用于制造管间距减小的立式沸腾反应器的管与管板焊接的制作方法

本发明涉及一种立式沸腾反应器，更具体地涉及一种管间距减小的管壳式热交换反应器。

背景技术：

1、环氧乙烷(eo)是一种重要的工业化学品，其用作制造诸如乙二醇、乙二醇醚、乙醇胺和去污剂之类的各种化学品的原料。一种用于生产eo的方法是通过催化氧化过程，其中乙烯在银基环氧化催化剂的存在下与氧气反应。在这样的过程中，含有乙烯和氧气的原料流通过含有在保持于某些反应条件下的eo反应器的反应区内的银基环氧化催化剂床。

2、商用eo反应器通常采用管壳式热交换器的形式，其中多个基本平行的细长、相对较窄的管填充有催化剂颗粒以形成充填床，并且其中壳含有冷却剂。一种这样的eo反应器示于图1。图1中所示的eo反应器1包括多个细长管2，其中每个细长管2的入口端固定到入口管板3并且每个细长管2的出口端固定到出口管板4。入口反应器头部5与出口反应器头部6类似地设置。

3、eo反应器1进一步包括固定在出口头部6上并与出口头部6成一体的管壳式热交换器7。开口被设置在出口头部6中以与热交换器7连通，并且热交换器7在该开口周围被焊接到出口头部6，从而与反应器形成一体结构。热交换器7设置有固定在管板9和10上的管8。还设置了热交换器出口头部11。

4、在实践中，诸如乙烯、氧气和压载气体之类的反应气体经由管线12被引入eo反应器1中，并在反应条件下通过充填有合适银基环氧化催化剂的管2。通过循环传热流体(例如水)除去反应热，该传热流体经由管线13被引入到eo反应器1的壳侧并经由管线14除去。

5、反应气体通过管2，在这里发生eo的产生，并且在离开管2时，气体通过出口头部6，然后进入热交换器7的管8，并立即冷却以防止进一步氧化和异构化。冷却流体(例如水)经由管线15被引入到壳侧热交换器7并经由管线16除去。冷却的反应气体经由管线17离开热交换器7并以常规方式处理以回收产物并循环各种组分。

6、由于大型工厂的反应器尺寸越来越大，而且成本呈指数级增长，eo反应器的制造变得非常具有挑战性。eo反应器制造的一个持续目标是利用减小的管间距来减小eo反应器的尺寸；管间距是邻近(即相邻)管之间的最短中心距。

7、将细长管焊接到入口管板和出口管板是eo反应器制造中的关键步骤。用于管与管板焊接的现有焊接构造和焊接材料无法绕开eo反应器内管间距的减小。

技术实现思路

1、通过利用具有高抗拉强度(即，大于600mpa的抗拉强度)的焊接材料，在管壳式热交换反应器(例如eo反应器)内提供减小的管间距。减小的管间距允许反应器中存在更多的细长管(管中填充有催化剂)，因此可以制造更小的反应器。值得注意的是，高抗拉强度焊接材料的使用允许实现小的焊接凹槽，该焊接凹槽位于设置在管板覆盖材料(其位于管板顶部)中的开口的斜面上部的斜面侧壁与穿过管板覆盖材料中的开口的细长管的最外侧壁之间。

2、在本发明的一个方面，提供一种管壳式热交换反应器，其包括入口管板，其具有多个第一开口并且位于反应器的入口端；出口管板，其具有多个第二开口并位于反应器的出口端；以及多个细长管，其位于入口管板和出口管板之间并穿过多个第一开口和第二开口。反应器还包括位于入口管板和出口管板两者顶部的管板覆盖材料。本发明的管板覆盖材料含有多个第三开口，其被配置成允许多个细长管从中穿过。多个第三开口中的每个第三开口包含具有焊接凹槽的斜面上部，该焊接凹槽位于第三开口的斜面上部的斜面侧壁与穿过第三开口的细长管的最外侧壁之间。焊接材料位于焊接凹槽内并固定于穿过第三开口的细长管的最外侧壁。根据本发明，位于焊接凹槽内的焊接材料具有大于600(例如601、602、603等)mpa的抗拉强度。

3、在一些实施方式中，反应器是环氧乙烷(eo)反应器，其进一步包括用于将包含1％至40％乙烯和3％至12％氧气的进料气体引入到eo反应器中的入口管线，其中eo反应器被配置成在以下条件下操作：气时空速为1500至10,000h-1、反应器入口压强为1mpa至3mpa、冷却剂温度为180℃至315℃、氧气转化率为10-60％，以及eo生产速率(工作速率)为100-350kg eo/m3催化剂/小时，以及环氧乙烷浓度变化δeo为约1.5％至约4.5％，并且其中每个细长管填充有银基环氧化催化剂，其包含氧化铝载体、催化有效量的银或含银化合物，以及促进量的一种或多种促进剂。

技术特征：

1.一种管壳式热交换反应器，其包括：

2.如权利要求1所述的管壳式热交换反应器，其中所述焊接凹槽具有约1.125mm2至约10.125mm2的总面积，以及约1.5mm至约4.5mm的长度。

3.如权利要求1或2所述的管壳式热交换反应器，其中所述管板覆盖材料的所述第三开口的所述斜面上部具有v形斜面形状，约30°至约150°的凹槽角，以及约15°到约75°的斜面角。

4.如权利要求1或2所述的管壳式热交换反应器，其中所述管板覆盖材料的所述第三开口的所述斜面上部具有j形斜面形状，约0°至约60°的凹槽角，以及约0°到约30°的斜面角。

5.如权利要求1至4中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中所述管板覆盖材料具有大于600mpa至约950mpa的抗拉强度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中位于所述焊接凹槽内的所述焊接材料的所述抗拉强度为大于600mpa至约950mpa。

7.如权利要求1至6中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中位于所述焊接凹槽内的所述焊接材料由铬-镍(cr-ni)基合金构成。

8.如权利要求1至7中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中固定到所述管板覆盖材料的每个相邻细长管之间的间距为约27mm至约80mm。

9.如权利要求1至4中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中所述管板覆盖材料的所述第三开口进一步包含与所述斜面上部连通的非斜面下部。

10.如权利要求1至9中任一项所述的管壳式热交换反应器，进一步包含角焊材料，所述角焊材料位于存在于所述焊接凹槽中的所述焊接材料上并且接触所述细长管的所述最外侧壁的另一部分。

11.如权利要求1至10中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中所述管壳式热交换反应器是环氧乙烷(eo)反应器。

12.如权利要求11所述的管壳式热交换反应器，其中所述eo反应器进一步包含用于将进料气引入到所述eo反应器中的入口管线，所述进料气包含1％至40％乙烯和3％至12％氧气。

13.如权利要求11或12所述的管壳式热交换反应器，其中所述eo反应器被配置成在以下条件下操作：气时空速为1500至10,000h-1、反应器入口压强为1mpa至3mpa、冷却剂温度为180℃至315℃、氧气转化率为10-60％，以及eo生产速率(工作速率)为100-350kg eo/m3催化剂/小时，以及环氧乙烷浓度变化δeo为约1.5％至约4.5％。

14.如权利要求11至13中任一项所述的管壳式热交换反应器，其中每个细长管填充有银基环氧化催化剂。

15.如权利要求14所述的管壳式热交换反应器，其中所述银基环氧化催化剂包含氧化铝载体、催化有效量的银或含银化合物，以及促进量的一种或多种促进剂。

16.如权利要求15所述的管壳式热交换反应器，其中所述一种或多种促进剂包含至少一种铼促进剂。

技术总结
通过利用具有高抗拉强度(即，大于600MPa的抗拉强度)的焊接材料，在管壳式热交换反应器(例如EO反应器)内提供减小的管间距。减小的管间距允许反应器中存在更多的细长管(管中填充有催化剂)，因此可以制造更小的反应器。值得注意的是，高抗拉强度焊接材料的使用允许实现小的焊接凹槽，该焊接凹槽位于设置在管板覆盖材料(其位于管板顶部)中的开口的斜面上部的斜面侧壁与穿过管板覆盖材料中的开口的细长管的最外侧壁之间。

技术研发人员：默罕默德·甘杰瓦
受保护的技术使用者：科学设计有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15