本发明具体涉及一种束管水床式乙二醇加氢反应器及采用该反应器生产乙二醇的工艺。
背景技术：
草酸二甲酯加氢生成乙二醇是乙二醇制备的一个重要途径，草酸二甲酯转化率的高低直接影响到装置的建造成本和运行效率，在保证草酸二甲酯转化率的同时，还好最大限度地降低副反应的发生。目前的加氢反应装置中，为提高草酸二甲酯的转化率，一般都采用多台反应器串联的方式进行生产，但是这种多台反应器串联的方式不但增大了设备的投资费用，而且在生产过程中需要在每个反应器中添加氢气，这使得反应的流程加长，控制点增多，不利于生产的稳定控制。
技术实现要素：
为简化乙二醇的生产流程，降低乙二醇生产装置的投资费用，本申请首先提出了一种反应器，该反应器，该反应器在单台设备的基础上即可保证草酸二甲酯的转化率，具体的技术方案如下：
束管水床式乙二醇加氢反应器，其包括壳体和安装在壳体内的支撑组件，支撑组件将壳体的内腔分割为上腔部和下腔部，在上腔部设置有一径向反应段，在下腔部设置有1-4个轴向反应段；在壳体的上端安装有合成气进口管和汽水混合物出口管，在壳体的下端安装有合成气出口管，在壳体的侧壁上设置有热水进口管；
该径向反应段包括安装在上腔部的中央的合成气进气管，合成气进气管的上端向上延伸连通所述合成气进口管，在合成气进气管上设置有布气孔；
在合成气进气管的周围布置有换热管，换热管的一端连通汽水混合物出口管，换热管的另一端连通热水进口管；
对应于每个轴向反应段，在壳体上均设置有一连通该轴向反应段的轴向段卸料管；
在壳体上设置有一连通径向反应段的径向段卸料管；
在支撑组件上设置有过流孔，径向反应段经该过流孔连通轴向反应段，合成气出口管连通轴向反应段；
在径向反应段内装填有第一催化剂，第一催化剂的装填高度为径向反应段高度的85-92％；
在每个轴向反应段内均装填有第二催化剂，第二催化剂的装填高度为所有轴向反应段总高度的91-95％。
在本本申请中，将壳体的内腔分为上腔部和下腔部，在上腔部内设置了一个径向反应段，在下腔部内设置了轴向反应段，当本反应器工作时，原料气从合成气进口管进入到合成气进气管内，然后进入到轴向床层内进行反应，然后经过流孔进入到轴向反应段内继续反应，完成反应的气体从合成气出口管排出，进入到下道工序。
在本反应器中，为了保证反应的顺利进行，在径向反应段和轴向反应段内的催化剂的装填量均设置了不同的装填比例，在上述装填比例下，在相应的氢酯比的情况下，可以使草酸二甲酯的转化效率稳定在99.9％以上，从反应器排出的反应混合气中的草酸二甲酯的含量低于5ppm，乙二醇的收率达到98％以上。因此，采用本申请中的反应器时，只需要采用一只反应器，即可保证草酸二甲酯的转化效率，由此可减少乙二醇生产装置的建造费用，同时由于减少了反应器的数量，可有效地减少工艺参数的数量，并由此减少失误率，提高生产的稳定性。
在该反应器中，在各反应段内，催化剂并没有完全装满，尚留有一定空间，由于刚进入到各反应段内的反应气的浓度最高，反应最激烈，由于有上述空间的存在，可以向催化剂的最上层快速补充一定量原料气，避免原料气的过度反应，减少副反应产生的几率。
进一步，在径向反应段内，比冷面积为40-50m2/m3。上述比冷面积为径向反应段内换热管的换热面积与第一催化剂的体积的比。比冷面积在上述范围内，可以保证反应热能够平稳地由换热管内的热水带走，使反应器内的反应温度稳定在设定范围内。
进一步，在下腔部内设置有一个过渡腔，轴向反应段布置在过渡腔的下侧；所述热水进口管设置在过渡腔所对应的壳体上。具体地，所述径向段卸料管设置在过渡腔所对应的壳体上，该径向段卸料管经支撑组件的中央部连通径向反应段，径向反应段中的第一催化剂能够经该径向段卸料管排出。
设置一个专门的过渡区，使其成为管道的通过区，且该过渡区还可作为设备制作和检修的操作空间，使在设备的检修过程中，不会对轴向段的第二催化剂造成影响，保证了设备的检修效率。
进一步，为避免反应气在下腔部的底部形成死角，造成部分反应气的反应过度，引起大量的副反应，在下腔部的底部设置有一集气腔，轴向反应段布置在集气腔的上侧，所述合成气出口管设置在集气腔所对应的壳体上。设置集气腔后，从轴向反应段排出的反应气不再进行反应，有效地避免了反应气在经合成气出口管排出过程中，由于部分反应气流经催化剂的路径延长而导致的过度反应。
为使催化剂顺利地排出，与集气腔相邻的轴向反应段的轴向段卸料管沿壳体的轴向向下贯穿壳体。或者，径向段卸料管沿倾斜方向向下延伸；当轴向反应段设置有至少两个时，除位于最下方的轴向反应段外，其余轴向反应段的轴向卸料管设置在所对应的壳体上并沿倾斜方向向下、向外延伸。
具体，轴向反应段设置有至少两个时，相邻的两个轴向反应段之间具有一布气腔，在布气腔所对应的壳体上设置有人孔。设置布气腔后，可以使原料气中未反应的原料气重新进行分布，以提高反应效率。设置人孔后，可以便于对各轴向反应段进行分别检修和维护，同时也便于对相应区域进行加工。
在本申请中，还提供利用上述任一项反应器生产乙二醇的工艺，在生产乙二醇的工艺中，氢酯比为85-97；热水从热水进口管进入到换热管内，吸收反应热后成为汽水混合物，然后从汽水混合物出口管排出。氢酯比为氢气与草酸二甲酯的摩尔比。
利用上述反应器，并在上述氢酯比以及换热状态下，可以有效地保证草酸二甲酯的反应效率。在对反应热进行移出的过程中采用的热水在换热内被加热成为汽水混合物，由于水在汽化的过程中会吸收大量的热能，因此可以快速地将反应热移出，同时由于采用汽水混合物移出反应热，可以减少水的使用量，更有利于利用汽水混合物生产相应的蒸汽。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图。
图2是图1中a部分的放大图。
具体实施方式
在本文中，所述的轴向方向，即图1中壳体10的中心轴线105的延伸方向。
请参阅图1，一种束管水床式乙二醇加氢反应器，其包括呈筒状的壳体10，壳体10包括圆筒状的筒体11、设置在筒体11上端的上封头12和下端的下封头13。在壳体10内安装有支撑组件3，支撑组件3将壳体10的内腔分割为上腔部101和下腔部102，在上腔部101设置有一径向反应段，在下腔部102设置有2个轴向反应段。在壳体的上端安装有合成气进口管14和汽水混合物出口管8，在壳体的下端安装有合成气出口管15，在壳体的侧壁上设置有热水进口管2。
该径向反应段包括合成气进气管5、内件41、换热管61和触媒盖板组件43，合成气进气管5安装在上腔部101的中央，合成气进气管5的上端向上延伸连通所述合成气进口管14，在合成气进气管5上设置有通气孔。
具体在本实施例中，合成气进气管5的下端抵靠在下述的支撑板59的上端，合成气进气管5的上端伸入到合成气进口管14内，在合成气进口管14的上端面上安装有一法兰141，该法兰141将合成气进气管5紧密地保持在壳体内。
内件41套设在合成气进气管5外并支持在支撑组件3上，换热管61布置在内件41与合成气进气管5之间的区域内。
在本实施例中，所述支撑组件3包括支撑环31、过气筒32和触媒底板34；支撑环31呈环状，支撑环31的外侧面固定连接在壳体10的筒体11的内侧面上，过气筒32呈筒状，过气筒32的下端连接在支撑环31的内侧边缘；触媒底板34密封安装在过气筒32的上端；请同时参阅图2，在过气筒32上开设有过流孔33，径向反应段经该过流孔33连通轴向反应段。
内件41呈上下开口的筒状，内件41内衬在壳体10内并位于上腔部102内，内件41的下端密封连接在支撑组件3上，使内件41与壳体10之间形成集气腔。在内件41上开设连通内外的布气孔，该布气孔在图中未显示。触媒盖板组件43安装在内件41的上端。
换热管61环绕合成气进气管5布置，在本实施例中，换热管61分为三个管束6，对应于每个管束6均设置有一上内管板71、焊接在上内管板71上的上内封头72，在上内封头72上设置汽水混合物出口管8，汽水混合物出口管8具体安装在上封头12上。对应于每个管束6均设置有一下内管板91、焊接在下内管板91上的下内封头92，在下内封头92上设置热水进口管2，热水进口管2安装在筒体11上。每个管束6中的换热管的上端焊接在上内管板71上，下端焊接在下内管板91上。换热管61的上端依次经上内管板71、内封头72后连通汽水混合物出口管8，换热管61的下端依次经下内管板91、上内管板91后连通热水进口管2。
本实施例中，触媒盖板组件43包括触媒盖板44和连接在筒体11的内壁上的触媒盖板支承件45，其中触媒盖板支承在触媒盖板支承件上。上内封头72密封穿过触媒盖板44，即出水管组件密封穿过触媒盖板组件43。
在下腔部102设置有两个轴向反应段，为描述方便，将两个轴向反应段分别称为第一轴向反应段17和第二轴向反应段18，第一轴向反应段17位于第二轴向反应段18的上方。第一轴向反应段17具有一轴向触媒支撑板172和一轴向触媒盖板171。第二轴向反应段18具有一轴向触媒支撑板182和一轴向触媒盖板181。在第一轴向反应段17与支撑组件3之间形成一过渡腔65，在第二轴向反应段18与下封头13之间形成一集气腔19。合成气出口管15安装在集气腔19的最下端，即安装在下封头13的最下端。轴向触媒支撑板172、轴向触媒盖板171、轴向触媒支撑板182以及轴向触媒盖板181均开设有供气体通过的孔道。
对应于每个轴向反应段，在壳体上均设置有连通该轴向反应段的轴向段卸料管；为方便描述，将第一轴向反应段17所对应的轴向段卸料管称为第一轴向段卸料管173，将第二轴向反应段18所对应的轴向段卸料管称为第二轴向段卸料管183。
第一轴向段卸料管173倾斜设置在筒体11上，第一轴向段卸料管173的进口位于轴向反应段17的下端部，且沿倾斜方向向下、向外延伸。
第二轴向段卸料管183设置在轴向触媒支撑板182的上，并向下延伸穿过下封头13，第二轴向段卸料管183向下贯穿壳体10。
在本实施例中，设置了两个轴向反应段，当仅设置一个轴向反应段时，该轴向反应段的轴向段卸料管向下贯穿下封头。当设置3个或4个轴向反应段时，除位于最下端的轴向反应段外，其余的轴向反应段的轴向段卸料管均可参照上述的第一轴向段卸料管173的设置方式进行设置。
为提高原料气的反应效率方便检修，在两个轴向反应段之间设置有一布气腔66，在布气腔66所对应的壳体上设置有一人孔16。
以下说明径向反应段的径向段卸料管的安装方式。在触媒底板34的中间部安装有一上出料管35，该上出料管35的一端向上贯穿触媒底板后形成进催化剂进口，上出料管35的另一端连接有一下出料管36。具体在本实施例中，该下出料管沿倾斜方向向下、向外延伸，并安装在过渡腔65所对应的筒体11上，上出料管35与下出料管36共同形成径向段卸料管，即径向段卸料管设置在过渡腔65所对应的壳体10上，该径向段卸料管经支撑组件的中央部连通径向反应段，径向反应段中的第一催化剂能够经该径向段卸料管排出。
在下内管板91的朝向筒体10的中心的一侧焊接有支撑板59，每个下内管板91上均焊接有一支撑板59，支撑板59沿外壳的轴线方向延伸，支撑板59的下端焊接在下内管板上，在相邻的支撑板59之间具有间隙，该间隙形成连通径向反应段与上出料管35的出料通道，该出料通道连通径向反应段与上出料管35。
热水进口管2设置在过渡腔65所对应的壳体10上。热水进口管2包括连接在下内封头92上的弯管21和连接在弯管21上的呈直管装的热水管211，热水管211水平设置并焊接在筒体11上，热水管211的一端伸出筒体外，在热水管211的伸出筒体外的一端安装有盲板22，开工蒸汽管23穿过盲板22后水平伸入到热水管211的内腔，在热水管211伸出筒体11外的一端的上侧安装有连通热水管211的内腔的脱盐水进口管212，在热水管211伸出筒体11外的一端的下侧安装有连通热水管211的内腔的导淋口管24。
在径向反应段内装填有第一催化剂，第一催化剂的装填高度为径向反应段高度的90％。在每个轴向反应段内均装填有第二催化剂，第二催化剂的装填高度为所有轴向反应段总高度的93％。
可以理解在其它实施例中，根据不同的要求，第一催化剂的装填高度可是在径向反应段高度的85-92％之间任意选择，例如可以为85％、87％或92％；第二催化剂的装填高度可是在所有轴向反应段总高度的91-95％之间任意选择，例如可以为91％、92％或94％。
在径向反应段内，比冷面积为45m2/m3。上述比冷面积为径向反应段内换热管的换热面积与第一催化剂的体积的比。可以理解，根据不同的需要，在其它实施例中，上述比冷面积可以在40-50m2/m3之间进行具体的选择，例如可以为40m2/m3、42m2/m3、47m2/m3、49m2/m3或50m2/m3。
在图1中，标记100表示原料气在反应器中的流向，具体为：原料气经合成气进气管5上的通气孔进入到合成气进气管5与内件41之间的空间，在第一催化剂的作用下进行反应，反应后的混合气通过内件41上的布气孔进入到集气腔，然后经过流孔33进入到过渡腔65，再依次经过第一轴向反应段17和第二轴向反应段18，继续进行反应，然后进入到集气腔19中，最后经合成气出口管15排出，进入到下道工序。
利用本实施例中的束管水床式乙二醇加氢反应器生产乙二醇的工艺，在该生产乙二醇的工艺中，氢酯比为94，在生产过程中，热水从热水进口管进入到换热管内，吸收反应热后成为汽水混合物，然后从汽水混合物出口管排出。
在其它实施例中，根据不同的设置，氢酯比可以在85-97之间进行具体的选择，例如可以为85、87、89、91、95或97等。
在本实施例中，从反应器排出的反应混合气中的草酸二甲酯的含量为4.3ppm，转化率达到99.95％，乙二醇的收率达到98.5％。
利用上述反应器，将氢酯比设定为85、87、89、91、95或97时，从反应器排出的反应混合气中的草酸二甲酯的含量均低于5ppm，乙二醇的收率均达到98％以上。
本实施例中，反应器的公称直径为dn4000，仅实际生产，可以替代现有技术中两台公称直径为dn3800的反应器，由此减少了工艺控制点，提高了生产的稳定性，并在此基础上，减少了乙二醇生产系统的总投资量。