一种螺旋盘管等温反应器及其使用方法与流程

本发明属于化工反应器技术领域，尤其涉及一种适用于液-液非均相放热反应或液-液均相放热反应过程的螺旋盘管等温反应器及其使用方法。

背景技术

在化工反应器领域，强化传质效率与传热效率是反应器优化的重点。cn105854781a公开了一种高效螺旋管式反应器，与列管反应器相比，该反应器增加了传热面积，提高了传热速率。但当反应速率较快，反应热较大时，该反应器不能迅速有效的移走反应热，反应器内部出现热点，影响产品质量。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种原料分布均匀，传热速率高，反应易于控制，目标产物品质好，可确保反应过程在设定的恒温下稳态进行的螺旋盘管等温反应器及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种螺旋盘管等温反应器，包括反应段ⅰ及取热段ⅱ;反应段ⅰ置于取热段ⅱ下端；所述反应段ⅰ的热管工质腔体与取热段ⅱ的热管工质腔体相通。

作为一种优选方案，本发明所述反应段ⅰ包括产物出口、底部封头、反应段筒体、催化剂进料口、原料进料口及热管工质排放口；所述反应段筒体内设有反应内构件；所述原料进料口呈纵向多点分布。

进一步地，本发明所述取热段ⅱ包括取热段筒体、取热介质出口、顶部封头、热管工质注入口、压力调节设备接口及取热介质入口；所述取热介质出口位于取热段筒体上部；取热介质入口位于取热段筒体下部；所述取热段筒体内设有取热内构件。

进一步地，本发明所述反应内构件包括支撑管板、螺旋盘管组、文丘里射流分布管、原料进料支管、原料进料分布管、原料进料总管、催化剂进料分布管、催化剂进料总管及催化剂进料支管；所述螺旋盘管组的底部与支撑管板固定相接；所述文丘里射流分布管固定置于螺旋盘管组之上。

所述催化剂进料总管的一端分别经催化剂进料分布管及催化剂进料支管与文丘里射流分布管的一端口相通；所述催化剂进料总管的另一端与反应段筒体侧壁上的催化剂进料口相通；所述文丘里射流分布管的另一端口与螺旋盘管组的顶部端口相通；

所述原料进料总管的一端分别经原料进料分布管及原料进料支管与文丘里射流分布管缩脉处相通。

进一步地，本发明所述取热段内构件包括热管管板及重力热管；重力热管的两端与热管管板固接；所述热管管板固定设于取热段筒体的内壁。

进一步地，本发明所述重力热管的外壁可带有翅片。

进一步地，本发明所述螺旋盘管组可由4～50组多头螺旋盘管构成；每个多头螺旋盘管由2～6个单头螺旋盘管构成；所述多头螺旋盘管外壁带有翅片。

上述螺旋盘管等温反应器的使用方法，可按如下步骤实施：将热管工质送入反应段ⅰ中螺旋盘管组与反应段筒体之间的腔体内；从催化剂进料口及原料进料口依次加入催化剂及反应原料；化学反应过程在螺旋盘管组内进行；反应热将热管工质汽化，热管工质随即进入取热段ⅱ的重力热管中；热管工质的热量被取热段ⅱ腔体中的取热介质取走后，热管工质液化，随即返回反应段ⅰ热管工质腔体中。

作为一种优选方案，本发明所述热管工质的泡点温度与反应温度相近；通过压力调节设备接口对反应段ⅰ腔体的工作压力进行调整。

进一步地，本发明当反应体系温度较低时，将汽化的热管工质引出，经压缩制冷后再返回反应段ⅰ中螺旋盘管组与反应段筒体之间的腔体内。

本发明反应过程在螺旋盘管内进行，螺旋盘管有效降低流体流动边界层厚度，强化原料与催化剂之间（或原料之间）的混合程度，提高了螺旋盘管内的传热速率。螺旋盘管浸在由热管工质组成的恒温浴中，反应热将热管工质汽化，确保反应过程在设定的恒温下稳态进行。汽化的热管工质在取热段重力热管中将热量传给取热介质，液化后返回恒温浴，完成闭路循环。当反应温度较低时，也可将汽化的热管工质引至反应器外压缩制冷后再返回恒温浴，热管技术相变取热有效提高了螺旋盘管外的传热速率。此外，本发明可实现原料多段进料，进一步控制反应温度，避免出现热点。

本发明强化了反应器的传热速率与传质速率，精准的控制反应温度，提高了反应过程的选择性。具有反应易于控制，原料分布好，产品质量高等特点，可实现高效节能、安全、低碳和环保的连续化生产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1是本发明螺旋盘管等温反应器外形示意图。

图2是本发明反应内构件主视图。

图3是本发明图2中a-a向剖视图。

图4是本发明取热内构件示意图。

图中：1、产物出口；2、底部封头；3、反应段筒体；3-1支撑管板；3-2螺旋盘管组；3-3文丘里射流分布管；3-4、原料进料支管；3-5、原料进料分布管；3-6、原料进料总管；3-7、催化剂进料分布管；3-8、催化剂进料总管；3-9、催化剂进料支管；4、催化剂进料口；5、取热段筒体；5-1、热管管板；5-2、重力热管；6、取热介质出口；7、顶部封头；8、热管工质注入口；9、压力调节设备接口；10、取热介质入口；11、原料进料口；12、热管工质排放口。

具体实施方式

如图1所示，螺旋盘管等温反应器，包括反应段ⅰ及取热段ⅱ;反应段ⅰ置于取热段ⅱ下端；所述反应段ⅰ的热管工质腔体与取热段ⅱ的热管工质腔体相通。

参见图1所示，本发明所述反应段ⅰ包括产物出口1、底部封头2、反应段筒体3、催化剂进料口4、原料进料口11及热管工质排放口12；所述反应段筒体3内设有反应内构件；所述原料进料口11呈纵向多点分布。本发明所述取热段ⅱ包括取热段筒体5、取热介质出口6、顶部封头7、热管工质注入口8、压力调节设备接口9及取热介质入口10；所述取热介质出口6位于取热段筒体5上部；取热介质入口10位于取热段筒体5下部；所述取热段筒体5内设有取热内构件。

本发明所述反应内构件包括支撑管板3-1、螺旋盘管组3-2、文丘里射流分布管3-3、原料进料支管3-4、原料进料分布管3-5、原料进料总管3-6、催化剂进料分布管3-7、催化剂进料总管3-8及催化剂进料支管3-9；所述螺旋盘管组3-2的底部与支撑管板3-1固定相接；所述文丘里射流分布管3-3固定置于螺旋盘管组3-2之上；所述催化剂进料总管3-8的一端分别经催化剂进料分布管3-7及催化剂进料支管3-9与文丘里射流分布管3-3的一端口相通；所述催化剂进料总管3-8的另一端与反应段筒体3侧壁上的催化剂进料口4相通；所述文丘里射流分布管3-3的另一端口与螺旋盘管组3-2的顶部端口相通；所述原料进料总管3-6的一端分别经原料进料分布管3-5及原料进料支管3-4与文丘里射流分布管3-3缩脉处相通。本发明所述取热段内构件包括热管管板5-1及重力热管5-2；重力热管5-2的两端与热管管板5-1固接；所述热管管板5-1固定设于取热段筒体5的内壁。本发明所述重力热管5-2的外壁带有翅片。本发明所述螺旋盘管组3-2由4～50组多头螺旋盘管构成；每个多头螺旋盘管由2～6个单头螺旋盘管构成；所述多头螺旋盘管外壁带有翅片。

本发明通过设置文丘里射流分布管3-3可显著提高原料的均布效果。通过文丘里效应液体原料受限流动在通过缩小的过流断面时，液体原料出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。这种效应会使在高速流动的液体原料附近产生低压，产生吸附作用，从而提高原料的均布性。

上述螺旋盘管等温反应器的使用方法，按如下步骤实施：将热管工质送入反应段ⅰ中螺旋盘管组3-2与反应段筒体3之间的腔体内；热管工质液位高于螺旋盘管组3-2；从催化剂进料口4及原料进料口11依次加入催化剂及反应原料；化学反应过程在螺旋盘管组3-2内进行；反应热将热管工质汽化，热管工质随即进入取热段ⅱ的重力热管5-2中；热管工质的热量被取热段ⅱ腔体中的取热介质取走后，热管工质液化，随即返回反应段ⅰ热管工质腔体中。本发明所述热管工质的泡点温度与反应温度相近；通过压力调节设备接口9对反应段ⅰ腔体的工作压力进行调整。当反应体系温度较低时，将汽化的热管工质引出，经压缩制冷后再返回反应段ⅰ中螺旋盘管组3-2与反应段筒体3之间的腔体内。

参见图1，本发明在具体设计时包括反应段ⅰ及取热段ⅱ；反应段ⅰ置于取热段ⅱ下端，通过法兰与取热段ⅱ相接。反应段ⅰ由产物出口1、底部封头2、反应段筒体3及其反应内构件、催化剂（或其中一种原料）进料口4、原料进料口11及热管工质排放口12组成。原料进料口11可根据工艺需要设置数量为1～10的多段进料。在多段原料进料口11处分别设置上下端口与螺旋盘管组3-2纵向端口相通的文丘里射流分布管3-3，原料进料总管3-6的一端分别经原料进料分布管3-5及原料进料支管3-4与文丘里射流分布管3-3缩脉处相通。

产物出口1焊接在底部封头2下端。催化剂（或其中一种原料）进料口4、多个原料进料口11及热管工质排放口12从上至下依次焊接在反应段筒体3侧壁。底部封头2置于反应段筒体3下端，通过法兰与反应段筒体3相接。

取热段ⅱ由取热段筒体5及其取热内构件、取热介质（水蒸汽）出口6、顶部封头7、热管工质注入口8、压力调节设备接口9、取热介质（冷却水）入口10组成。热管工质注入口8与压力调节设备接口9焊接在顶部封头7上端。取热介质（水蒸汽）出口6与取热介质（冷却水）入口10焊接在取热段筒体5侧壁，取热介质（水蒸汽）出口（6）位于取热段筒体5上部，取热介质（冷却水）入口10位于取热段筒体5下部。顶部封头7置于取热段筒体5上端，通过法兰与取热段筒体5相接。

参见图2，本发明反应内构件由支撑管板3-1、螺旋盘管组3-2、文丘里射流分布管3-3、三组原料进料支管3-4、三个原料进料分布管3-5、三个原料进料总管3-6、催化剂进料分布管3-7、催化剂进料总管3-8、催化剂进料支管3-9组成。

螺旋盘管组3-2由4～50组多头螺旋盘管构成，多头螺旋盘管由2～6个单头螺旋盘管构成，螺旋盘管外壁带有翅片。螺旋盘管组3-2底部焊接在支撑管板3-1。

螺旋盘管组3-2顶部焊接文丘里射流分布管3-3，进一步与催化剂进料支管3-9、催化剂进料分布管3-7及催化剂进料总管3-8相接，催化剂进料总管3-8焊接在反应段筒体3侧壁与催化剂（或其中一种原料）进料口4相通。

三组原料进料支管3-4分别焊接在三个文丘里射流分布管缩脉处，进一步与三个原料进料分布管3-5及原料进料总管3-6相接，三个原料进料总管3-6分别焊接在反应段筒体3侧壁与三个原料进料口11相通。

参见图3，本发明取热内构件由热管管板5-1及重力热管5-2组成。重力热管5-2外壁带有翅片，两端与热管管板5-1焊接，热管管板5-1焊接在取热段筒体5内壁。

根据反应温度，反应器进料前选择泡点温度与反应温度相近的液体作为热管工质，热管工质从热管工质注入口8进入反应器，经重力热管5-2后，进入螺旋盘管组3-2与反应段筒体3之间的腔体，热管工质液位高于螺旋盘管组3-2。

液体催化剂从催化剂（在具体操作时，根据实际反应需要，催化剂进料口也可作为一种原料进料口）进料口4进入反应器，先后经催化剂进料总管3-8、催化剂进料分布管3-7及催化剂进料支管3-9，进入文丘里射流分布管3-3。反应原料分三路从原料进料口11进入反应器，先后经原料进料总管3-6、原料进料分布管3-5及原料进料支管3-4，进入文丘里射流分布管3-3，并与催化剂混合，在螺旋盘管组3-2内发生反应，反应产物由螺旋盘管组3-2底端出口再经产物出口1送出反应器。

反应热将热管工质汽化，气相热管工质通过热管管板5-1，进入重力热管5-2中。取热介质从取热介质（冷却水）入口10进入反应器，与重力热管5-2内气相工质进行热量交换，从取热介质（水蒸汽）出口6离开反应器。重力热管5-2中工质放热液化，依靠重力返回到反应段ⅰ腔体之中，形成热管工质的闭路循环，并移走反应热。

通过压力调节设备减小反应段ⅰ腔体的工作压力，可降低热管工质温度，提高传热推动力，进一步控制反应温度。当反应体系温度较低时，可将汽化的热管工质引至反应器外压缩制冷后再返回反应段ⅰ腔体之中。

本发明根据多段（n段）进料的需要，在所述反应段内构件螺旋盘管之间设置多个（n-1个）文丘里射流分布管、原料进料支管、原料进料分布管及原料进料总管。多段进料结构对螺旋盘管组起到固定于支撑作用，可防止螺旋盘管发生位移与变形。

实施例1

采用如图1~4所示结构的反应器，以异丁烷和正丁烯为原料，硫酸为催化剂，进行烷基化反应。选用异丁烷为热管工质（腔体压力140kpa），选用零下15℃的乙二醇水溶液（外接制冷机）为取热介质。

异丁烷和正丁烯的摩尔比为8:1；硫酸与烃类（异丁烷和正丁烯之和）体积比为1:1；反应物料在反应内构件内的停留时间为3min。反应内构件出口压力150kpa，反应内构件压降为300kpa。反应温度维持在-3℃。

反应内构件结构为：螺旋盘管组由6组多头螺旋盘管构成，多头螺旋盘管由2个单头螺旋盘管构成，单头螺旋盘管管道内径25mm，螺旋直径75mm，螺旋节距60mm，管长9m。反应物分三段进入反应器。

反应结果为：正丁烯转化率100%，酸耗31kg酸/t烷基化油，烷基化油辛烷值（马达法）97.3。

比较例1

比较例1采用常规的内部设置制冷管束的卧式机械搅拌反应器，以异丁烷和正丁烯为原料，硫酸为催化剂，进行烷基化反应。

异丁烷和正丁烯的摩尔比为8:1；硫酸与烃类（异丁烷和正丁烯之和）体积比为1:1；反应物料在反应器内的停留时间为15min。反应压强为400kpa。反应温度维持在5~9℃之间。

反应结果为：正丁烯转化率100%，酸耗69kg酸/t烷基化油，烷基化油辛烷值（马达法）93.6。

实施例2

采用如图1~4所示结构的反应器，以丙烯和过氧化氢为原料，甲醇为溶剂，钛硅分子筛为催化剂，制备环氧丙烷。选用正戊烷为热管工质，15℃的冷却水为取热介质。

甲醇、过氧化氢与丙烯的摩尔比依次为6:1:4；过氧化氢在反应内构件内的空速为2h^-1。产物收集管压力100kpa，反应内构件压降为250kpa。反应温度维持在40℃。

反应内构件结构为：螺旋盘管组由6组多头螺旋盘管构成，多头螺旋盘管由2个单头螺旋盘管构成，单头螺旋盘管管道内径25mm，螺旋直径75mm，螺旋节距60mm，管长9m。螺旋盘管内装填钛硅分子筛催化剂，反应物分三段进入反应器。

反应结果为：双氧水转化率99.9%，环氧丙烷选择性99.2%。

比较例2

比较例2采用常规的列管式固定床反应器，以丙烯和过氧化氢为原料，甲醇为溶剂，钛硅分子筛为催化剂，制备环氧丙烷。

甲醇、过氧化氢与丙烯的摩尔比依次为6:1:4；过氧化氢在反应器内的空速为2h^-1。反应器出口压力100kpa，反应器压降为150kpa。反应温度在40~48℃之间。

反应结果为：双氧水（过氧化氢）转化率99%，环氧丙烷选择性93%。

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于本发明优选的实例而已，并不用于限制本实施例。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果，只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。