Аппарат для жидкофазного синтеза изопрена

 

Аппарат предназначен для жидкофазного синтеза изопрена и включает два последовательно соединенных колонных трубчатых реактора, второй из которых содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и спускную - в виде наружных циркуляционных труб, причем в трубах второго реактора установлены кольцевые сужения. В предлагаемом аппарате увеличивается эффективность его работы за счет стабилизации фазового состава потока реагентов по трубам второго реактора. Предпочтительно кольцевые сужения в трубах второго реактора устанавливать на одинаковой высоте. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к аппаратам химической технологии и предназначено для проведения процесса синтеза изопрена одностадийным методом на основе изобутилена и формальдегида в жидкой среде. Известно описание реакторного блока для одностадийного синтеза изопрена, осуществляемого в двух последовательно соединенных кожухотрубных реакторах с внутренней циркуляцией водного слоя в каждом из них (а. с. СССР N 1216940, кл.C 07 C 11/18, 1983).

Недостатком указанной конструкции является размещение внутри реактора опускных труб, неиспользование межтрубных проходов для опускающихся потоков, что ведет к большой металлоемкости конструкций.

Наиболее близким к предлагаемому является аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, который включает два последовательно соединенных колонных трубчатых реактора. Первый реактор содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и опускную секцию в виде межтрубных проходов этого же трубного пучка. Второй реактор выполнен в виде кожухотрубной колонны, верхняя часть которой над трубной доской соединена с нижней частью под трубной доской наружными циркуляционными трубопроводами (заявка N 4673404, решение о выдаче патента от 20.05.92 г.).

В известном способе для интенсификации процесса взаимодействия реагентов за счет организации циркуляции водной фазы в подъемные трубы подается изобутилен в количестве, в несколько раз превышающем необходимое для реакции. Фазовый состав реакционной смеси в первом реакторе представляет собой жидкость, во втором жидкость газ вследствие увеличения температуры процесса от 100 110^oC в первом реакторе до 165 175^oC во втором реакторе.

Основным недостатком этой конструкции, ограничивающим ее применение при разработке аппаратов жидкофазного синтеза изопрена большой единичной мощности, является недостаточная эффективность процесса взаимодействия реагентов, вызванная перераспределением фаз по высоте подъемных труб. Если в первом реакторе соотношение легкой фазы изобутилена и тяжелой водной по высоте подъемных труб изменяется незначительно, то во втором реакторе благодаря переходу изобутилена, а также продуктов реакции в газовую фазу соотношение газовой и жидкой фаз резко изменяется от минимального значения в начале трубы до максимального на выходе. При этом снижается эффективность использования реакционного объема в связи с тем, что химические превращения протекают в жидкой фазе.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, увеличение эффективности аппарата за счет стабилизации фазового состава потока реагентов по трубам второго реактора.

Предлагается аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, включающий два последовательно соединенных колонных трубчатых реактора, второй из которых содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и спускную в виде наружных циркуляционных труб, причем в трубах трубного пучка второго реактора установлены кольцевые сужения.

Предпочтительно устанавливать кольцевые сужения в трубах второго реактора на одинаковой высоте.

Отличиями предлагаемого аппарата от прототипа является установление в трубах трубного пучка второго реактора кольцевых сужений и предпочтительная установка их во всех трубах на одинаковой высоте.

Кольцевые сужения, будучи местным сопротивлением, существенно влияют на распределение газовой и жидкой фаз по сечению потока, причем на значительной высоте трубы после местного сопротивления, т.е. после кольцевого сужения.

На участках трубы, расположенных после местного сопротивления, т.е. кольцевого сужения, наблюдается значительное изменение плотности смеси в сторону ее увеличения (С.С. Кутетеладзе, М.А.Сытрикович. Гидродинамика газожидкостных систем. М. Энергия, 1976, с.174).

Поэтому размещение кольцевых сужений на внутренней поверхности труб подъемной секции второго реактора аппарата жидкофазного синтеза изопрена увеличивает плотность смеси, т.е. долю жидкой фазы, в которой протекает реакция в присутствии катализатора, и, следовательно, увеличивает фактическое время пребывания реагентов в реакционном объеме. Этот реактор имеет особое значение для промышленного аппарата жидкофазного синтеза изопрена, в котором высота подъемных труб достигает 12 м.

Кроме того, для создания одинаковых условий взаимодействия реагентов во всех трубах трубного пучка второго реактора кольцевые сужения на их внутренней поверхности выполняются на одном уровне.

На фиг. 1 изображен предлагаемый аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, на фиг. 2 кольцевые сужения в трубе. Аппарат состоит из вертикально установленного реактора первой ступени 1, снабженного внизу патрубками для подачи в реактор исходных компонентов водного раствора формальдегида и катализатора через патрубок 2 и изобутилена через патрубок 3, вверху - патрубком 4 для отвода промежуточных продуктов реакции по трубопроводу 5 в следующий реактор. Во внутреннем объеме реактора 1 размещен трубный пучок, образующий в трубах подъемную секцию и в межтрубных проходах 7 опускную секцию. В нижней части реактора 1 под трубным пучком 6 расположено устройство для распределения по трубам изобутилена, которое выполнено в виде коллектора 8 с отходящими от него вверх форсунками 9, входящими в подъемные трубы 6. Циркуляция водной фазы обеспечивается подачей изобутилена легкой фазы в трубы трубного пучка. Аппарат содержит далее реактор второй ступени 10, включающий в себя трубный теплообменник 11 с трубным пучком и трубными досками 12, 13, сепарационную зону 14 над верхней трубной доской 12, содержащей выходной патрубок 15 для отбора паровой смеси изопрена и компонентов реакции, и базовые патрубки 16, сообщающие сепарационную зону с наружными циркуляционными трубами 17, которые соединены с нижней частью реакционной зоны 18. В нижней части реактора 10 размещено распределительное устройство, имеющее плоское днище 19 и размещенные в днище патрубки 10 с отверстиями, выполненными на одном уровне. Реакционную массу из первого реактора подают в реакционную зону под днище распределительного устройства по подводящей трубе 21, соединенной с трубопроводом 5. В верхней части циркуляционных труб 17 встроены дополнительные сепарационные емкости 22, сообщающиеся трубопроводами 23 с патрубком 15 для выхода изопрена в смеси с компонентами реакции. Корпус реактора снабжен патрубками 14 для подвода греющего пара в теплообменник 11 и патрубком 25 для отвода конденсата. В сепарационных емкостях 22 имеются патрубки 26 для вывода водной фазы, содержащей катализатор, для повторного использования в первом реакторе. В трубах 27 трубного пучка реактора 10 установлены кольцевые сужения 28. Кольцевые сужения выполнены на одном уровне на расстоянии друг от друга (120 190)b, где b внутренний диаметр труб. При расстоянии меньшем, чем 120b, возрастает количество сужений по высоте труб и, соответственно, сопротивление труб, что отрицательно сказывается на скорости циркуляции водной фазы, а следовательно, на процессах тепло-массообмена. При расстоянии большем, чем 190b, эффект влияния кольцевых сужений на структуру газожидкостного потока становится незначительным. Кольцевые сужения могут быть выполнены путем подвальцовки концов труб и придания им конической формы с последующей сваркой их.

Аппарат для жидкофазного синтеза изопрена работает следующим образом. Исходный продукт водный раствор формальдегида с катализатором серной кислоты поступает в первый реактор 1 через патрубок 2. Изобутилен в жидком виде через патрубок 3 подается в распределительное устройство коллектор 8 и через форсунки 9 во все трубы 6 трубного пучка. Так как плотность изобутилена меньше плотности водной фазы, возникает циркуляция водной фазы в межтрубных проходах 7, обеспечивающая условия, близкие к идеальному смешению. Реакционная масса из реактора первой ступени 1 по трубопроводу 5, подводящей трубе 21 поступает под днище 19 распределительного устройства. Здесь происходит накопление промежуточных продуктов реакции до определенного уровня. Через отверстия патрубков 20 они смешиваются с потоком водного раствора катализатора, циркулирующего внутри реактора по трубам 17, и далее распределяются по трубам 27 теплообменника 11. В трубах 27 при подогреве до определенной температуры синтезируется изопрен и одновременно испаряется часть продуктов реакции, поступая в сепарационную зону 14 реактора. Паровая смесь продуктов реакции отводится из реактора через выходной патрубок 15, водная фаза по боковым отводящим патрубкам 16 поступает в сепарационные емкости 22 и далее в циркуляционные трубы 17. Пары из сепарационных емкостей 22 по трубопроводам 23 поступают в патрубок 15. В трубах 27 на определенном расстоянии устанавливаются кольцевые сужения 28.

Реакционный поток, поступающий из первого реактора 1 в нижнюю часть реакционной зоны 18, первоначально нагревается за счет смешения с нагретой до 165 175^oC водной фазой. При этом часть жидкого изобутилена переходит в газовое состояние, поскольку критическая температура изобутилена 143^oC, накапливается под днищем распределительной тарелки, проходя через отверстия в патрубках 20, смешивается с жидким реакционным потоком и поступает в трубы 27 трубного пучка теплообменника 11. Здесь происходит дальнейший нагрев реакционного потока до температуры реакции 165 175^oC, при которой происходит синтез изопрена. Одновременно при этом происходит переход части компонентов реакции в паровую фазу с увеличением газосодержания по высоте труб.

В зоне кольцевых сужений 28 в реакционном потоке происходит перераспределение газовой и жидкой фаз, доля газовой фазы сокращается за счет коалесценции мелких пузырей, соответственно возрастает доля жидкой фазы, в которой протекает реакция образования изопрена в присутствии катализатора - серной кислоты. Тем самым достигается более полное использование реакционного объема и увеличение эффективности аппарата.

Диаметр кольцевых сужений равен (0,87 0,96)b, где b внутренний диаметр труб. При значении коэффициента меньше 0,80 возрастает гидравлическое сопротивление в трубах, уменьшая скорость циркуляции водной фазы. При значении коэффициента больше 0,95 эффект перераспределения фаз становится несущественным. Расположение кольцевых сужений на одном уровне обеспечивает одинаковые условия в трубах, приводит к достижению максимальной скорости циркуляции и эффективного теплообмена.

Предлагаемая конструкция аппарата жидкофазного синтеза изопрена позволяет за счет перераспределения газовой и жидкой фаз вдоль труб трубного пучка второго реактора более полно использовать реакционный объем, повысить производительность аппарата, создать условия для более равномерного распределения потоков по трубкам аппарата при стабилизации теплового режима в трубках в узком температурном интервале.

Формула изобретения

1. Аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, включающий две последовательно соединенных реактора, отличающийся тем, что реакторы выполнены колонными, трубчатыми, второй из которых содержит подъемную секцию в виде трубного пучка и спускную секцию в виде наружных циркуляционных труб, и в трубах второго реактора установлены кольцевые сужения.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что кольцевые сужения установлены в трубах на одинаковой высоте.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2