此取热更均匀；换热板对的交错焊接形式和凹凸不平的表面强化了两侧流体的扰动，增强了换热效率，反应热及时移走，相邻板对之间的温度平缓分布，更接近等温反应，有利于减少副反应的发生，提高反应选择性和收率，延长催化剂的使用寿命，适用于放热剧烈的双氧水法制环氧丙烷反应。
(3)反应器结构有利于进口物料的混合：
当进口气液相物料没有预混合时，由于反应器进口空间有限，所以进反应器床层前，气液相不能完全混合均匀，若将其立即分成成千上万份，每一份的物料必然不一致，影响反应的均匀和产品的性能；而本发明反应器内换热板对一般有几十张到几百张，反应区域被分成几十或几百份，反应物料进入催化剂床层后，在催化剂的强烈扰流后，反应物料可以混合均匀。
(4)单台处理量大：
该新型反应器可以在径向上分为2等分、4等分或者更多等分，因此反应器直径不受板材宽度限制，从而更好地适应于产能大的反应器装置。
该反应器可以采用轴向上多段式，催化剂床层分为多段，换热板对束也分为多段镶嵌其中，每两段催化剂床层之间设有反应物料进口和冷却介质进出口，因此单台反应器原料的处理量增加，反应热量均匀的分布在各段，且被冷却介质及时移走，热点温度低，反应转化率高。
(5)催化剂装填简便：
催化剂装填在该新型反应器壳程，板对与板对之间，板对之间无阻碍，便于装填，板对数量通常在几十或几百，远少于列管数量，装填工作量小。
(6)易于安装、运输和维修：
板式换热组件作为整体，可以直接吊装进反应器，板对两侧没有管板，反应器可以现场组装，减少运输成本；因为换热板对束整体可分成多组子换热板对束，当以子换热板对束形式运输时，运输尺寸小，便于运输；换热板对的数量相对列管事反应器内列管数较少，焊接位置较少，检查和维修工作简单。
附图说明
图1为本发明一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器结构示意图；
图2为本发明换热板对束水平方向上二等分结构俯视示意图；
图3为本发明换热板对束水平方向上四等分结构垂直设置俯视示意图；
图4为本发明换热板对束水平方向上四等分结构平行设置俯视示意图；
图5为本发明用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器内竖直方向上分为多段结构示意图；
附图标记：1为反应物料进口，2为换热介质出口，3为换热介质收集总管，4为换热介质收集支管，5为反应器外壳，6为换热板对束，7为催化剂卸料口，8为反应物料出口，9为换热介质进口，10为换热介质分配总管，11为换热介质分配支管，12为定距件，13为支撑件，14为新鲜物料入口，15为进料分布器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，包括反应器外壳、换热板对束、换热介质分配总管、换热介质分配支管、换热介质收集总管和换热介质收集支管，所述的反应器外壳设有反应物料进口、反应物料出口、至少一个换热介质进口至少一个和换热介质出口，所述的换热板对束6由多组子换热板对束组成，每组子换热板对束一端通过换热介质分配支管11和对应的换热介质分配总管10连接反应器外壳5的换热介质入口，另一端通过换热介质收集支管4和对应的换热介质收集总管3连接反应器外壳5的换热介质出口2，所述的多组子换热板对束在水平方向将反应空间分割；所述换热板对束在反应器轴向至少包括一段，各段换热板对束的换热板对数量、间距和形状相互独立且可调节。所述的换热板对束6整体呈圆柱体状。
如图2所示，本实施例中，多组子换热板对束在水平方向将换热板对束6分割为二等分结构，所述的二等分结构为两组呈半圆柱体形的子换热板对束，一组子换热板对束中的换热板对与另一组子换热板对束中的换热板对平行，换热介质分配总管10和换热介质收集总管3呈圆弧形；由于子换热板对束分别连接各自的换热介质分配总管10和换热介质收集总管3，从而减小换热板对中换热介质在水平方向的流动行程，使水平方向换热均匀。
所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，为换热介质的流通通道，换热板对上两张板片之间可设置多处焊接，焊接方式为点形焊接或条形焊接中的一种或两种，焊接位置交错设置，使板对表面形成凹凸形状；各换热板对底部通口通过换热介质分配支管11连接至换热介质分配总管10，顶部通口通过换热介质收集支管4连接至换热介质收集总管3。
如图2所示，所述的换热板对底部设置支撑件13，该支撑件13为一长条形卡槽；换热板对顶部设有控制各换热板对间距的换热板定距件12，通过调整换热板对底部在支撑件13和顶部定距件12上的卡合位置，调节换热板对的间距。所述的各换热板对内为板程，相邻换热板对之间为壳程，壳程装填催化剂，换热介质走板程，反应物料走壳程。
所述的反应器还包括筒体、上封头、人孔、下封头、原料进口和产物出口。
所述的换热板对束6从上封头吊装进反应器筒体，由支撑件13支撑固定，反应器可以现场组装；催化剂直接从反应器上封头或者人孔逐个向换热板对间进行装填，从下封头卸料口卸出；换热介质可以是气体和水。
本实施反应器由于没有类似管心距等要求，催化剂装填率在60％～90％之间。在同样催化剂装填量、反应器高度相同、板对间距与管径相当即催化剂厚度相同的情况下，能保证足够的换热面积，且反应器直径是管壳式反应器直径的60～80％左右，体积是管壳式反应器的40～60％左右，反应器体积大大减小，反应器有扩大空间，能够装载更多催化剂，有利于提高单台反应器产量和设备大型化。
板式换热组件作为整体，可以直接吊装进反应器，板对两侧没有管板，反应器可以现场组装，减少运输成本，板对数量少；当换热板对束由多组子换热板对束组成时，其更易安装，检查和维修工作简单。
将本实施例反应器用于过氧化氢法制环氧丙烷装置，根据装填催化剂类型的不同,当单台反应器装填量在100m3催化剂左右时，放热量为16～24MW，入口温度控制在25～33℃，出口温度不超过60℃，使用冷却水进行冷却，换热板对间距在10～60mm，双氧水的转化率约为100％，热点温度约为55℃-60℃，满足工艺要求，且效益显著。
实施例2
如图3所示，本实施例中，多组子换热板对束在水平方向将换热板对束6分割为四等分结构，该四等分结构为四组呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置，各子换热板对束中的换热板对相互平行，换热介质分配总管10和换热介质收集总管3同样呈圆弧形。换热板对间距为10～60mm。其余与实施例1相同。
实施例3
如图4所示，本实施例中，多组子换热板对束在水平方向将换热板对束6分割为四等分结构，该四等分结构为四组呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置，与实施例2不同的是，各子换热板对束中，相邻的子换热板对束中的换热板对相互垂直。换热板对间距为10～60mm。其余与实施例2相同。
当反应器直径小于等于2m时，优选使用实施例1的二等分结构；当反应器直径为2～4m之间时，优选使用实施例2或实施例3的四等分结构，以减小换热板对的制造成本，方便安装。
实施例4
如图5所示，催化剂床层为多段，反应器有多个原料进口，一个产物出口和多组冷却介质进出口。本实施例中，反应器各段之间设有新鲜物料入口14和进料分布器15。每一段催化剂床层内，都设有换热板对束6，每段床层之间设有换热介质进出口，每段反应产生的热量恰好被每段冷却介质移走，因此分段进料形式可以增加单台反应器的处理量，又不会出现热量大量积累、热点过高现象。
Claims (10)
1.一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，包括反应器外壳(5)、换热板对束(6)、换热介质分配总管(10)、换热介质分配支管(11)、换热介质收集总管(3)和换热介质收集支管(4)，所述的反应器外壳(5)设有反应物料进口(1)、反应物料出口(8)、至少一个换热介质进口(9)和至少一个换热介质出口(2)，其特征在于，所述的换热板对束(6)由多组子换热板对束组成，每组子换热板对束一端通过换热介质分配支管(11)和对应的换热介质分配总管(10)连接反应器外壳(5)的换热介质进口(9)，另一端通过换热介质收集支管(4)和对应的换热介质收集总管(3)连接反应器外壳(5)的换热介质出口(2)；所述换热板对束(6)在反应器轴向至少包括一段，各段换热板对束(6)的换热板对数量、间距和形状相互独立且可调节。
2.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的多组子换热板对束在水平方向将换热板对束(6)分割为二等分结构、四等分结构或多等分结构，子换热板对束中的换热板对是由两块金属板通过多点焊接形成。
3.根据权利要求2所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的二等分结构为两组呈半圆柱体形的子换热板对束，一组子换热板对束中的换热板对与另一组子换热板对束中的换热板对平行；
所述的四等分结构为四组呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置，不同组的子换热板对束中的换热板对相互平行或垂直；
所述的多等分结构为五组以上的呈扇形体的子换热板对束环绕反应器中心轴设置。
4.根据权利要求3所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的换热介质分配总管(10)和换热介质收集总管(3)呈圆弧形。
5.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，为换热介质的流通通道，换热板对上两张板片之间可设置多处焊接，焊接方式为点形焊接或条形焊接中的一种或两种，焊点密度范围为100～5000个/㎡，焊接位置交错设置，使板对表面形成凹凸形状；各换热板对底部通口通过换热介质分配支管(11)连接至换热介质分配总管(10)，顶部通口通过换热介质收集支管(4)连接至换热介质收集总管(3)。
6.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的换热板对底部设置支撑件，顶部设有控制各换热板对间距的换热板定距件，板对间距为10～60mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的各换热板对内为板程，相邻换热板对之间为壳程，壳程装填催化剂，换热介质走板程，反应物料走壳程。
8.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的反应器还包括筒体、上封头、人孔、下封头、原料进口和产物出口。
9.根据权利要求1所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的反应器内催化剂床层可以是一段或者多段，当催化剂床层是一段时，反应器只有一个反应物料进口，一个反应产物出口和一组冷却介质进出口，当催化剂床层为多段时，反应器有多个原料进口，一个产物出口和多组冷却介质进出口。
10.根据权利要求6所述的一种用于过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷的新型反应器，其特征在于，所述的换热板对束(6)从上封头吊装进反应器筒体，由支撑件支撑固定，反应器可以现场组装；催化剂直接从反应器上封头或者人孔逐个向换热板对间进行装填，从下封头卸料口卸出；换热介质可以是气体和水，优选为水。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105879790A (zh) * | 2016-06-06 | 2016-08-24 | 江苏怡达化学股份有限公司 | 一种hppo新型反应器 |
| CN107243298A (zh) * | 2017-07-26 | 2017-10-13 | 德艾柯工程技术（上海）有限公司 | 一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器 |
| CN109382045A (zh) * | 2018-04-03 | 2019-02-26 | 青岛科大隆腾科技发展有限公司 | 一种气固相接触催化反应的螺旋板固定床反应器 |
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2015
- 2015-09-02 CN CN201510556469.8A patent/CN105107434A/zh active Pending
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