专利名称：乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器。
背景技术：
苯乙烯是最重要的基本有机化工原料之一，用于制造聚苯乙烯PS和EPS、ABS和SAN 等共聚物树脂、苯乙烯/丁二烯共聚胶乳SB、 丁苯橡胶和胶乳SBR、不饱和聚酯以及其它 如苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯胶乳、甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯共聚物MBS、离子交换树 脂和药物等。
苯乙烯生产工艺中精馏部分的关键在于乙苯和苯乙烯的分离，由于乙苯和苯乙烯的沸 点差很小，常压下相差仅9摄氏度，因此，为分离乙苯/苯乙烯(一般要求塔顶苯乙烯<2%， 塔釜乙苯〈500PPm)，工业上乙苯/苯乙烯分离塔常采用负压操作，分离塔理论板数在80 块以上，回流比>6.5
由于乙苯/苯乙烯分离塔在负压条件下操作，塔顶温度较低，通常乙苯/苯乙烯分离塔 塔顶操作压力为6 40千帕(绝压)，对应的操作温度为60 103摄氏度。对于乙苯/苯乙烯 分离塔来说，塔压的降低有利于降低回流比，减少蒸汽和冷却水的消耗，但是由于塔顶温 度低(<100摄氏度)，大量低温热难以采用发生蒸汽等常规方法加以回收利用。即使乙苯/ 苯乙烯分离塔采用高真空操作(塔顶压力<10千帕(绝压))，乙苯/苯乙烯分离塔系统的操作 能耗仍然很高，其低压蒸汽用量占整个苯乙烯单元的30%以上，冷却水用量也占整个苯乙 烯单元的近35%，综合能耗占苯乙烯单元的30 40%。
为充分回收乙苯/苯乙烯分离塔塔顶大量的低温热，美国专利US.4628136公开了一种 乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热量的回收方法，该方法利用塔顶蒸汽来蒸发乙苯和水的共沸 混合物，乙苯和水的共沸混合物在蒸发后送至乙苯脱氢反应系统。该方法需要乙苯/苯乙烯 分离塔塔顶在足够高的压力下操作，才能保证有足够的温差来蒸发乙苯和水的混合物。
我们知道，乙苯和水的混合物能形成共沸物，据文献报道，25%摩尔浓度的乙苯和75% 摩尔浓度的水形成的混合物在一定压力下共沸温度最低，而对乙苯脱氢制苯乙烯反应来 说，乙苯和水的共沸物必须具有一定压力，用于克服反应系统及后续冷却系统的压降，工业装置上乙苯和水的共沸混合物压力一般在92千帕(绝压)以上，对应的最低共沸温度在90 摄氏度以上，因此采用这种方法回收乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热量，必需提高塔顶压力，使 得塔顶热回收换热器获得足够的换热温差。
然而提高乙苯/苯乙烯塔塔顶操作压力，意味着乙苯/苯乙烯塔塔釜温度也相应提高， 温度的上升导致苯乙烯的聚合速率增加，从而带来直接的苯乙烯收率损失，对于苯乙烯单 体来说，根据实验数据及文献介绍，苯乙烯在100摄氏度以上时，温度每上升6 7摄氏 度，苯乙烯聚合速率约增加1倍，因此，从经济性考虑，为避免苯乙烯聚合损失和昂贵的 阻聚剂用量的大幅增加，乙苯/苯乙烯塔塔顶操作压力不宜太高。
综合考虑以上两种因素，在回收塔顶大量低温热量的同时，塔釜苯乙烯聚合也不宜大 量增加，因此塔顶操作压力必需在一个狭窄的范围操作。事实上，采用该方法的工业装置 塔顶操作压力通常低于40千帕(绝压)，塔顶温度最高在103摄氏度左右，塔顶热回收换热 器的换热温差在2 10摄氏度之间，这对于乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换热器的操作提 出了较高要求， 一方面，塔顶气体为真空操作，在换热温差小压降低的前提下要使换热管 受热均匀；另一方面，乙苯和水必需混合均匀，否则无法形成低温共沸物而蒸发，据文献 报道，乙苯在90千帕(绝压)压力下沸点为132摄氏度，而水为97摄氏度，如果两者混合 不均匀，在此压力下乙苯根本无法气化而回收塔顶热量。
工业装置上，该乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换热器由于乙苯和水混合效果不佳和换 热管受热不均等原因，换热效果并不理想，无法达到充分回收塔顶大量低温热量的目的， 甚至影响了装置的正常运行。解决这个问题的关键在于既要在低换热温差的条件下达到高 换热效率(传热系数)，又要保证乙苯和水的快速充分混合。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是以往技术中存在的塔顶热回收换热器壳程压降大， 乙苯和水混合不均，无法充分回收塔顶低温热的问题，提供一种新的乙苯/苯乙烯分离塔塔 顶低温热回收换热器。该换热器具有壳程压降小，管程乙苯和水混合效果好，塔顶低温热 回收充分的特点。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下 一种用于乙苯/苯乙烯分离塔 塔顶低温热回收的换热器，该换热器包括立式管壳体和夹套，管壳体自上而下依次由上管
箱i、壳体n和下管箱m组成，上下管箱均为空心箱体，上管箱i分别设置有供排出液体和 气体的出口，下管箱m内设置有喷口倾斜向下的分布器，分布器与需喷淋的第一种液体进 口相连通，另外在下管箱m内分布器下方还设置有供第二种液体进料的进口，壳体n内均匀地设置有换热管，换热管与上下管箱III相连通，壳体II四周外部设置有外部封闭的夹套， 夹套上开有供气体进料的进口，被夹套包住的壳体II相应部分，四周均匀地开有分布槽， 使从夹套上进口中进料的气体能够均匀地进入壳体II内与换热管内的物流进行换热。
上述技术方案中，换热器壳体n外设有夹套，夹套长度为换热器壳体n长度的i/5 4/5，优选范围为i/3 2/3，夹套至换热器壳体n距离为塔顶气体通过夹套与换热器壳体n
之间流道流速2 30米/秒所需的距离，优选范围为保持流速为5 20米/秒所需的距离；
被夹套包住的壳体n相应部分四周均匀地开有气体分布槽，气体分布槽总面积为塔顶气体
通过流速为2 25米/秒所需的面积，优选范围为保持流速为5 15米/秒所需的面积；换 热器下管箱III内设有圆环形或树枝排管型液体进口分布器，该分布器沿圆周或排管均布小 孔或喷头，小孔或喷头的开孔直径和数量为第一种液体通过小孔保持流速1 10米/秒所需 的直径和开孔数量，优选范围为保持流速4 8米/秒所需的开孔直径和数量；进口分布器 四周均布小孔或喷头，小孔或喷头的方向为面向第二种液体进口 80度 -80度之间，优选 范围为60度 -60度之间；换热器下管箱III内第二种液体进口前方设有单级挡板分布器， 挡板为平板或圆锥形单级挡板，圆锥形单级挡板的圆锥角为90 175度，优选范围为120 150度，单级挡板的侧向环隙面积为该液体通过分布器环隙时保持平均流速为0.1 2米/ 秒所需的面积，优选范围为保持流速为0.2 1米/秒所需的面积；换热器下管箱III内的第 二种液体进口方向与第一种液体的进口方向相对，优选为自下而上方向；管程两种混合液 体经换热后气相和液相分别离开换热器，其中液相出口位于气相出口的下部，液相出口为 2 4个，气相出口为1 2个，沿换热器出口管箱均布；壳程未凝气出口位于换热器壳体 II上部，数量为2 4个，沿壳体II均布；夹套上部开有排气口，下部开有放清口。
本实用新型通过采用图1的换热器技术方案，换热器壳体II外设有夹套，塔顶气体进
入夹套后，再通过夹套内壳体n四周开有的气体均布槽进入壳体n，这样保证塔顶气体流 经夹套和气体均布槽后能均匀进入换热器主体和换热管内的乙苯/水的混合物换热，使得每 根换热管在大部分长度上有相同的换热温差，从而提高换热效率，同时气体均布槽的存在 也能降低换热器壳程的压降。而一般换热器通常只能在换热管一端(靠塔顶气进口处)能维 持一定温差，在本身温差较小的条件下，换热管大部分长度温差很小，造成整个换热器换 热效果不佳。同时，本实用新型还在换热器下管箱m内设有单级挡板的水进口分布器和圆 环形乙苯进口分布器，水进口分布器和乙苯进口分布器的存在，能使乙苯和水快速均匀的 混合，进入每根换热管的混合物都有相同比例的乙苯和水，在一定压力下每根换热管都有 相同的共沸温度，保证乙苯和水的混合物能得到充分换热蒸发而回收塔顶气体热量，使用本实用新型的换热器技术方案，换热器回收热量最高达到了塔顶气全部冷凝热量的86%， 换热器壳程压降仅为2千帕，达到了较好的技术效果。
图1为采用本实用新型技术方案的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热量回收换热器的示意图。
图i中，i为换热器上管箱，n为换热器壳体，in为换热器下管箱，i为外部封闭的 换热器壳体夹套，2为位于被夹套包住的壳体n相应部分四周上的气体均布槽，3为具有
单级挡板的液体进口分布器，4为圆环形液体进口分布器，5为位于夹套上的气体进口， 6 为第一种液体进口， 7为第二种液体进口， 8为壳程未凝气出口， 9为壳程凝液出口， 10 为夹套放气口， ll为夹套放清口， 12为管程液相出口， 13为管程气相出口， 14为锥形分 布器圆锥角，15为换热管下面通过实施例对本实用新型作进一步的阐述。
具体实施方式
实施例1
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，其乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换 热器采用图1的技术。进入塔顶热回收换热器的塔顶气体流量为82850千克/小时，压力为 38千帕(绝压)，温度102摄氏度，塔顶气重量百分组成为苯0.8%，甲苯3.5%,乙苯93.9%， 苯乙烯1.5%，非芳0.5%，塔顶低温热回收换热器乙苯进料量为75000千克/小时，水进 料量为38000千克/小时，乙苯和水共沸出口压力为100千帕(绝压)，共沸温度92摄氏度， 换热器平均换热温差为7摄氏度。塔顶热回收换热器结构为壳程直径2400毫米，换热 管长5000毫米，换热管外直径25毫米，换热管数7200根，换热器壳体夹套直径3000毫 米，长3000毫米，气体均布槽为长条形，长1700毫米，宽200毫米，共16个沿壳体I1 均布，气体通过分布槽的流速为4米/秒，水进口分布器为圆锥形单级挡板，圆锥角为150 度，直径600毫米，中心距离水进口 IOO毫米，水通过分布器环隙时流速为0.3米/秒，乙 苯进口分布器为圆环形，上面开直径3毫米的小孔600个，2排对称分布，与中心夹角30 度向下，水通过小孔的喷射速度为5米/秒。
该换热器回收热量为6000千瓦，达到塔顶气全部冷凝热量的85%，换热器壳程压降 为2千帕。
实施例2
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，其乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换热器采用图l的技术。进入塔顶热回收换热器的塔顶气体、液相乙苯和水的各个条件与实 施例1相同，该换热器结构同实施例l，不同的是换热器壳体夹套长2000毫米，气体均布 槽长1000毫米，气体通过分布槽的流速为6.8米/秒。
该换热器回收热量5900千瓦，达到塔顶气全部冷凝热量的83.6%，换热器壳程压降 2.6千帕。
实施例3
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，其乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换 热器采用图l的技术。进入塔顶热回收换热器的塔顶气体、液相乙苯和水的各个条件与实 施例1相同，该换热器结构同实施例1，不同的是圆环形乙苯进口分布器，上面开直径3 毫米的小孔500个，2排对称分布，水通过小孔的喷射速度为6米/秒。
该换热器回收热量6040千瓦，达到塔顶气全部冷凝热量的85.6%,换热器壳程压降2 千帕。
实施例4
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，其乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换 热器采用图l的技术。进入塔顶热回收换热器的塔顶气体、液相乙苯和水的各个条件与实 施例1相同，该换热器结构同实施例1，不同的是水进口圆锥形单级挡板分布器圆锥角为 120度，直径600毫米，中心距离水进口 200毫米，水通过分布器环隙时流速为0.2米/秒。
该换热器回收热量5960千瓦，达到塔顶气全部冷凝热量的84.4%，换热器壳程压降2 千帕。
实施例5
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，其乙苯/苯乙烯分离塔塔顶热回收换 热器采用图l的技术。进入塔顶热回收换热器的塔顶气体压力为40千帕(绝压)，温度103 摄氏度，换热器平均换热温差为8摄氏度，其他条件及换热器结构同实施例1。
该换热器回收热量6050千瓦，达到塔顶气全部冷凝热量的86%，换热器壳程压降1.9千帕。
比较例1
某10万吨/年苯乙烯装置(年操作时数8000小时)，乙苯/苯乙烯分离塔及塔顶热回换热器操作条件与实施例l相同，不同的是塔顶热回收换热器采用一般换热器型式，换热器结 构为壳程直径3000毫米，换热管长6000毫米，换热管数9000根，立式管壳式结构。 该换热器回收热量5000千瓦，为塔顶气全部冷凝热量的70%，换热器壳程压降5千帕。
权利要求1、一种用于乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收的换热器，该换热器包括立式管壳体和夹套，管壳体自上而下依次由上管箱I、壳体II和下管箱III组成，上下管箱均为空心箱体，上管箱I分别设置有供排出液体和气体的出口，下管箱III内设置有喷口倾斜向下的分布器，分布器与需喷淋的第一种液体进口相连通，另外在下管箱III内分布器下方还设置有供第二种液体进料的进口，壳体II内均匀地设置有换热管，换热管与上下管箱III相连通，壳体II四周外部设置有外部封闭的夹套，夹套上开有供气体进料的进口，被夹套包住的壳体II相应部分，四周开有分布槽，使从夹套上进口中进料的气体能够进入壳体II内与换热管内的物流进行换热。
2、 根据权利要求i所述乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热 器壳体n外设有夹套，夹套长度为换热器壳体n长度的i/5 4/5;夹套至换热器壳体n距离为塔顶气体通过夹套与换热器壳体II之间流道流速2 30米/秒所需的距离；被夹套包住的壳体n相应部分四周均匀地开有气体分布槽，气体分布槽总面积为塔顶气体通过流速为 2 25米/秒所需的面积。
3、 根据权利要求2所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热器壳体n外设有夹套，夹套长度为换热器壳体n长度的i/3 2/3;夹套至换热器壳体n距离为塔顶气体通过夹套与换热器壳体II之间流道流速5 20米/秒所需的距离；被夹套包住的壳体n相应部分四周均匀地开有气体分布槽，气体分布槽总面积为塔顶气体通过流速为5 15米/秒所需的面积。
4、 根据权利要求l所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热器下管箱m内设有圆环形或树枝排管型液体进口分布器，该分布器沿圆周或排管均布小 孔或喷头，小孔或喷头开孔直径和数量为第一种液体通过小孔保持流速i io米/秒所需的直径和开孔数量；小孔或喷头的方向为面向第二种液体进口 80度 -80度之间。
5、 根据权利要求4所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热器下管箱in内设有圆环形或树枝排管型液体进口分布器，该分布器沿圆周或排管均布小孔或喷头，小孔或喷头的开孔直径和数量为第一种液体通过小孔保持流速4 8米/秒所需 的直径和开孔数量；小孔或喷头的方向为面向第二种液体进口 60度 -60度之间。
6、 根据权利要求l所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热器下管箱ni内第二种液体进口前方设有单级挡板分布器，挡板为平板或圆锥形单级挡板，圆锥形单级挡板的圆锥角为90 175度，单级挡板的侧向环隙面积为该液体通过分布器环隙时保持平均流速为o.i 2米/秒所需的面积；换热器下管箱m内的第二种液体进口方向与第一种液体的进口方向相对。
7、 根据权利要求6所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于换热器下管箱III内第二种液体进口前方设有单级挡板分布器，挡板为平板或圆锥形单级挡板，圆锥形单级挡板的圆锥角为120 150度，单级挡板的侧向环隙面积为该液体通过分布器环隙时保持平均流速为o.2 i米/秒所需的面积；换热器下管箱ni内的第一种液体进口方向为自下而上，第二种液体的进口方向为自上而下。
8、 根据权利要求l所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于管程两种混合液体经换热后气相和液相分别离开换热器，其中液相出口位于气相出口的下部，液相出口为2 4个，气相出口为1 2个，沿换热器出口管箱均布。
9、 根据权利要求l所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于壳程未凝气出口位于换热器壳体n上部，数量为2 4个，沿壳体n均布。
10、 根据权利要求1所述的乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，其特征在于夹套上部开有排气口，下部开有放清口。
专利摘要本实用新型涉及一种乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收换热器，主要解决以往技术中存在的换热器壳程压降大，乙苯和水混合不均，无法充分回收塔顶低温热的问题。本实用新型通过采用一种包括立式管壳体和夹套的换热器，壳体四周外部设置有外部封闭的夹套，夹套上开有供气体进料的进口，被夹套包住的壳体相应部分，四周均匀地开有分布槽的技术方案，较好地解决了该问题，可用于乙苯/苯乙烯分离塔塔顶低温热回收工业的生产中。
文档编号B01D3/26GK201299985SQ200820060919
公开日2009年9月2日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者刘文杰, 张忠群, 松 林, 缪长喜 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院