丙烯酸反應(yīng)器研制

西安航天華威化工生物工程有限公司，副總經(jīng)理丙烯酸反應(yīng)器研制邰向陽趙仕哲(西安航天華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熱分解所得的乙烯酮與甲醛發(fā)生反應(yīng)制備的，后來又采用乙炔、水或乙醇以及CO為原料制得，但這些工藝均被丙烯氣相催化法所替代。目前，丙烯氣相氧化制丙烯酸，是丙烯酸的主要生產(chǎn)方法，并且全部采用氣相固定床氧化法，根據(jù)各專利持有者催化劑性能的不同，反應(yīng)器中反應(yīng)管的規(guī)格、數(shù)量以及反應(yīng)器的形式也有所差我國丙烯酸生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時裝置均采用丙烯腈水解法，規(guī)模小、品種少。經(jīng)過50余年的發(fā)展，在裝置的研究和制造方面我們已經(jīng)不再完全依賴進(jìn)口，國內(nèi)裝置的設(shè)計(jì)和制造能力得到了很大的提高，尤其是近幾年來的迅速發(fā)展，國產(chǎn)丙烯酸反應(yīng)器研制能力從2001年的6000噸/年、2004年的30000噸/年，到2005年已提高至60000噸/年，2010年80000噸/年丙烯酸反應(yīng)裝置再次研制成功。目前，裝置的研發(fā)加工能力再次飛躍發(fā)展，規(guī)模已提高至十萬噸/年以國產(chǎn)丙烯酸裝置的飛速發(fā)展，不僅離不開國內(nèi)各有關(guān)企業(yè)和研究院所的不懈努力研究，離不開相關(guān)丙烯酸生產(chǎn)企業(yè)的果斷決策與應(yīng)用，同時也離不開設(shè)備制造企業(yè)在設(shè)備加工和制造過程中的不斷鉆研和對先進(jìn)、專用設(shè)備的引進(jìn)。西安航天華威化工生物工程有限公司在國產(chǎn)丙烯酸裝置的氧化設(shè)備的制造方面，進(jìn)行了大量的研究與設(shè)備投入，使我國丙烯酸反應(yīng)器的制造技術(shù)趕上了世界先進(jìn)水平，也將我國大型固定床反應(yīng)器制造水平向前大大的推進(jìn)了一步。反應(yīng)器的溫差包括徑向與軸向溫差，溫差越小反應(yīng)器運(yùn)行越平穩(wěn)。但是，溫差太小又會帶來新的問題，諸如能耗提高等，不符合節(jié)能環(huán)保的理念，這就需要與催化劑廠商溝通，使其給出一個催化劑能夠承受的合理溫差范圍，這樣既可保證產(chǎn)品質(zhì)量，又達(dá)到了節(jié)能的效果。為了保證達(dá)到最佳效果，華威公司借助航天流體計(jì)算與模擬軟件，對裝置的運(yùn)行 2013丙烯酸及衍生物高峰論壇效果進(jìn)行了驗(yàn)證，加速了研發(fā)進(jìn)度。反應(yīng)器熔鹽流道的設(shè)計(jì)是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于各反應(yīng)管內(nèi)反應(yīng)條件相同，管外熔鹽若能均勻傳熱，就可保證各反應(yīng)管在相同的溫度分布曲線下運(yùn)行。目前國反應(yīng)器熔鹽環(huán)行流道形式主要為環(huán)行流道與反應(yīng)器殼體同心，在反應(yīng)器殼體上開有等距、不等尺寸的方孔。通過對熔鹽環(huán)道及折流板的計(jì)算，有效保證了反應(yīng)器內(nèi)部的徑向溫差。以下簡單列舉，當(dāng)然，還有其他因素需要考慮，此處就不再贅述。一般反應(yīng)器外形如圖1,左邊為第一反應(yīng)器外形，右邊為第二反應(yīng)器，反應(yīng)器主要分為主體段、上下熔鹽環(huán)道與上反應(yīng)器有2臺熔鹽泵時殼體開孔的規(guī)律，如圖2示。熔鹽的均勻分布首先是熔鹽進(jìn)入列管束之前和離開列管束后的均勻分布，即采取適當(dāng)措施使其進(jìn)入列管束之前和離開列管束后能夠沿圓周方向各開孔具有相同的質(zhì)量流量和相同的靜壓，如圖3第一反應(yīng)器圖1反應(yīng)器簡圖第二反應(yīng)器圖22臺熔鹽泵時的反應(yīng)器殼體開孔(窗)規(guī)律(上環(huán)道)(下環(huán)道)(上環(huán)道)圖32臺熔鹽泵時的環(huán)道對環(huán)道采用等量分流、等量合流的計(jì)算方法，是目前環(huán)道設(shè)計(jì)中較佳的設(shè)計(jì)方法，可有效保證徑向溫差。折流板的計(jì)算，也是直接影響徑向溫差的主要因素：圖4環(huán)盤形折流板反應(yīng)器設(shè)計(jì)中另一個重點(diǎn)就是折流板的設(shè)計(jì)，在大型反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，由于內(nèi)部熔鹽循環(huán)是大流量、低揚(yáng)程，所以折流板的形式一般采用環(huán)盤形設(shè)計(jì)(如圖4),折流板上開孔的大小和規(guī)律決定了反應(yīng)器設(shè)計(jì)性能的好壞，錯流式殼程折流板的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是計(jì)算熔鹽在反應(yīng)器殼程各處的靜壓及熔鹽流過反應(yīng)管與管板之間的環(huán)隙的阻力系數(shù)。要計(jì)算殼程各處的靜壓，首先是熔鹽流過管束的壓力損失，可計(jì)算單排管的壓力損失，再乘以管排數(shù)，計(jì)算公式如下： 2013丙烯酸及衍生物高峰論壇N管—管排數(shù)，△p管—側(cè)流穿縫阻力系數(shù)按下式計(jì)算：已知折流板兩側(cè)的壓差(P1-P2)又知側(cè)流穿縫阻力系數(shù)，根據(jù)下式可計(jì)算環(huán)孔的尺寸：根據(jù)計(jì)算，在上下折流板上設(shè)計(jì)的開孔，開孔形式可按以下兩種：圖6折流板小孔分布的一種形式圖7折流板小孔分布的另一種形式2、蒸汽的利用、節(jié)能環(huán)保由于丙烯氧化制丙烯酸是放熱反應(yīng)，裝置規(guī)模越大，熱量的集中利用效果就越明顯。做好蒸汽的綜合利用，對于丙烯酸裝置節(jié)能增效意義非凡。一套8萬噸丙烯酸裝置，每小時可產(chǎn)2MPa的蒸汽40余噸，對于這些蒸汽，可以按照由高向低的等級逐級利用，把余熱充分利用完。或者如果有需要更高等級的蒸汽，如3MPa、4MPa、5MPa等，也可以采用一反冷卻段與反應(yīng)段汽包分置的方法，提高蒸汽的利用效率。3、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)(專利等)丙烯酸在我國的發(fā)展歷史并不長，但發(fā)展的速度十分驚人。對于大型丙烯酸裝置，根據(jù)其裝置特點(diǎn)，我們作為專業(yè)的反應(yīng)器生產(chǎn)廠家，申請了一批相關(guān)專利，如翅片冷卻式兩段床反應(yīng)器、殼程多腔式多層床反應(yīng)器等，使丙烯酸廠家有了更多的選擇。4、關(guān)于移熱設(shè)備(熔鹽冷卻器)隨著反應(yīng)裝置規(guī)模的不斷增大，移熱設(shè)備熔鹽冷卻器的形式也發(fā)生了變化，從汽包內(nèi)置式改為汽包外置式。熔鹽冷卻器在大型裝置中采用汽包外置式，這種設(shè)計(jì)操控簡單，幾臺鹽冷共用一個汽包，控制汽包的液位即可，操控性好，同時蒸汽品質(zhì)穩(wěn)定。大型丙烯酸反應(yīng)器的制造，離不開先進(jìn)的自動化裝備。從管板的拼焊到熱處理，從管板的車加工到管板的制孔，從反應(yīng)管與管板的焊接到焊后焊縫的檢測，無不體現(xiàn)了自動化的身影。我們的裝備制造業(yè)也正在經(jīng)歷著從單一的手工制造向現(xiàn)代化、機(jī)械化、自動化的近進(jìn)過程，在此基礎(chǔ)上，反應(yīng)器等設(shè)備的規(guī)模、性能才得以大幅度提升，才能使我國的裝節(jié)約大型設(shè)備的制造運(yùn)輸成本，對于節(jié)約成本，降低設(shè)備的制造費(fèi)用也至關(guān)重要。對于大型因烯酸反應(yīng)器，整體運(yùn)輸運(yùn)費(fèi)已占到了設(shè)備造價(jià)的30%甚至更多。同時運(yùn)輸難度急劇增加、運(yùn)輸周期也無法保證、我們就要考慮新的方案了。圖10大型反應(yīng)器的汽運(yùn)方案六萬噸以上丙烯酸反應(yīng)器的主要難點(diǎn)就在于第一反應(yīng)器的制造和運(yùn)輸方案，對于第一反應(yīng)器為三管板的丙烯酸反應(yīng)器，如果設(shè)備的管長控制在4200m以內(nèi)，就國內(nèi)目前的公路運(yùn)輸條件來說，設(shè)備的直徑大小不存在運(yùn)輸問題；我們可采用在制造廠完成反應(yīng)段和冷卻段的組焊。設(shè)備整體運(yùn)輸?shù)接脩衄F(xiàn)場，預(yù)留熔鹽環(huán)道。封類的運(yùn)輸方案。設(shè)備到現(xiàn)場后，再進(jìn)行熔鹽環(huán)道和上下封頭的組對工作。如果設(shè)備的曾長超過4200mm,而直徑又超過4200m,我們就需采用其它辦法，如在滿足運(yùn)輸限制條件的情況下將零部件運(yùn)輸?shù)接脩衄F(xiàn)場，最后在用戶現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備的整體組裝。對于用戶現(xiàn)場整體組裝的方案，我們經(jīng)過多次經(jīng)驗(yàn)的積累，提出了幾套相應(yīng)的解決方案，如；建臨時廠房，改建倉庫等，確保大型反應(yīng)器組的制造工藝條件，也為更大型裝備的制造提供了好的參考，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。三、丙烯酸反應(yīng)器組發(fā)展的方向與目標(biāo)化工裝置的發(fā)展都是以大型化，節(jié)能化為終極目標(biāo)。當(dāng)然，在特定階段也有特定階段的發(fā)展目標(biāo)，大型化。節(jié)能化只能在這個過程中不斷完需，今天，八萬噸/年丙烯酸反應(yīng)裝置成功運(yùn)行了，我們還期