對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法及專用設備的製作方法

2023-05-28 11:41:16 4

專利名稱：：對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法及專用設備的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法及專用設備和應用。
背景技術：
：精製對苯二甲酸(PTA)是生產聚脂(PET)的重要原料。目前生產PTA的方法主要有阿莫柯、三井油化和杜邦的三種專利技術，這三種技術都採用對二甲苯為原料的液相空氣氧化法，以醋酸為溶劑，醋酸鈷和醋酸錳為催化劑，氫溴酸或四溴乙烷做促進劑進行生產。生產PTA裝置氧化工段工藝路線由於溫度高、壓力大，且含溴離子的濃醋酸在充分曝氣的條件下，介質腐蝕性非常強烈，因而該氧化工段許多設備及管道均需選用鈦材。對於工藝生產過程中產生的高溫高壓含溴醋酸蒸氣一般都需要進行換熱冷凝，常規一套PTA生產線在氧化反應器後往往設3臺大型鈦制第一冷凝器和3臺大型鈦制第二冷凝器，一個大型石化企業往往需要好幾套PTA生產線。目前，生產PTA時涉及冷卻含溴醋酸蒸氣的換熱方法一般為冷熱兩流體分別位於管程和殼程通過管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱，使用的冷凝換熱器基本上均採用鈦制的固定管板式換熱器，立式安裝，如圖1所示，這種鈦制固定管板式換熱器中，換熱管束2'採用工業純鈦管，管箱4'採用鈦複合鋼板或鈦襯裡，管板3'採用鈦複合鋼板或在鋼板上襯鈦板，殼體r採用碳鋼製作，一流體可從殼程進口ir進入殼體r內，進行熱交換後從殼程出口12'流出，同時另一流體可從管程進口21'進入換熱管束為2'內進行熱交換，之後再從管程出口22'流出，其中折流板5'的設置可以改變流體在殼體l'內的流動方向增大換熱效率，膨脹節7'可用於控制殼體l'的膨脹程度，支架6'用於控制換熱器立式安裝。在換熱過程中，高溫高壓的含溴離子的醋酸氣體通入管程，冷凝劑如水等通入殼程，冷熱兩種流體直接通過管束壁進行熱交換。但是，由於鈦材熱膨脹係數遠比碳鋼的熱膨脹係數低，在使用過程中因熱膨脹鈦管束與鋼製殼體的熱變形不等，極易造成在管束與管板連接部位產生較大的附加應力，易引發鈦管的斷裂，即使在殼體上設置膨脹節也不能解決這一問題。另一方面，目前使用的鈦制固定管板式換熱器鈦換熱管束與鈦複合鋼製管板的連接均採用脹接加焊接的方式。由於鈦材的屈強比明顯大於鋼，使得脹接後鈦管的彈性回彈量明顯大於鋼，加上鈦材與時間相關的性能如滯彈性行為等，導致鈦管與鋼質管板的脹接連接易發生鬆弛，造成鈦管換熱器與冷凝器管口洩漏。這一問題在國內多家石化企業PTA裝置上存在，已經成為PTA裝置發展的主要瓶頸。類似地，在很多鋼鐵企業的煤氣精製裝置中，高溫硫環境下採用的鈦管換熱器，其管口也有洩漏情況出現。鑑於鈦材與鋼材性能方面存在的差異，鈦換熱管的斷裂及鈦管與鋼質管板接頭的3洩漏等為鈦制換熱器的主要失效形式，亦屬於難以避免的失效，因而成為嚴重製約鈦制換熱設備應用的關鍵技術難題，至今沒有得到很好解決。目前新進口的鈦冷凝器仍然存在同樣的失效與洩漏問題，故有必要在克服鈦制固定管板式換熱器固有結構缺陷方面進行徹底變革。
發明內容本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中鈦制固定管板式換熱器在對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣換熱時的設備易失效和洩漏的缺陷，提供了一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法。該換熱方法安全性高，不易洩漏換熱流體，且設備不易失效，同時換熱效率有較大的提高，能在滿足生產工藝所需的換熱能力前提下，進一步降低成本。本發明還涉及該換熱方法的專用設備及其應用。在化工生產涉及換熱的過程中，針對換熱的具體流體而使用的換熱方法及設備極大地影響了設備的換熱效率及安全性。對於對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣換熱方法，本發明人經過大量的實驗研究試圖找到一種能徹底克服現有換熱方法及相應設備的固有缺陷，發現使用發明人特製的熱管式換熱器用於對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱，安全性高、設備不易洩漏失效，同時換熱效率有較大的提高，能在滿足生產工藝所需的換熱能力前提下，進一步減小換熱器本身體積，降低材料成本。本發明通過下述技術方案解決上述技術問題。本發明提供一種熱管式換熱器，其包括一殼體和若干熱管，該殼體由一上封頭、一上殼體、一下殼體、以及一下封頭密封組成，該上殼體與該下殼體之間設有一分隔板，該分隔板上設有若干通孔，該分隔板兩側密封；其中，該熱管、該分隔板以及該下封頭的材質為鈦，該下殼體的材質為鈦或鈦鋼複合板，該熱管通過該通孔螺紋密封固定於該分隔板上。本發明的上述熱管式換熱器為了適用於腐蝕性介質的換熱和/或冷卻，特別是為了適用於對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱而在現有熱管式換熱器上進行改良。由於含溴醋酸蒸氣的腐蝕性，因此熱管式換熱器中與含溴醋酸蒸氣相接觸部分——熱管式換熱器下部的加熱部(蒸發部)，例如熱管、分隔板、下封頭以及下殼體內壁的材質必須是耐腐蝕的，本發明選用現常用的鈦。然而為了含溴醋酸蒸氣不擴散至熱管式換熱器上部的散熱部(冷凝部)，因而熱管通過通孔固定於分隔板上時必須密封性好，加之鈦材質較硬以及熱管式換熱器內部空間限制無法焊接連接，故而本發明優選採用螺紋密封方式。這種熱管固定於分隔板上，與上殼體、下殼體分離，與殼體之間無相互約束的結構，特別是本發明中熱管通過單支點螺紋密封固定連接在分隔板上的結構設計，消除了鈦管與鋼製管板的脹接連接，因而熱管可以因熱脹冷縮而移動或變形，也不存在換熱管與殼體熱變形的不同而產生附加應力，這就有效避免了鈦與鋼由於彈性回彈量差異大以及鈦材的滯彈性行為等引發的鈦管與鋼質管板的脹接連接易鬆弛，而導致接口洩漏及換熱器失效問題的產生。而且，本發明的熱管式換熱器結構簡單、易拆卸、安裝、更換且維護方便，冷、熱流體均走管外，冷熱流體流向的夾角可根據工藝要求任意調整；每支熱管在熱管式換熱器中都是一個獨立的小換熱器，一兩支熱管的失效並不影響整個熱管式換熱器，更不會影響與熱管式換熱器有關的系統，若單側熱管管壁發生破壞時，兩側的流體也不會發生洩露而使兩種流體相互汙染，增加了設備使用的安全性。較佳地，該熱管通過該通孔單支點螺紋密封固定於該分隔板上，既考慮了熱管的可拆換性，又更好地保證嚴密的密封性；所述的單支點螺紋密封具體實現方式較佳的為採用鈦制空心螺釘焊接於熱管的外殼壁上，在分隔板的另一側用螺母與該空心螺釘相擰緊固定。更佳地為螺紋加填料密封固定，能更進一步承受更高壓差作用力。該熱管的固定方式既考慮了熱管的可拆換性，又保證嚴密的密封性，同時熱管的熱脹冷縮變形不受約束，避免了應力損傷，完全不存在換熱管易斷裂或接頭鬆弛造成洩漏的情況。較佳地，該熱管每根管子之間的排列方式為有序，一般由該分隔板上的通孔排列方式決定，可為等邊三角形、正方形、正方形斜轉45度以及同心圓形等多種方式。較佳地，綜合考慮熱管工作溫度區，內部工質與殼體、吸液芯材質的相容性，以及內部工質的熱穩定性、經濟性、毒性，還有內部工質的傳輸因素等各方面影響因素，優選取水為熱管內部工作介質。較佳地，考慮到節約成本，該上殼體以及該上封頭的材質為不鏽鋼。較佳地，考慮到上封頭與上殼體的材料及連接成本，該上封頭與該上殼體焊接。較佳地，考慮到節約成本，下殼體的材質為鈦鋼複合板。較佳地，考慮到鋼與鈦、鈦與鈦鋼複合板不易焊接，該上殼體與該下殼體優選法蘭連接。較佳地，考慮到鋼與鈦、鈦與鈦鋼複合板不易焊接，該下殼體與下封頭優選通過法蘭和螺栓連接。較佳地，該下封頭頂部設有一排液口，可用於將換熱器冷凝的冷凝液從匯集於該下封頭處排出至換熱器外，必要時還可以回收利用。較佳地，該上殼體的流體進口設置於該上殼體的下部，該上殼體的流體出口設置於該上殼體的上部，該上殼體的流體進口與流體出口在同一縱剖面內。較佳地，該下殼體的流體進口設置於該下殼體的下部，該下殼體的流體出口設置於該下殼體的上部，該下殼體的流體進口與流體出口在同一縱剖面內。較佳地，該上殼體的流體進口與流體出口在同一縱剖面內，並且該下殼體的流體進口與流體出口在同一縱剖面內，兩個縱剖面相互垂直，由此可以達到換熱效率最大化。其中，本發明熱管式換熱器的熱管個數、換熱面積、上下殼體的高度、或徑高比值，以及熱管與上下殼體長度的比值等等具體尺寸大小均為常規熱管式換熱器的常規尺寸，而本領域技術人員也知道在應用於某個具體工藝時，可根據具體工藝的換熱要求按本領域常規方式調整本發明熱管式換熱器的具體尺寸。本發明還涉及一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法，其包括將含溴醋酸蒸氣通入一熱管式換熱器進行換熱，即可；其中，該熱管式換熱器為本發明前述的熱管式換熱器。其中，所述的對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法在含溴醋酸蒸氣通入熱管式換熱器時，加熱熱管的蒸發段，然後熱管將熱量傳導至熱管冷凝段，之後在熱管冷凝段，熱管與通入換熱器的冷凝劑發生熱交換，由此實現換熱。其中，所述的對苯二甲酸製備工藝為本領域常規生產對苯二甲酸的方法，主要包括阿莫柯、三井油化和杜邦的三種專利技術，均為以對二甲苯為原料的液相空氣氧化法，以醋酸為溶劑，醋酸鈷和醋酸錳為催化劑，氫溴酸或四溴乙烷做促進劑進行生產。本發明的換熱方法可與本領域常規的對苯二甲5酸製備工藝除換熱外的其他工藝流程相聯用。其中，本發明的換熱方法涉及的條件為本領域常規條件，所述的含溴醋酸蒸氣的流速較佳的一般設置為23m/s;所述的冷凝劑較佳的為水，所述的冷凝劑的流速較佳的一般設置為l2m/s。本發明還涉及本發明的熱管式換熱器在腐蝕性介質的換熱和/或冷卻的工藝中作為換熱器或冷卻器的應用。本發明熱管式換熱器特別適用於作為生產對苯二甲酸工藝時的專用換熱器，同時也可以推廣應用到常減壓裝置塔頂冷卻器、脫硫裝置換熱器與冷凝器等應用場合，尤其可以推廣應用到沿海石化企業的煉油、石油化工、化工、電站等的海水冷卻器。在符合本領域技術常識的基礎上，上述技術特徵的各優選條件可任意組合獲得本發明的較佳實施例。本發明的積極進步效果在於本發明提供了一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法及專用設備和應用。本發明的換熱方法及其專用設備的配合使用，使換熱效率、安全性以及換熱設備易於洩漏或失效的狀況得到明顯改善，在滿足生產工藝所需的換熱能力前提下，進一步減小換熱器本身體積，降低材料成本。圖1為現有的固定管板式換熱器結構示意圖。圖2為本發明較佳實施例的熱管式換熱器的垂直剖面結構示意圖。圖3為本發明較佳實施例的分隔板、上殼體、下殼體及熱管連接的局部放大的結構示意圖。圖3a為本發明較佳實施例的圖3中標號9處的分隔板與熱管連接的局部放大的結構示意圖。圖3b為本發明較佳實施例的圖3中標號8處的上殼體與下殼體連接的局部放大的結構示意圖。圖4為本發明較佳實施例的下封頭的結構示意圖。圖5為本發明較佳實施例的上殼體的結構示意圖。圖6為本發明較佳實施例的下殼體的結構示意圖。圖7為本發明較佳實施例的上殼體的流體進口與流體出口、下殼體的流體進口與流體出口的相對位置的俯視圖。圖8為本發明較佳實施例在用於生產對苯二甲酸氧化反應器的冷凝系工藝流程圖。具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。如圖27所示，本發明提供了一種熱管式換熱器。本發明的熱管式換熱器，如圖2所示，其包括殼體和若干熱管1，該殼體由上封頭2、上殼體3、下殼體4、以及下封頭5密封組成，上殼體3與下殼體4之間設有分隔板6，分隔板6上設有若干通孔，分隔板6兩側密封，殼體外部還設有支架7用於固定熱管式換熱器使其立式使用。其中，熱管1、分隔板6以及下封頭5的材質為鈦，下殼體4的材質為鈦或鈦鋼複合板，優選為鈦鋼複合板，上殼體3以及上封頭2的材質優選為不鏽鋼。上殼體3和下殼體4一般為圓柱筒狀，可通過本領域常規工藝如巻板、焊接等製成。如圖3所示的分隔板、上殼體、下殼體及熱管連接的局部放大的結構示意圖3a，熱管1通過通孔螺紋密封固定於該分隔板6上，較佳的為單支點螺紋密封，更佳地為螺紋加填料密封。如圖3中的9即圖3a所示，鑑於熱管管壁上不宜加工螺紋，較佳的採用鈦制空心螺釘11焊接於熱管1外殼壁上，然後穿過分隔板6的通孔，在分隔板6的另一側用螺母12擰緊固定，從而實現螺紋密封。熱管1的這種固定方式既考慮了熱管的可拆換性，又保證嚴密的密封性，同時熱管的熱脹冷縮變形不受約束，避免了應力損傷，特別是螺紋加填料的密封方式，能更進一步承受更高壓差作用力，而且即使一兩支熱管的失效也並不會影響整個熱管式換熱器，更不會影響與熱管式換熱器有關的系統。熱管1一般管外無翅片，其中的內部工質可為本領域常規使用的液態工質，較佳的為水。熱管1每根管子之間的排列方式為有序，一般由分隔板6上的通孔排列方式決定，可為等邊三角形、正方形、正方形斜轉45度以及同心圓形等多種方式。上封頭2與上殼體3的連接方式較佳的為焊接。如圖3中的8即圖3b所示，上殼體3與下殼體4之間設有分隔板6，上殼體3、分隔板6與下殼體4的連接方式較佳的為法蘭連接。下殼體4與下封頭5的連接方式較佳的為法蘭和螺栓連接。如圖4所示，下封頭5的頂部還設有排液口51，排液口51可用於將換熱器冷凝的冷凝液從匯集的下封頭5中排出至換熱器外。考慮到儘量實現換熱器的換熱效率最大化，對於上殼體3的流體進出口如圖5所示，設置為上殼體流體進口31設於上殼體3的下部，上殼體流體出口32設於上殼體3的上部，較佳的，上殼體流體進口31與上殼體流體出口32在同一縱剖面內；對於下殼體4的流體進出口如圖6所示，設置為下殼體流體進口41設於下殼體4的下部，下殼體流體出口42設置於下殼體4的上部，較佳的，下殼體流體進口41與下殼體流體出口42在同一縱剖面內；更佳地，上殼體3與下殼體4的流體進出口，如圖7所示，上殼體流體進口31與上殼體流體出口32在同一縱剖面內，同時，下殼體流體進口41與下殼體流體出口42在同一縱剖面內，兩個縱剖面相互垂直，從而進一步了增大換熱效率。其中，考慮到成本因素，下殼體的材料較佳的為如圖6中43所示的鈦鋼複合板。將本實施例的熱管式換熱器應用於製備精製對苯二甲酸生產工藝中含溴醋酸蒸氣的冷凝中。工藝流程可見圖8，工藝採用阿莫柯法生產PTA，以對苯二甲酸為原料，醋酸為溶劑，醋酸鈷、醋酸錳為催化劑，四溴乙烷為促進劑，在194t:下進行液相空氣氧化反應生成對苯二甲酸，為了處理生產過程中產生的高溫高壓含溴醋酸蒸氣，氧化反應釜100之後設置了熱管式換熱器200、熱管式換熱器300和熱管式換熱器400，這3臺熱管式換熱器連接方式為串聯，具體為流程為反應原料進料至氧化反應釜100中進行液相空氣氧化反應，反應過程中生成的含溴醋酸蒸氣通入熱管式換熱器200經由熱管與冷卻水進行冷凝換熱，部分未冷凝的含溴醋酸蒸氣繼續依次通入熱管式換熱器300和熱管式換熱器400繼續冷凝換熱，直至含溴醋酸蒸氣冷卻至室溫左右；其中，部分匯集於熱管式換熱器下封頭的冷凝液可回流至氧化反應釜100中回收利用。其中，本實施例的熱管式換熱器用於對苯二甲酸製備工藝中將含溴醋酸蒸氣換熱7的具體方法為將待冷凝的含溴醋酸蒸氣經下殼體流體進口41進入下殼體4的空腔內，在部分位於下殼體4空腔內的熱管1即熱管1的蒸發段上進行冷凝發生熱交換，熱管1吸收含溴醋酸蒸氣的熱量並傳導至另一端，冷凝液沿熱管1外壁流下，匯集於下封頭5中，該冷凝液可由下封頭排液口51，少量未被冷凝蒸氣經由下殼體流體出口42排出；同時，冷卻水經上殼體流體進口31進入上殼體3的空腔內，流經部分位於上殼體3空腔內的熱管1即熱管1的冷凝段，從熱管1上吸收由熱管1在下殼體4中傳導過來的熱量發生熱交換，然後再經上殼體流體出口32排出，從而實現整個熱交換過程。本工藝流程使用的熱管式換熱器中熱管的排列是採用等邊三角形排列，橫向管子中心距ST=0.067m;SL=ST=0.067m。換熱器工藝參數以及工藝所採用的介質狀態、質量流量見表1及表2;同時為便於計算，又不失一般性，設整個過程83.3%蒸氣冷凝為液體。表1冷卻水側工藝參數tableseeoriginaldocumentpage8表2蒸氣側工藝參數tableseeoriginaldocumentpage9tableseeoriginaldocumentpage10表4本發明熱管式換熱器的結構參數tableseeoriginaldocumentpage10比較對比表3和表4的結構參數可知，採用本發明換熱方法及所述換熱器，與現有常規固定管板式換熱器達到相同的換熱效果，本發明的熱管式換熱器尺寸和材質用量都有大幅下降，大大降低成本。雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改。因此，本發明的保護範圍由所附權利要求書限定。權利要求一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法，其特徵在於其包括將含溴醋酸蒸氣通入一熱管式換熱器進行換熱；其中，該熱管式換熱器包括一殼體和若干熱管，該殼體由一上封頭、一上殼體、一下殼體、以及一下封頭密封組成，該上殼體與該下殼體之間設有一分隔板，該分隔板上設有若干通孔，該分隔板兩側密封，該熱管、該分隔板以及該下封頭的材質為鈦，該下殼體的材質為鈦或鈦鋼複合板，該熱管通過該通孔螺紋密封固定於該分隔板上。2.如權利要求1所述的換熱方法，其特徵在於該熱管通過該通孔單支點螺紋密封固定於該分隔板上。3.如權利要求1或2所述的換熱方法，其特徵在於該熱管通過該通孔螺紋加填料密封固定於該分隔板上。4.如權利要求13任一項所述的換熱方法，其特徵在於該上封頭與該上殼體焊接；該上殼體與該下殼體法蘭連接；該下殼體與下封頭通過法蘭和螺栓連接；該下封頭頂部設有一排液口。5.—種為實施權利要求1所述的換熱方法而採用的熱管式換熱器，其包括一殼體和若干熱管，該殼體由一上封頭、一上殼體、一下殼體、以及一下封頭密封組成，該上殼體與該下殼體之間設有一分隔板，該分隔板上設有若干通孔，該分隔板兩側密封，其特徵在於該熱管、該分隔板以及該下封頭的材質為鈦，該下殼體的材質為鈦或鈦鋼複合板，該熱管通過該通孔螺紋密封固定於該分隔板上。6.如權利要求5所述的熱管式換熱器，其特徵在於該熱管通過該通孔單支點螺紋密封固定於該分隔板上。7.如權利要求6所述的熱管式換熱器，其特徵在於該熱管通過該通孔螺紋加填料密封固定於該分隔板上。8.如權利要求57任一項所述的熱管式換熱器，其特徵在於該上封頭與該上殼體焊接；該上殼體與該下殼體法蘭連接；該下殼體與下封頭通過法蘭和螺栓連接；該下封頭頂部還設有一排液口。9.如權利要求58任一項所述的熱管式換熱器，其特徵在於該熱管的內部工質為水；該上殼體以及該上封頭的材質為不鏽鋼。10.如權利要求59任一項所述的熱管式換熱器在腐蝕性介質的換熱和/或冷卻的工藝中作為換熱器和/或冷卻器的應用。全文摘要本發明公開了一種對苯二甲酸製備工藝中含溴醋酸蒸氣的換熱方法及專用設備。該換熱方法包括將含溴醋酸蒸氣通入一熱管式換熱器進行換熱，其中，該熱管式換熱器的熱管、分隔板以及下封頭的材質為鈦，下殼體的材質為鈦或鈦鋼複合板，熱管通過通孔螺紋密封固定於分隔板上。本發明還涉及該熱管式換熱器在腐蝕性介質的換熱和/或冷卻的工藝中作為換熱器和/或冷卻器的應用。該換熱方法配合專用設備的使用克服了現有換熱方法及設備的固有缺陷，同時換熱效率有較大的提高，能在滿足生產工藝所需的換熱能力前提下，進一步減小換熱器本身體積，降低材料成本。文檔編號F28F11/00GK101738116SQ200910201579公開日2010年6月16日申請日期2009年12月22日優先權日2009年12月22日發明者侯峰,應翔,張莉,徐宏,阮藝平,齊寶金申請人:華東理工大學