丙烯酸反應器研制

西安航天華威化工生物工程有限公司，副總經(jīng)理丙烯酸反應器研制邰向陽趙仕哲(西安航天華威化工生物工程有限公司)一、前言丙烯酸最早是以丙酮和醋酸熱分解所得的乙烯酮與甲醛發(fā)生反應制備的，后來又采用乙炔、水或乙醇以及CO為原料制得，但這些工藝均被丙烯氣相催化法所替代。目前，丙烯氣相氧化制丙烯酸，是丙烯酸的主要生產(chǎn)方法，并且全部采用氣相固定床氧化法，根據(jù)各專利持有者催化劑性能的不同，反應器中反應管的規(guī)格、數(shù)量以及反應器的形式也有所差我國丙烯酸生產(chǎn)始于20世紀60年代，當時裝置均采用丙烯腈水解法，規(guī)模小、品種少。經(jīng)過50余年的發(fā)展，在裝置的研究和制造方面我們已經(jīng)不再完全依賴進口，國內(nèi)裝置的設計和制造能力得到了很大的提高，尤其是近幾年來的迅速發(fā)展，國產(chǎn)丙烯酸反應器研制能力從2001年的6000噸/年、2004年的30000噸/年，到2005年已提高至60000噸/年，2010年80000噸/年丙烯酸反應裝置再次研制成功。目前，裝置的研發(fā)加工能力再次飛躍發(fā)展，規(guī)模已提高至十萬噸/年以國產(chǎn)丙烯酸裝置的飛速發(fā)展，不僅離不開國內(nèi)各有關(guān)企業(yè)和研究院所的不懈努力研究，離不開相關(guān)丙烯酸生產(chǎn)企業(yè)的果斷決策與應用，同時也離不開設備制造企業(yè)在設備加工和制造過程中的不斷鉆研和對先進、專用設備的引進。西安航天華威化工生物工程有限公司在國產(chǎn)丙烯酸裝置的氧化設備的制造方面，進行了大量的研究與設備投入，使我國丙烯酸反應器的制造技術(shù)趕上了世界先進水平，也將我國大型固定床反應器制造水平向前大大的推進了一步。反應器的溫差包括徑向與軸向溫差，溫差越小反應器運行越平穩(wěn)。但是，溫差太小又會帶來新的問題，諸如能耗提高等，不符合節(jié)能環(huán)保的理念，這就需要與催化劑廠商溝通，使其給出一個催化劑能夠承受的合理溫差范圍，這樣既可保證產(chǎn)品質(zhì)量，又達到了節(jié)能的效果。為了保證達到最佳效果，華威公司借助航天流體計算與模擬軟件，對裝置的運行 2013丙烯酸及衍生物高峰論壇效果進行了驗證，加速了研發(fā)進度。反應器熔鹽流道的設計是反應器設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于各反應管內(nèi)反應條件相同，管外熔鹽若能均勻傳熱，就可保證各反應管在相同的溫度分布曲線下運行。目前國反應器熔鹽環(huán)行流道形式主要為環(huán)行流道與反應器殼體同心，在反應器殼體上開有等距、不等尺寸的方孔。通過對熔鹽環(huán)道及折流板的計算，有效保證了反應器內(nèi)部的徑向溫差。以下簡單列舉，當然，還有其他因素需要考慮，此處就不再贅述。一般反應器外形如圖1,左邊為第一反應器外形，右邊為第二反應器，反應器主要分為主體段、上下熔鹽環(huán)道與上反應器有2臺熔鹽泵時殼體開孔的規(guī)律，如圖2示。熔鹽的均勻分布首先是熔鹽進入列管束之前和離開列管束后的均勻分布，即采取適當措施使其進入列管束之前和離開列管束后能夠沿圓周方向各開孔具有相同的質(zhì)量流量和相同的靜壓，如圖3第一反應器圖1反應器簡圖第二反應器圖22臺熔鹽泵時的反應器殼體開孔(窗)規(guī)律(上環(huán)道)(下環(huán)道)(上環(huán)道)圖32臺熔鹽泵時的環(huán)道對環(huán)道采用等量分流、等量合流的計算方法，是目前環(huán)道設計中較佳的設計方法，可有效保證徑向溫差。折流板的計算，也是直接影響徑向溫差的主要因素：圖4環(huán)盤形折流板反應器設計中另一個重點就是折流板的設計，在大型反應器設計中，由于內(nèi)部熔鹽循環(huán)是大流量、低揚程，所以折流板的形式一般采用環(huán)盤形設計(如圖4),折流板上開孔的大小和規(guī)律決定了反應器設計性能的好壞，錯流式殼程折流板的設計，關(guān)鍵是計算熔鹽在反應器殼程各處的靜壓及熔鹽流過反應管與管板之間的環(huán)隙的阻力系數(shù)。要計算殼程各處的靜壓，首先是熔鹽流過管束的壓力損失，可計算單排管的壓力損失，再乘以管排數(shù)，計算公式如下： 2013丙烯酸及衍生物高峰論壇N管—管排數(shù)，△p管—側(cè)流穿縫阻力系數(shù)按下式計算：已知折流板兩側(cè)的壓差(P1-P2)又知側(cè)流穿縫阻力系數(shù)，根據(jù)下式可計算環(huán)孔的尺寸：根據(jù)計算，在上下折流板上設計的開孔，開孔形式可按以下兩種：圖6折流板小孔分布的一種形式圖7折流板小孔分布的另一種形式2、蒸汽的利用、節(jié)能環(huán)保由于丙烯氧化制丙烯酸是放熱反應，裝置規(guī)模越大，熱量的集中利用效果就越明顯。做好蒸汽的綜合利用，對于丙烯酸裝置節(jié)能增效意義非凡。一套8萬噸丙烯酸裝置，每小時可產(chǎn)2MPa的蒸汽40余噸，對于這些蒸汽，可以按照由高向低的等級逐級利用，把余熱充分利用完。或者如果有需要更高等級的蒸汽，如3MPa、4MPa、5MPa等，也可以采用一反冷卻段與反應段汽包分置的方法，提高蒸汽的利用效率。3、知識產(chǎn)權(quán)保護(專利等)丙烯酸在我國的發(fā)展歷史并不長，但發(fā)展的速度十分驚人。對于大型丙烯酸裝置，根據(jù)其裝置特點，我們作為專業(yè)的反應器生產(chǎn)廠家，申請了一批相關(guān)專利，如翅片冷卻式兩段床反應器、殼程多腔式多層床反應器等，使丙烯酸廠家有了更多的選擇。4、關(guān)于移熱設備(熔鹽冷卻器)隨著反應裝置規(guī)模的不斷增大，移熱設備熔鹽冷卻器的形式也發(fā)生了變化，從汽包內(nèi)置式改為汽包外置式。熔鹽冷卻器在大型裝置中采用汽包外置式，這種設計操控簡單，幾臺鹽冷共用一個汽包，控制汽包的液位即可，操控性好，同時蒸汽品質(zhì)穩(wěn)定。大型丙烯酸反應器的制造，離不開先進的自動化裝備。從管板的拼焊到熱處理，從管板的車加工到管板的制孔，從反應管與管板的焊接到焊后焊縫的檢測，無不體現(xiàn)了自動化的身影。我們的裝備制造業(yè)也正在經(jīng)歷著從單一的手工制造向現(xiàn)代化、機械化、自動化的近進過程，在此基礎上，反應器等設備的規(guī)模、性能才得以大幅度提升，才能使我國的裝節(jié)約大型設備的制造運輸成本，對于節(jié)約成本，降低設備的制造費用也至關(guān)重要。對于大型因烯酸反應器，整體運輸運費已占到了設備造價的30%甚至更多。同時運輸難度急劇增加、運輸周期也無法保證、我們就要考慮新的方案了。圖10大型反應器的汽運方案六萬噸以上丙烯酸反應器的主要難點就在于第一反應器的制造和運輸方案，對于第一反應器為三管板的丙烯酸反應器，如果設備的管長控制在4200m以內(nèi)，就國內(nèi)目前的公路運輸條件來說，設備的直徑大小不存在運輸問題；我們可采用在制造廠完成反應段和冷卻段的組焊。設備整體運輸?shù)接脩衄F(xiàn)場，預留熔鹽環(huán)道。封類的運輸方案。設備到現(xiàn)場后，再進行熔鹽環(huán)道和上下封頭的組對工作。如果設備的曾長超過4200mm,而直徑又超過4200m,我們就需采用其它辦法，如在滿足運輸限制條件的情況下將零部件運輸?shù)接脩衄F(xiàn)場，最后在用戶現(xiàn)場進行設備的整體組裝。對于用戶現(xiàn)場整體組裝的方案，我們經(jīng)過多次經(jīng)驗的積累，提出了幾套相應的解決方案，如；建臨時廠房，改建倉庫等，確保大型反應器組的制造工藝條件，也為更大型裝備的制造提供了好的參考，積累了寶貴的經(jīng)驗。三、丙烯酸反應器組發(fā)展的方向與目標化工裝置的發(fā)展都是以大型化，節(jié)能化為終極目標。當然，在特定階段也有特定階段的發(fā)展目標，大型化。節(jié)能化只能在這個過程中不斷完需，今天，八萬噸/年丙烯酸反應裝置成功運行了，我們還期