CN108607475A - 一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，包括多根反应管，所述的反应管中在需要强化传热的部位设有盲管(1)。与现有技术相比，本发明具有强化了传热，避免了过度反应，设计简单，优化了反应器床层轴向和径向温度等优点。

Description

一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器

技术领域

本发明涉及一种反应器，尤其是涉及一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器。

背景技术

草酸二甲酯加氢反应放热，有较强的热效应。该反应对温度比较敏感：如果反应温度不够高，产物中原料和中间产物乙醇酸甲酯过多，表现为加氢不足；而温度过高，则过加氢产物乙醇和1,2-丁二醇含量上升。为节能降耗，生产中需要优化操作条件，尤其是对温度的控制，在提高原料转化率的同时，也要控制中间产物和过加氢产物的浓度；同时要使得单位床层体积的生产能力尽可能地高。为高效移除反应热，现有草酸二甲酯加氢固定床装置一般采用列管式反应器和蒸汽夹套移热，目前有两种代表性的反应管尺寸：一种是粗管，其内径为70mm；一种是细管，其内径是38mm。

对圆柱形反应管而言，单位床层体积的导热面积与反应管直径成反比。因此，与细反应管相比，粗反应管(内径70mm)的移热效率更低，受传热速率限制，其单位床层体积的最大生产能力更低；同时，由于粗反应管有更大热阻，其径向温度梯度更显著。导致在实际生产中粗管反应器生产负荷更低，而且操作窗口更窄。尤其是高活性催化剂的单位床层体积放热量更高，如果采用粗反应管，则中心区的温升会过高，导致在靠近反应器出口的区域出现反应管中心区过加氢，而边缘区加氢仍不足的现象。后果是出现最终产物中，加氢不足和加氢过度产物均过高的最差工况。

另一方面，从反应器床层轴向上看，理想的床层温度分布应该是前高后低：在入口段反应尚不充分，此时反应热导致的床层温升有利于提高催化活性，少移热可提高床层的转化率，还不会导致过加氢副反应；而在反应器出口段，由于主反应接近结束，温度过高只会加快过加氢的副反应，此时应该缩短停留时间，同时加快移热。因此，反应器设计应该针对该反应的特点进行优化，使反应器前后段具备不同的移热能力，达到提高反应转化率、抑制副反应的效果。

对现成的工厂而言，如果更换反应器其成本和施工难度较大，而催化剂则会不断改进，活性更高，选择性和稳定性也更好。但新催化剂的优越性能往往不能与原有反应器结构和尺寸匹配，导致新催化剂的效能难以发挥。

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草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，包括多根反应管，所述的反应管中在需要强化传热的部位设有盲管。

进一步地，所述的盲管占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果。

所述的盲管设置在反应管中心位置，盲管为变径盲管，其直径与对应位置需要移热的量呈正比。盲管直径可根据移热要求和催化剂填充颗粒大小变化。例如活性越高的催化剂，中心盲管占据的体积也越大，但要考虑反应管剩余的环型空隙与催化剂颗粒大小相匹配。催化剂颗粒大小和形状则根据对催化活性、副反应、扩散限制、压降、制造成本等因素综合考虑后确定。其次，根据反应特点，可以缩短盲管长度，或者在不同高度位置采用不同外径尺寸。例如，对前段需要升温后段需要移热的草酸酯加氢反应，可以在反应管入口段不装或采用管径较细的盲管，而在反应器中段及后段，盲管的外径分步放大。如果反应在前段过于激烈，而在后段热效应消失，反应不够充分，此时则将需要反向设计，即入口的盲管外径最大，中段和后段变细，甚至在后段取消盲管。

进一步地，所述的盲管的结构包括上小下大变径盲管或上大下小变径盲管。

进一步地，所述的上小下大变径盲管包括呈上小下大的锥体状结构；或者由多个内径不同的圆柱体按照从上到下内径依次增大连接构成；或者由多个内径不同圆锥体和圆柱体从上到下内径依次增大组合连接构成；所述的上大下小变径盲管包括呈上大下小的倒锥体状结构；或者多个内径不同的圆柱体照从上到下内径依次减小连接构成；或者由多个内径不同圆锥体和圆柱体照从上到下内径依次减小组合连接构成。

所述的盲管安装在反应管顶部或底部。盲管两端分别通过定位爪a与定位爪b进行径向限位，盲管底部还可设置支撑件支撑，支撑件可以为弹簧、支撑架、支撑柱等等。

进一步地，所述的盲管顶部设有十字支撑架，十字支撑架的中心点与盲管顶部连接，其四个端点固定于反应管上，十字支撑架为盲管提供轴向的向上拉力。

所述的盲管顶部设有锥形帽，使得填充时催化剂均匀分散。

为减轻重量，盲管内部中空，壁厚可根据反应压力设计，一般为1.5-3mm之间，端口处密封焊死密封；盲管为中空结构或填充满耐热的惰性物质，如酸洗过的高纯度细沙、碳化硅等，或者安装内支撑架，以抵抗外压。

所述的反应管内径d₁＝60～80mm，通常对内径较大的反应管加设盲管。

所述的盲管采用与反应管相同的材料或采用化学惰性材料为降低制作盲管的成本，在对反应结果无害的前提下，也可采用封闭式铝合金型材作为填充的盲管。

与现有技术相比，本发明提供了一种对现有粗反应管的进行改造的方法，在现有的每根反应管中心位置安装一根盲管，在不更换反应器、不降低产能和劣化反应指标的前提下，充分发挥高活性催化剂的效能，大大提高该反应工艺的经济性；盲管的外径、长度、安装位置均可以根据调节热负荷的需要优化，选择合适区域安装盲管，可减少该区域催化剂填充量和床层截面积，使得物料在该区域的流速加大，停留时间缩短；用盲管占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果，在强化传热的同时，减少了反应强度，避免了过度反应；该反应器该设计简单，但能达到同时优化反应器床层轴向和径向温度分布的效果，即使不更换催化剂，也能明显改善反应效果和获得更大操作弹性，对活性越好的催化剂，提升效果越明显。

附图说明

图1为本发明中反应管的结构示意图；

图2为本发明中定位爪的分布的反应管结构示意图；

图3为本发明中设有由细变粗两段式盲管的反应管结构示意图；

图4为本发明中设有由细变粗三段式盲管的反应管结构示意图；

图5为本发明中设有上端具有提杆的盲管的反应管结构示意图；

图6为本发明中设有由粗变细两段式盲管的反应管结构示意图；

图7为本发明中局部设有盲管的反应管结构示意图；

图8为本发明中反应管上端的一种结构示意图；

图9为本发明中反应管上端的另一种结构示意图。

图中：1、盲管，2、定位爪a，3、定位爪b，4、弹簧，5、锥形帽，6、十字支撑架，7、提杆。

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。

实施例1

一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，包括多根反应管，反应管中在需要强化传热的部位设有盲管1。盲管1占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果。如图1，盲管1设置在反应管中心位置，盲管1呈圆柱体状，其顶部设有锥形帽5，使得填充时催化剂均匀分散。盲管1内部中空，壁厚可根据反应压力设计，一般为1.5-3mm之间，端口处密封焊死密封；盲管1采用与反应管相同的材料或采用化学惰性材料为降低制作盲管1的成本，在对反应结果无害的前提下，也可采用封闭式铝合金型材作为填充的盲管。

盲管1两端分别通过定位爪a 2与定位爪b 3进行径向限位，定位爪a 2与定位爪b3结构相同，包括三个相互之间呈120度夹角的支脚，如图2所示。盲管1底部由弹簧4支撑，使盲管1占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果。

新一代催化剂的本征活性比原催化剂高一倍左右，催化剂颗粒大小为3.6mm等高圆柱。考虑到传质限制，制成颗粒时，工业催化剂的活性约为原颗粒的1.5倍。装填体积可以设计为原来的2/3，则中心盲管体积反应管体积的1/3，对应的盲管直径为40mm左右，盲管高度与反应器等高，如图1所示。此时的效果主要是降低了径向温度梯度，扩大了操作窗口，可以在更大温度、压力、氢酯比、流速下操作，而不影响目的产物及乙二醇的选择性。减少了催化剂用量1/3，但投料量和转化率不变，而乙二醇得率提高了1-2％。中心区最高温度降低10℃。

实施例2

草酸二甲酯加氢制乙二醇在当前催化工艺条件下为放热反应，反应器采用列管式反应器，反应管内径为d₁＝60～80mm。此时反应管前段需要进行移热后段需要移热，当前段的移热量需求较小时，前段采用管径较细的盲管1，而在反应器中段及后段，盲管1的外径分步放大，如图3所示，盲管1由两个直径不同的圆柱体上下设置构成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，两个圆柱体过渡区设置锥台形的连接管，该锥形的边缘斜率与温升的梯度相对应。最终降低中心区温升5-10℃，减少中间产物20-40％，降低过加氢产物10-50％，导致目的产物的得率提高1-2％，而催化剂空速可以提高50％-100％。由于催化剂效率得到提升，可以将原有的两个一组串联的反应器改成两组并联的反应器，用一个反应器达到原有两个反应器的效果，或者减少了20％的催化剂用量。

实施例3

当需要进行多段不同移热量操作时，可设置多段变径盲管，其有2～3种直径，如图4所示，多段变径盲管1顶部最细，底部最粗。上段30％的外径为10mm，中段30％为20mm，下段40％为40mm，段之间过渡区为锥形缩管。此时结果最优。催化剂用量减少20％左右，时空产率提高1倍，从0.3kg乙二醇/kg cat/h，提高到0.6kg乙二醇/kg cat/h以上，得率从96％提高到98％，最高温度点降低了5℃。

实施例4

区别于实施例2，当草酸二甲酯加氢制乙二醇反应在前段使用活性较低，选择性较高的催化剂时，前段对热量的需求较大，因此不必进行移热，可将前段管径较细的盲管1改为提杆7，如图5所示，使得前段获得的热量增加，催化反应活性增强。

实施例5

区别于实施例2，反应在前段过于激烈，而在后段热效应消失，反应不够充分，此时则将需要反向设计，即入口的盲管1外径最大，中段和后段变细，即由多个内径不同圆圆柱体照从上到下内径依次减小组合连接构成，如图6所示，或者可缩短盲管长度如图7所示。

实施例6

当盲管较重时，盲管1顶部设置十字支撑架6，如图8与9所示，十字支撑架6的中心点与盲管1顶部连接，其四个端点固定于反应管上，十字支撑架为盲管1提供轴向的向上拉力。

实施例7

对反应器中部分安装有固定式多点温度计测管的反应管，不用另加盲管，只需要安装外径与盲管一致的温度计测管即可。

实施例8

当反应压力较高时，将盲管1的中空结构填充入耐热的惰性物质，如酸洗过的高纯度细沙、碳化硅等，或者安装内支撑架，以抵抗外压。

盲管1的结构可以为上小下大变径盲管或上大下小变径盲管；上小下大变径盲管包括呈上小下大的锥体状结构；或者由多个内径不同的圆柱体按照从上到下内径依次增大连接构成；或者由多个内径不同圆锥体和圆柱体从上到下内径依次增大组合连接构成等多种不同结构，盲管的外径、长度、安装位置均可以根据调节热负荷的需要优化。其宗旨在于用盲管占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果。其次，选择合适区域安装盲管，可减少该区域催化剂填充量和床层截面积，导致物料在该区域的流速加大，停留时间缩短；在强化传热的同时，减少了反应强度。其效果是抑制了该区域的热效应、避免了过度反应。该设计简单，但能达到同时优化反应器床层轴向和径向温度分布的效果。即使不更换催化剂，也能明显改善反应效果和获得更大操作弹性，而其另一个优势是对活性越好的催化剂，提升效果越明显。

Claims (10)

1.一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，包括多根反应管，其特征在于，所述的反应管中在需要强化传热的部位设有盲管(1)。

2.根据权利要求1所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)占据反应管中热阻最大、温升最高的反应区，有减低床层热阻，均化床层径向温度的效果。

3.根据权利要求1所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)设置在反应管中心位置，盲管(1)为变径盲管，其直径与对应位置需要移热的量呈正比。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)的结构包括上小下大变径盲管或上大下小变径盲管。

5.根据权利要求4所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的上小下大变径盲管包括呈上小下大的锥体状结构；或者由多个内径不同的圆柱体按照从上到下内径依次增大连接构成；或者由多个内径不同圆锥体和圆柱体照从上到下内径依次增大组合连接构成；

所述的上大下小变径盲管包括呈上大下小的倒锥体状结构；或者多个内径不同的圆柱体照从上到下内径依次减小连接构成；或者由多个内径不同圆锥体和圆柱体从上到下内径依次减小组合连接构成。

6.根据权利要求1所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)安装在反应管顶部或底部。

7.根据权利要求6所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)两端分别通过定位爪a(2)与定位爪b(3)进行径向限位，盲管(1)底部还可设置支撑件。

8.根据权利要求6所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)顶部设有十字支撑架(6)，十字支撑架(6)的中心点与盲管(1)顶部连接，其四个端点固定于反应管上，十字支撑架为盲管(1)提供轴向的向上拉力。

9.根据权利要求1所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)顶部设有锥形帽(5)，使得填充时催化剂均匀分散。

10.根据权利要求2所述的一种草酸二甲酯加氢制乙二醇用反应器，其特征在于，所述的盲管(1)为中空结构或填充满耐热的惰性物质，盲管(1)壁厚为1.5-3mm，端口处密封；

所述的反应管内径d₁＝60～80mm；

所述的盲管(1)采用与反应管相同的材料或采用化学惰性材料。