丙烯酸反应器研制

西安航天华威化工生物工程有限公司，副总经理丙烯酸反应器研制邰向阳赵仕哲(西安航天华威化工生物工程有限公司)一、前言丙烯酸最早是以丙酮和醋酸热分解所得的乙烯酮与甲醛发生反应制备的，后来又采用乙炔、水或乙醇以及CO为原料制得，但这些工艺均被丙烯气相催化法所替代。目前，丙烯气相氧化制丙烯酸，是丙烯酸的主要生产方法，并且全部采用气相固定床氧化法，根据各专利持有者催化剂性能的不同，反应器中反应管的规格、数量以及反应器的形式也有所差我国丙烯酸生产始于20世纪60年代，当时装置均采用丙烯腈水解法，规模小、品种少。经过50余年的发展，在装置的研究和制造方面我们已经不再完全依赖进口，国内装置的设计和制造能力得到了很大的提高，尤其是近几年来的迅速发展，国产丙烯酸反应器研制能力从2001年的6000吨/年、2004年的30000吨/年，到2005年已提高至60000吨/年，2010年80000吨/年丙烯酸反应装置再次研制成功。目前，装置的研发加工能力再次飞跃发展，规模已提高至十万吨/年以国产丙烯酸装置的飞速发展，不仅离不开国内各有关企业和研究院所的不懈努力研究，离不开相关丙烯酸生产企业的果断决策与应用，同时也离不开设备制造企业在设备加工和制造过程中的不断钻研和对先进、专用设备的引进。西安航天华威化工生物工程有限公司在国产丙烯酸装置的氧化设备的制造方面，进行了大量的研究与设备投入，使我国丙烯酸反应器的制造技术赶上了世界先进水平，也将我国大型固定床反应器制造水平向前大大的推进了一步。反应器的温差包括径向与轴向温差，温差越小反应器运行越平稳。但是，温差太小又会带来新的问题，诸如能耗提高等，不符合节能环保的理念，这就需要与催化剂厂商沟通，使其给出一个催化剂能够承受的合理温差范围，这样既可保证产品质量，又达到了节能的效果。为了保证达到最佳效果，华威公司借助航天流体计算与模拟软件，对装置的运行 2013丙烯酸及衍生物高峰论坛效果进行了验证，加速了研发进度。反应器熔盐流道的设计是反应器设计的关键环节。由于各反应管内反应条件相同，管外熔盐若能均匀传热，就可保证各反应管在相同的温度分布曲线下运行。目前国反应器熔盐环行流道形式主要为环行流道与反应器壳体同心，在反应器壳体上开有等距、不等尺寸的方孔。通过对熔盐环道及折流板的计算，有效保证了反应器内部的径向温差。以下简单列举，当然，还有其他因素需要考虑，此处就不再赘述。一般反应器外形如图1,左边为第一反应器外形，右边为第二反应器，反应器主要分为主体段、上下熔盐环道与上反应器有2台熔盐泵时壳体开孔的规律，如图2示。熔盐的均匀分布首先是熔盐进入列管束之前和离开列管束后的均匀分布，即采取适当措施使其进入列管束之前和离开列管束后能够沿圆周方向各开孔具有相同的质量流量和相同的静压，如图3第一反应器图1反应器简图第二反应器图22台熔盐泵时的反应器壳体开孔(窗)规律(上环道)(下环道)(上环道)图32台熔盐泵时的环道对环道采用等量分流、等量合流的计算方法，是目前环道设计中较佳的设计方法，可有效保证径向温差。折流板的计算，也是直接影响径向温差的主要因素：图4环盘形折流板反应器设计中另一个重点就是折流板的设计，在大型反应器设计中，由于内部熔盐循环是大流量、低扬程，所以折流板的形式一般采用环盘形设计(如图4),折流板上开孔的大小和规律决定了反应器设计性能的好坏，错流式壳程折流板的设计，关键是计算熔盐在反应器壳程各处的静压及熔盐流过反应管与管板之间的环隙的阻力系数。要计算壳程各处的静压，首先是熔盐流过管束的压力损失，可计算单排管的压力损失，再乘以管排数，计算公式如下： 2013丙烯酸及衍生物高峰论坛N管—管排数，△p管—侧流穿缝阻力系数按下式计算：已知折流板两侧的压差(P1-P2)又知侧流穿缝阻力系数，根据下式可计算环孔的尺寸：根据计算，在上下折流板上设计的开孔，开孔形式可按以下两种：图6折流板小孔分布的一种形式图7折流板小孔分布的另一种形式2、蒸汽的利用、节能环保由于丙烯氧化制丙烯酸是放热反应，装置规模越大，热量的集中利用效果就越明显。做好蒸汽的综合利用，对于丙烯酸装置节能增效意义非凡。一套8万吨丙烯酸装置，每小时可产2MPa的蒸汽40余吨，对于这些蒸汽，可以按照由高向低的等级逐级利用，把余热充分利用完。或者如果有需要更高等级的蒸汽，如3MPa、4MPa、5MPa等，也可以采用一反冷却段与反应段汽包分置的方法，提高蒸汽的利用效率。3、知识产权保护(专利等)丙烯酸在我国的发展历史并不长，但发展的速度十分惊人。对于大型丙烯酸装置，根据其装置特点，我们作为专业的反应器生产厂家，申请了一批相关专利，如翅片冷却式两段床反应器、壳程多腔式多层床反应器等，使丙烯酸厂家有了更多的选择。4、关于移热设备(熔盐冷却器)随着反应装置规模的不断增大，移热设备熔盐冷却器的形式也发生了变化，从汽包内置式改为汽包外置式。熔盐冷却器在大型装置中采用汽包外置式，这种设计操控简单，几台盐冷共用一个汽包，控制汽包的液位即可，操控性好，同时蒸汽品质稳定。大型丙烯酸反应器的制造，离不开先进的自动化装备。从管板的拼焊到热处理，从管板的车加工到管板的制孔，从反应管与管板的焊接到焊后焊缝的检测，无不体现了自动化的身影。我们的装备制造业也正在经历着从单一的手工制造向现代化、机械化、自动化的近进过程，在此基础上，反应器等设备的规模、性能才得以大幅度提升，才能使我国的装节约大型设备的制造运输成本，对于节约成本，降低设备的制造费用也至关重要。对于大型因烯酸反应器，整体运输运费已占到了设备造价的30%甚至更多。同时运输难度急剧增加、运输周期也无法保证、我们就要考虑新的方案了。图10大型反应器的汽运方案六万吨以上丙烯酸反应器的主要难点就在于第一反应器的制造和运输方案，对于第一反应器为三管板的丙烯酸反应器，如果设备的管长控制在4200m以内，就国内目前的公路运输条件来说，设备的直径大小不存在运输问题；我们可采用在制造厂完成反应段和冷却段的组焊。设备整体运输到用户现场，预留熔盐环道。封类的运输方案。设备到现场后，再进行熔盐环道和上下封头的组对工作。如果设备的曾长超过4200mm,而直径又超过4200m,我们就需采用其它办法，如在满足运输限制条件的情况下将零部件运输到用户现场，最后在用户现场进行设备的整体组装。对于用户现场整体组装的方案，我们经过多次经验的积累，提出了几套相应的解决方案，如；建临时厂房，改建仓库等，确保大型反应器组的制造工艺条件，也为更大型装备的制造提供了好的参考，积累了宝贵的经验。三、丙烯酸反应器组发展的方向与目标化工装置的发展都是以大型化，节能化为终极目标。当然，在特定阶段也有特定阶段的发展目标，大型化。节能化只能在这个过程中不断完需，今天，八万吨/年丙烯酸反应装置成功运行了，我们还期