本發(fā)明涉及多相催化反應(yīng)，特別涉及一種傳熱組件以及應(yīng)用該組件的固定床反應(yīng)器、反應(yīng)方法。

背景技術(shù)：

1、多相催化反應(yīng)是指一種或多種反應(yīng)物在界面上(如固體催化劑表面上)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的總稱。乙二醇可采用多相催化水合工藝進(jìn)行制備。乙二醇是重要的脂肪族二元醇，用途廣泛，主要用途是生產(chǎn)聚酯樹脂，包括纖維、薄膜及工程塑料。還可直接用作換熱劑和防凍劑，同時也是生產(chǎn)醇酸樹脂、增塑劑、油漆、膠粘劑、表面活性劑、炸藥及電容器電解液等產(chǎn)品不可缺少的物質(zhì)。

2、以環(huán)氧乙烷為原料制備乙二醇的直接水合法，即環(huán)氧乙烷與水在一定條件下直接反應(yīng)生成乙二醇，反應(yīng)按是否需要催化劑可分為催化水合和非催化水合兩種工藝。非催化水合工藝，也稱加壓水合，該方法不使用催化劑，反應(yīng)進(jìn)料水和環(huán)氧乙烷的摩爾比(以下簡稱水比)為20～25∶1，反應(yīng)溫度150～200℃，反應(yīng)壓力0.8～2.0mpa，環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率接近100％，乙二醇選擇性90％左右。非催化水合在生產(chǎn)中大量的能量用于蒸發(fā)產(chǎn)品中85％以上的水分，能耗較高。因此，為了減少反應(yīng)水比，降低能耗，國內(nèi)外研究者已開展了多種環(huán)氧乙烷催化水合反應(yīng)技術(shù)的研究。使用多相催化水合工藝能明顯降低水合反應(yīng)器的水比，極大減少產(chǎn)品精制過程中用于蒸發(fā)水的能耗，同時多相催化水合工藝能降低反應(yīng)溫度和壓降，減少生成成本。

3、針對環(huán)氧乙烷和水經(jīng)過固體催化劑作用反應(yīng)生成乙二醇的工藝，在現(xiàn)有技術(shù)中已有所應(yīng)用。例如中國專利申請cn101306984a公開了一種用于環(huán)氧乙烷催化水合制乙二醇的固定床反應(yīng)器，該反應(yīng)器自上而下包括進(jìn)料管、封頭、法蘭、u形列管、防u形管傾斜擋板、盤狀再分配器、枝狀分配器、進(jìn)料管、u形列管支撐板、加熱介質(zhì)進(jìn)口、加熱介質(zhì)出口、管箱隔板等部件。該現(xiàn)有技術(shù)雖然通過催化劑裝填在u形列管外側(cè)，可在一定程度上解決催化劑裝填后的膨脹問題和優(yōu)化撤熱，但是采用這樣的設(shè)置方式容易使管外的反應(yīng)液體在流動過程中沿著管壁產(chǎn)生溝流效應(yīng)，會使得液體在固定床徑向方向上產(chǎn)生不均勻分布現(xiàn)象，而盤狀再分布器對解決溝流現(xiàn)象作用有限。反應(yīng)液體的溝流現(xiàn)象將影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性。同時，溝流效應(yīng)導(dǎo)致u形管外側(cè)液膜厚度較大，增大了傳熱阻力，降低了u形列管的撤熱能力。同時，其u形列管采用不同的規(guī)格且進(jìn)口端和出口端分別位于反應(yīng)器兩側(cè)，反應(yīng)器床層會因為u形列管這樣的分布方式產(chǎn)生溫度差，同樣將影響反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率。溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會縮短反應(yīng)器的使用壽命。

4、因此，亟需一種可有效避免溝流現(xiàn)象發(fā)生、且可使催化劑顆粒裝填區(qū)的反應(yīng)液體分布更均勻的傳熱組件以及應(yīng)用該組件的固定床反應(yīng)器。

5、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種傳熱組件以及應(yīng)用該組件的固定床反應(yīng)器、反應(yīng)方法，不僅可以有效避免撤熱管外壁發(fā)生的溝流現(xiàn)象導(dǎo)致的催化劑顆粒裝填區(qū)流體分布不均的問題，還可有效減小撤熱管外壁面的液膜厚度，降低傳熱阻力。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種傳熱組件以及應(yīng)用該組件的固定床反應(yīng)器、反應(yīng)方法，可避免反應(yīng)器兩側(cè)產(chǎn)生較大的溫差，保證反應(yīng)器徑向截面上反應(yīng)的均勻性。

3、為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種傳熱組件，應(yīng)用于多相催化反應(yīng)器中，包括：撤熱管單元，其數(shù)量為多個且呈u形并豎直布置，每根u形撤熱管的進(jìn)口端和出口端位于同一側(cè)且間隔設(shè)置；撤熱管外壁設(shè)有螺旋翅片部；撤熱管內(nèi)通入換熱介質(zhì)；催化劑裝填單元，其為相鄰撤熱管單元之間的空間，該空間內(nèi)填充固體催化劑顆粒；液相反應(yīng)物料在所述空間內(nèi)流動。

4、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，每根u形撤熱管的規(guī)格尺寸相同且均勻布置后的整體與多相催化反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)造相適配。

5、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，螺旋翅片部為撤熱管外壁的凸起結(jié)構(gòu)，該凸起結(jié)構(gòu)的投影形狀可以為三角形、半圓形、半橢圓形或矩形等形狀。

6、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，凸起結(jié)構(gòu)的投影形狀可以為等腰三角形。當(dāng)螺旋翅片部的螺距為h、撤熱管的直徑為d時，滿足h＝(0.2-1.5)×d。當(dāng)?shù)妊切蔚牡走叺囊话霝閔、且頂角的一半為θ時，滿足h＝(0.03-0.1)×d且10°≤θ≤60°。

7、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，相鄰兩根u形撤熱管的進(jìn)、出口端可呈正方形排列；當(dāng)正方形的邊長為w、撤熱管的直徑為d時，滿足w＝(1.4-2.5)×d。

8、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，u形撤熱管的上、下兩端均可設(shè)有支撐板。

9、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，催化劑裝填單元上、下兩端均可設(shè)有篩網(wǎng)；下端的篩網(wǎng)設(shè)于撤熱管底部下方。

10、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，多相催化反應(yīng)器可以為催化水合制備乙二醇的反應(yīng)器；液相反應(yīng)物料為液態(tài)環(huán)氧乙烷和液態(tài)水；固體催化劑可采用樹脂。

11、為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種固定床反應(yīng)器，應(yīng)用前述的傳熱組件。

12、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，固定床反應(yīng)器的換熱介質(zhì)進(jìn)口總管和換熱介質(zhì)出口總管均可位于反應(yīng)器頂部，且設(shè)置位置高于液相反應(yīng)物料的分布器。

13、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，液相反應(yīng)物料的分布器出液孔可設(shè)置在催化劑裝填單元所在的區(qū)域中間部位。

14、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，分布器出液孔的開孔率可以為2‰-75‰。

15、為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供了一種反應(yīng)方法，應(yīng)用前述的固定床反應(yīng)器，適用于多相催化反應(yīng)，包括：將多個規(guī)格尺寸相同的u形撤熱管豎向均勻排列，使得u形撤熱管的進(jìn)、出口端間隔設(shè)置；向u形撤熱管中通入換熱介質(zhì)并在u形撤熱管壁面外側(cè)填充固體催化劑顆粒；自上而下或自下而上均勻進(jìn)入固體催化劑顆粒所在空間的液相反應(yīng)物料在換熱介質(zhì)的控溫作用下，進(jìn)行催化反應(yīng)；反應(yīng)過程中，通過u形撤熱管外壁上的螺旋翅片部防止溝流，保持固體催化劑顆粒裝填區(qū)域的液相均勻分布。

16、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，該反應(yīng)方法可用于環(huán)氧乙烷催化水合制備乙二醇。

17、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，液相反應(yīng)物料為液態(tài)環(huán)氧乙烷和液態(tài)水；采用的固體催化劑為樹脂。

18、進(jìn)一步，上述技術(shù)方案中，在反應(yīng)溫度85～150℃、壓力1.0～1.8mpa、空速1～5h-1條件下，液相反應(yīng)物料通過固定床反應(yīng)器，與裝填在撤熱管外側(cè)的固體催化劑接觸反應(yīng)生成乙二醇。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

20、1)現(xiàn)有技術(shù)中液體反應(yīng)物料在流入催化劑填充空間時，由于催化劑顆粒之間存在空隙，很容易在撤熱管外壁的位置產(chǎn)生連續(xù)的空隙，液體在這樣的位置會形成“短路”，即液相物料的流動容易集中在撤熱管外壁發(fā)生溝流現(xiàn)象。由于u形撤熱管外壁的溝流現(xiàn)象，會導(dǎo)致催化劑顆粒裝填區(qū)流體分布不均勻的問題，本發(fā)明在u形撤熱管外壁上設(shè)置螺旋翅片部，通過螺旋翅片部的作用，可有效引導(dǎo)沿撤熱管外壁流動的液相物料朝徑向方向流動，避免發(fā)生溝流，從而使催化劑顆粒裝填區(qū)的流體分布更為均勻。同時，由于避免了溝流現(xiàn)象，可有效降低撤熱管外壁的液膜厚度，降低傳熱阻力。以上效果能更為有效地提高撤熱能力；

21、2)經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，螺旋翅片部的構(gòu)造只要凸出于撤熱管外壁即可引導(dǎo)液相反應(yīng)物料沿徑向流動，但當(dāng)螺旋翅片部的投影形狀為等腰三角形時，引導(dǎo)效果更佳；經(jīng)發(fā)明人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)效果與等腰三角形的底邊以及頂角等指標(biāo)密切相關(guān)。經(jīng)試驗驗證，本發(fā)明采用的等腰三角形的底邊相對于撤熱管直徑的尺寸范圍以及頂角的角度范圍，不僅可以有效避免撤熱管外壁的溝流現(xiàn)象，提高催化反應(yīng)的傳質(zhì)傳熱能力，還不會對流體流動產(chǎn)生較大阻力；

22、3)本發(fā)明將每根u形撤熱管的進(jìn)口端和出口端設(shè)于同一側(cè)且均勻間隔布置，由于每根撤熱管采用相同的尺寸規(guī)格，使得傳熱組件整體的結(jié)構(gòu)更為合理且在反應(yīng)器內(nèi)的徑向溫差控制的更小。相對于現(xiàn)有技術(shù)中u形撤熱管出口和進(jìn)口分別布置在反應(yīng)器徑向兩側(cè)、導(dǎo)致反應(yīng)器兩側(cè)存在較明顯的溫差，本發(fā)明可有效提高反應(yīng)器徑向截面上反應(yīng)的均勻性，避免徑向溫差引起的額外熱應(yīng)力使反應(yīng)器產(chǎn)生熱變形，降低反應(yīng)器使用壽命；

23、4)本發(fā)明將相鄰兩根u形撤熱管的進(jìn)、出口端呈正方形排列，且通過試驗證明將正方形的邊長與撤熱管的直徑設(shè)置為具有一定的關(guān)聯(lián)，相對于矩形或菱形等形狀布置，正方形的布置方式可進(jìn)一步提高液相反應(yīng)物料在催化劑裝填區(qū)域空間中的流動均勻性；

24、5)本發(fā)明將催化劑顆粒填充空間下端的篩網(wǎng)設(shè)置在撤熱管底部下方，可有效降低由撤熱管穿過篩網(wǎng)可能引起的催化劑泄漏風(fēng)險，降低反應(yīng)器制造加工難度；

25、6)本發(fā)明適用于多相催化反應(yīng)的固定床反應(yīng)器中，即反應(yīng)物料均為液相且催化劑為固體催化劑顆粒的應(yīng)用場景；特別適用于通過環(huán)氧乙烷的催化水合反應(yīng)制備乙二醇的過程中。

26、上述說明僅為本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚地了解本發(fā)明的技術(shù)手段并可依據(jù)說明書的內(nèi)容予以實施，同時為了使本發(fā)明的上述和其他目的、技術(shù)特征以及優(yōu)點更加易懂，以下列舉一個或多個優(yōu)選實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下。