一种蒸发混合器及甲胺合成装置的制作方法

1.本实用新型涉及化工生产技术领域，具体而言，涉及一种蒸发混合器及甲胺合成装置。


背景技术：

2.甲胺是一种重要的基本有机化工原料，它广泛地应用于国民经济各行业，是农药、医药、合成染料、合成树脂、化学纤维、溶剂、表面活性剂、高能燃料、照相材料等工业的基本原料。
3.甲胺分为一甲胺、二甲胺和三甲胺，工业上普遍采用甲醇和氨的气相催化反应法生产甲胺，该方法以甲醇和液氨为原料，采用气相催化反应制得甲胺，主要反应如下：
4.ch3oh+nh3→
ch3nh2+h2o+q
5.2ch3oh+nh3→
(ch3)2nh+2h2o+q
6.3ch3oh+nh3→
(ch3)3n+3h2o+q
7.上述方法原料来源丰富，价格低廉，能够大规模连续生产，对设备和材料要求较低，易于满足工艺条件，并可根据市场需求灵活调整三种甲胺的产品比例，这也是目前甲胺工业中最常用的生产方法，国内现有的甲胺工厂均采用此工艺来生产甲胺。
8.该方法在工艺中原料采用液态甲醇、液体循环物料以及液氨，在进料时采用多台换热器以及立式容器，通过管道连接构成原料的蒸发混合系统，通过对原料甲醇和液氨进行气化，将气化后的物料通入反应器进行反应。
9.现有蒸发混合系统中的设备数量多，占地空间大，安装高度高，导致输送设备的能耗较高；且在蒸发混合过程中并没有对气相催化反应后所放出的热量进行有效利用，造成热量的直接损失及能源的浪费，通过能耗间接地提高了单位产品的成本，降低市场竞争力。


技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于提供一种蒸发混合器及甲胺合成装置，能够缩减原料在预热混合时的设备，简化进料流程，并对气相催化反应后所释放的热量充分回收，从根本上降低了甲胺单位产品的能耗及生产成本。
11.本实用新型提供的蒸发混合器，包括：卧式壳体，
12.所述卧式壳体内相对设置有蒸汽蒸发器以及产品换热器；
13.所述蒸汽蒸发器包括加热管束以及蒸汽进出料封头，所述产品换热器包括换热管束以及产品进出料封头；
14.甲胺产品进入到所述卧式壳体，以对甲胺产品的热量进行回收。
15.进一步，所述卧式壳体包括用于对原料进行混合加热的混合腔室，所述加热管束及所述换热管束均设置在所述混合腔室中。
16.进一步，所述蒸汽进出料封头以及所述产品进出料封头均为一个，分别设置在所述卧式壳体的两端。
17.进一步，所述加热管束及所述换热管束均为u型管束。
18.进一步，所述卧式壳体还包括位于所述混合腔室顶部的蒸发腔室，所述蒸发腔室与所述混合腔室连通，所述蒸发腔室内安装有用于对蒸发气体进行除沫的除沫器。
19.一种包括上述蒸发混合器的甲胺合成装置，所述蒸发混合器中的甲胺合成原料再加热后进入到甲胺反应器进行合成反应，所述甲胺反应器内设置有多段催化单元，每段催化单元包括至少一层分子筛催化剂层。
20.进一步，还包括进行所述再加热的再加热单元，所述再加热单元包括依次设置的蒸汽加热器、原料预热器及电加热器，所述蒸汽加热器的进料口与所述蒸发混合器的出料口连接，所述电加热器的出料口与所述甲胺反应器的进料口连接。
21.进一步，所述原料预热器包括壳程进口及壳程出口，所述壳程进口与所述甲胺反应器的出料口连接，所述壳程出口与所述产品换热器的进料口连接。
22.进一步，所述蒸发混合器的上游设置有循环物料罐及甲醇原料罐，循环物料以及甲醇分别通过循环物料给料泵及甲醇给料泵通入所述蒸发混合器。
23.进一步，还包括氨气进料管，所述蒸发混合器及所述甲胺反应器上分别设置有氨气进料口，氨气通过所述氨气进料口分别通入所述蒸发混合器及所述甲胺反应器。
24.本实用新型中的蒸发混合器，通过将蒸汽蒸发器以及产品换热器集成到蒸发混合器上，能够有效减小蒸发混合系统的设备占地，并降低了蒸发混合设备的整体高度，在降低输送设备能耗的同时便于在现场的安装。
25.通过将甲胺产品通入设置在蒸发混合器内的产品换热器中，能够使带有大量反应热的甲胺产品通过换热管束与混合腔室中的反应原料进行换热，使反应生成的热量在原料的混合蒸发环节中得到回收利用，有效减低了单位产品的能耗及生产成本，极大提高了产品竞争力。
26.本实用新型中甲胺反应器包括的分子筛催化层，能够通过分子筛对生成产物吸附的形式进一步使三甲胺与氨气进行反应，从而有效提高二甲胺的转化率。
27.通过包括上述蒸发混合器以及甲胺反应器的甲胺合成装置，能够降低单位产品的能耗以及提高二甲胺的产率，在提高产品竞争力的前提下还能减小下游产品分离系统的运行负荷，为后续精馏分离的节约能耗以及物耗奠定基础。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本实用新型中蒸发混合器的结构示意图；
30.图2为本实用新型中甲胺生产系统的工艺流程图。
31.图中：1-蒸发混合器；10-卧式壳体；11-蒸汽蒸发器；12-产品换热器；111-加热管束；121-换热管束；112-蒸汽进出料封头；122-产品进出料封头；13-混合腔室；14-蒸发腔室；141-除沫器；
32.2-甲胺反应器；20-催化单元；21-平衡型催化剂层；22-分子筛催化剂层；
33.3-循环物料罐；31-循环物料给料泵；
34.4-甲醇原料罐；41-甲醇给料泵；
35.5-蒸汽加热器；6-原料预热器；7-电加热器。
具体实施方式
36.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
41.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.第一实施例
44.请参照图1，本实施例提供的蒸发混合器1，包括：卧式壳体10，卧式壳体10内相对设置有蒸汽蒸发器11以及产品换热器12；
45.蒸汽蒸发器11包括加热管束111以及蒸汽进出料封头112，产品换热器12包括换热管束121以及产品进出料封头122；
46.甲胺产品进入到卧式壳体10，以对甲胺产品的热量进行回收。
47.本实用新型中的蒸发混合器1，主要是对甲胺合成原料进行混合蒸发，使进料的甲醇、液氨以及循环物料在蒸发混合器1中得到蒸发混合，然后再经过后续的进一步加热进入
甲胺反应器2中进行反应。
48.通过将蒸汽蒸发器11以及产品换热器12集成在蒸发混合器1的卧式壳体10上，构成了双热源池式蒸发混合器1，能够使甲醇、液氨以及循环物料在同一池式蒸发混合器1中进行气化蒸发，减少了蒸发系统的设备数量，简化了原料在进料以及气化中的流程，同时降低了设备投入成本。
49.相对设置的蒸汽蒸发器11以及产品换热器12所构成的双热源换热器，能够在现有蒸汽加热蒸发的基础上，将甲胺产品在合成时所生成的反应热在池式蒸发混合器1中得到回收。
50.蒸汽蒸发器11以及产品换热器12分别包括设置在卧式壳体10内部的加热管束111以及换热管束121，蒸汽通过蒸汽进出料封头112进入加热管束111，甲胺产品通过产品进出料封头122进入换热管束121，从而通过蒸汽以及携带大量反应热的甲胺产品对蒸发混合器1卧式壳体10内的原料进行加热。
51.蒸汽进出料封头112上设置有蒸汽进口及蒸汽出口，蒸汽从蒸汽进口经由蒸汽进出料封头112后进入加热管束111，并在加热管束111内对卧式壳体10中的原料进行加热蒸发后转化为蒸汽凝液，蒸汽凝液通过蒸汽出口从蒸汽蒸发器11中排出。
52.产品进出料封头122上设置有产品进口及产品出口，甲胺产品在甲胺反应器2生成后返回至产品换热器12中，从产品进口经由产品进出料封头122后进入换热管束121，并在换热管束121内对卧式壳体10中的原料进行换热蒸发后通过产品出口从产品换热器12中排出进入下游分离装置进一步处理，甲胺产品在换热过程中将自身携带的反应热通过热传导的形式传递到原料中，在得到冷却的同时对原料进行蒸发换热。
53.通过将甲胺产品通过到卧式壳体10中的换热管束121，使甲胺合成时所释放的大量反应热得到有效地回收利用，减少了能耗损失。通过将加热器集成在卧式壳体10上的形式，有效降低了设备数量以及蒸发混合系统整体的设备高度，减少了输送设备的功耗，并缩减了蒸发混合系统的设备占地，更加利于在现场的安装。
54.具体地，本实施例中的原料在卧式壳体10中的混合腔室13中进行混合加热，加热管束111以及换热管束121均设置在混合腔室13中，优选地，加热管束111以及换热管束121设置在混合原料的液面以下。通过该种设置方式，能够使蒸汽以及甲胺产品中的热量充分转移至液体原料中，提高了原料的蒸发效率。
55.蒸汽蒸发器11及产品换热器12均包括一个单端的封头，即蒸汽进出料封头112以及产品进出料封头122均为一个，分别设置在卧式壳体10的两端。通过将管束连接在封头上，并使外部输送蒸汽以及产品的管线连接在封头上，有利于设备及管道的安装，并使蒸汽或者产品通过同一端封头从管束中进出，能够有利于延长流动路径，保证在混合腔室13中与原料的换热效果。
56.本实施例中的蒸汽蒸发器11以及产品换热器12中的加热管束111以及换热管束121均为u型管束，通过u型管束的形式，一方面利于流动介质在单端封头上进出，另一方面还可降低物料在混合腔室13内的泄漏风险，使加热介质与原料介质有效隔离，以避免对甲胺合成反应造成影响。
57.甲醇、液氨以及循环物料等液态原料在混合腔室13的加热过程中，由于沸点较低，在加热时极易因为液体的沸腾对蒸发气体造成气沫夹带，尤其针对循环物料，在其沸腾所
产生的泡沫中甚至可能带有其他固体杂质。
58.从该角度出发，卧式壳体10还包括位于混合腔室13顶部的蒸发腔室14，蒸发腔室14与混合腔室13相连通。在蒸发腔室14内安装有用于对蒸发气体原料进行除沫的除沫器141。蒸发气体的压力能够在蒸发腔室14中得到有效缓冲，且可对不同原料气体在蒸发腔室14进行初步的混合，通过除沫器141能够保证蒸发气体的洁净度，避免在反应时对甲胺反应器2中的催化剂床层造成淤堵。
59.通过本实用新型中的蒸发混合器1，能够有效地将原料合成后的甲胺产品在产品换热器12中进行换热，并对蒸发混合器1中的液体原料进行加热，使在合成反应中产生的大量反应热得到循环回收综合利用，极大降低了整体的反应能耗，有效降低单位产品的生产成本。
60.第二实施例
61.结合图2，本实用新型还提供了一种包括上述蒸发混合器1的甲胺合成装置，蒸发混合器1中的甲胺合成原料在受热蒸发后通过再加热进一步提高原料温度，并通入甲胺反应器2中进行合成反应。
62.甲胺合成器内设置有多段间隔分布的催化单元20，每段催化单元20中包括平衡型催化剂层21以及至少一层分子筛催化剂层22。
63.现有的甲醇和氨的气相催化反应，主要用于生产市场需求量大的且适用于生产dmf所需的二甲胺原料，但该方法的二甲氨收率低，达到目标产能的能耗和物耗较高。
64.在该合成方法中，甲醇和氨的气相催化反应为放热反应，并且在有催化剂条件下，上述反应可以在360-425℃进行。
65.除了进行甲醇与氨反应生成一甲胺、二甲胺及三甲胺之外，甲胺反应器2内还进行以下反应：
66.ch3oh+ch3nh2→
(ch3)2nh+h2o+q
67.(ch3)3n+nh3→
2(ch3)2nh-q
68.2ch3nh2→
(ch3)2nh+nh3+q
69.2(ch3)2nh
→
ch3nh2+(ch3)3nh+q
70.在实际生产中针对上述不同的反应通常采用平衡型催化剂进行合成，产品分布为热力学平衡值，当氨和甲醇的比例为2：1时，一甲胺、二甲胺和三甲胺的摩尔组成为27：23：50，产物中的三甲胺比例接近一半，虽然通过提高反应温度、增加进料中氨和甲醇的比例以及三甲胺返料进一步反应等方式，可在某种程度上提高二甲胺的收率，但通常需要精馏分离系统加强分离，无疑增加系统的能耗和物耗。
71.通过在本实用新型甲胺反应器2中设置平衡型催化剂层21以及至少一层分子筛催化剂层22，能够使二甲胺在平衡型催化剂作用下达到平衡浓度，然后经过分子筛催化剂层22吸附的三甲胺与氨继续反应，二甲胺及一甲胺通过分子筛催化剂层22后继续向下层移动达到非平衡状态，从而通过平衡反应状态向非平衡反应状态的转变，使三甲胺与氨进一步反应生成二甲胺，以实现提高二甲胺转化率的目的。最终生成二甲胺的浓度远远高于平衡浓度，是工业生产期望的结果。
72.本实施例中的甲胺合成装置，还包括对蒸发混合器1中蒸发后的原料进行再加热的再加热单元，以将反应原料气体进行升温后通入甲胺反应器2中。
73.再加热单元包括通过管道依次连接的蒸汽加热器5、原料预热器6以及电加热器7，其中蒸汽加热器5的进料口与蒸发混合器1的出料口连接，电加热器7的出料口与甲胺反应器2的进料口连接。再加热单元具体用于将蒸发气化后的气体原料进一步加热，以达到反应所需温度后通入甲胺反应器2，通过再加热单元，能够对气化后的气体逐步提高温度，以保障气体原料在甲胺反应器2中的正常进行。
74.具体地，蒸发混合后的气体原料首先进入蒸汽加热器5的管程，通过蒸汽加热器5壳程中的蒸汽对管程内的气体原料加热后进入原料预热器6的管程，然后再进入电热器中最终达到反应所需温度后进入甲胺反应器2。
75.需要指出，甲胺反应器2生成的甲胺产品具体还通过原料预热器6初步冷却换热后进入蒸发混合器1中的产品换热器12。原料预热器6作为对原料气体进行预热的换热器，同样也是通过甲胺产品所携带的反应热量对蒸汽加热器5加热后的气体原料进一步换热升温。
76.原料预热器6具体包括壳程进口及壳程出口，壳程进口与甲胺反应器2的出料口连接，壳程出口与产品换热器12的进料口连接。通过该种设置方式，能够使甲胺产品通入原料预热器6的壳体中，并对原料预热器6管程中的气体原料进行换热，从而进一步提高了反应热的回收率，同时保证了气体原料的升温效果。
77.为了保证反应原料的正常供应，在蒸发混合器1的上游设置有循环物料罐3以及甲醇原料罐4，在循环物料罐3及甲醇原料罐4的底部分别设置有循环物料给料泵31及甲醇给料泵41，循环物料以及甲醇分别通过循环物料给料泵31及甲醇给料泵41通入蒸发混合器1中的混合腔室13。
78.基于甲胺反应器2中三甲胺向二甲胺的转化，以及为了避免蒸发混合器1内的氨气达不到正常反应所需的供应量。本实施例中的甲胺合成装置还包括氨气进料管，蒸发混合器1及甲胺反应器2上分别设置有氨气进料口，氨气通过氨气进料口分别通入蒸发混合器1及甲胺反应器2中。通过设置的氨气进料管，能够保证氨气原料以及在甲胺反应器2中的过量状态，从而利于促进甲胺的合成，保证反应效果。
79.通过本实用新型中的甲胺合成装置，能够有效降低整体反应过程的能耗，通过提高二甲胺的转化率，降低了分离负荷，为下游精馏分离系统的节能降耗提供了必要条件。
80.本实用新型中甲胺合成装置的各设备之间通过管线进行连接，具体地，原料循环物料管线与循环物料罐3连接，循环物料罐3与循环物料泵通过管线连接，循环物料泵与蒸发混合器1通过管线连接。
81.原料甲醇管线与甲醇原料罐4连接，甲醇原料罐4与甲醇原料泵通过管线连接，甲醇原料泵与蒸发混合器1通过管线连接。
82.蒸发混合器1通过管线与蒸汽加热器5连接，蒸汽加热器5通过管线与原料预热器6连接，原料预热器6壳侧进口通过管线与甲胺反应器2出料口连接，原料预热器6的壳侧出口与蒸发混合器1的产品换热器12连接，通过将甲胺产品通入到原料预热器6的壳程中，能够有效对原料预热器6管程中的气体原料进行加热，将甲胺产品携带的反应热初步回收。
83.通过将原料预热器6的壳侧出口与蒸发混合器1的产品换热器12连接，能够使甲胺产品在初步换热后通入产品换热器12的换热管束121中，从而对蒸发混合器1混合腔室13中的液体原料进行加热。
84.蒸发混合器1底部换热管束121用管道连接到下游分离系统，对混合甲胺产品进行进一步分离。
85.原料液氨以及原料气氨分别通过管线与蒸发混合器1连接，在蒸汽蒸发器11的加热管束111上分别连接有外供蒸汽，以及用于导出蒸汽凝液的蒸汽冷凝液管线。
86.甲胺反应器2由立式塔器或者立式容器及内件构成，内件包括气体分布器以及催化剂支撑件，气体分布器包括三个，分别设置在每段催化单元20的上部。催化剂支撑件包括三个，分别对三段催化单元20进行支撑。
87.每个催化剂支撑件上设置有两层催化剂，包括布置平衡型甲胺反应催化剂和分子筛催化剂，在甲胺反应器2内部总共装有间隔的三段共六层催化剂。
88.本实用新型中的甲胺合成装置在工作时，主要包括以下步骤：
89.1)将存贮在循环物料罐3中的混合一甲胺、三甲胺、重组分等经循环物料泵加压通过管道送入蒸发混合器1；
90.2)将存贮在液体甲醇罐的甲醇经甲醇原料泵加压至送入蒸发混合器1；
91.3)液氨由管道送入蒸发混合器1，气氨液氨由管道送入蒸发混合器1；
92.4)上述液体甲醇、液体循环物料、液氨在蒸发混合器1内混合蒸发，同时气氨也通过管道送入蒸发混合器1；
93.5)蒸发混合器1的热源包括两种，一种为甲胺反应器2出口经原料预热器6初步换热后的高温气体，另一种为外供的高温蒸汽。
94.6)蒸发混合器1中的混合物料经蒸发后的混合气体首先通过蒸汽加热器5初步升温，然后通过管道送入原料预热器6与甲胺反应器2出口的高温产品气体再次换热，通过管道进入电加热器7加热至360℃进入甲胺反应器2，在甲胺反应器2进行充分反应生成混合甲胺气体。
95.7)生成混合甲胺气体温度约425℃，通过管道进入原料预热器6对原料进行预热，由原料预热器6出来的混合甲胺气体通过进入蒸发混合器1产品换热器12的换热管束121对物料进行加热蒸发，由换热管束121出来的混合甲胺气体送入下游精馏分离。
96.8)外供高温蒸汽通过管道送入蒸发混合器1的加热管束111对物料进行加热蒸发，蒸汽冷凝液通过管道送出甲胺合成装置。
97.在其中一个具体的示例中，
98.约40℃循环物料送入循环物料罐，经循环物料泵送入蒸发混合器；约25℃的原料甲醇送入甲醇原料罐，经甲醇原料泵通过管线送入蒸发混合器；液氨由管道送入蒸发混合器，以上三种物料在蒸发混合器中混合蒸发。
99.蒸发的混合气体经除沫器除沫后通过管道进入蒸汽加热器，混合气预热到170℃左右，混合气再进入到原料预热器与甲胺反应器出口气进行换热，混合气预热到360℃左右，进入电加热器，正常情况电加热不工作，热量不够时用电加热补充热量。360℃混合气进入甲胺反应器，在甲胺反应器里各物质发生化学反应生成混合甲胺气体，反应是放热反应，反应后混合甲胺气体的温度达到430℃左右，甲胺反应器出口高温甲胺混合气进入原料预热器与蒸发的混合气换热到200℃左右，进入蒸发混合器底部换热管束用于蒸发原料，由换热管束出来的混合甲胺温度约140℃，进入下游精馏分离工序。
100.蒸汽通过管线进入蒸发混合器底部的加热管束，与原料进换热，用来补充蒸发的
热量。
101.通过本示例单位甲胺产品可节省蒸汽1.05t/混合甲胺，混合甲胺的二甲胺含量可达到45％左右，后续精馏的能耗大大降低。
102.需要重点指出的是，通过将甲胺反应器中的甲胺产品通入原料预热器以及蒸发混合器中的换热管束，能够在最大程度上对合成反应的反应热进行回收利用，从而有利于降低甲胺单位产品的能耗，结合分子筛催化剂对于二甲胺转化率的提高，减小了下游精馏分离的能耗及功耗，极大提供了产品竞争力。
103.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。