孫義峰，張慶紅，邢薇薇

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

1 引言

順酐是世界上僅次于苯酐的第二大酸酐原料，其下游產(chǎn)品有著廣泛的開發(fā)和應(yīng)用前景。由于順酐分子存在共軛馬來(lái)?；ㄒ粋€(gè)乙烯鍵連接兩個(gè)羰基），具有較高的活性，可廣泛用于醫(yī)藥、食品添加劑、涂料、合成樹脂、表面活性劑、潤(rùn)滑油添加劑等領(lǐng)域，比如 1，4-丁二醇（BDO）、γ-丁內(nèi)酯（GLB）、不飽和聚酯樹脂（UPR）、四氫呋喃（THF）、丁二酸（SA）、富馬酸等重要化學(xué)品[1]。

目前順酐生產(chǎn)的工業(yè)方法按原料來(lái)源可分為4種，苯氧化法、正丁烷氧化法、C4烯烴法和苯酐副產(chǎn)法。隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其副產(chǎn)物的碳四烷烴產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，正丁烷來(lái)源充沛，正丁烷氧化法生產(chǎn)順酐具有成本低廉、環(huán)境友好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為新建項(xiàng)目的首選工藝路線，并將逐步替代或淘汰順酐行業(yè)的落后產(chǎn)能[2]。

使用正丁烷與空氣為原料生產(chǎn)順酐，在列管式固定床反應(yīng)器中、在催化劑作用下發(fā)生氣相氧化反應(yīng)，屬?gòu)?qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)器進(jìn)料正丁烷與空氣須混合均勻，如原料氣混合不均勻，造成局部“飛溫”及對(duì)催化劑造成損害，影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、順酐選擇性、收率、催化劑使用壽命及安全生產(chǎn)。

目前，氣體混合大多將兩種氣體同時(shí)通入一個(gè)容器內(nèi)或?qū)⑵渲幸环N氣體以噴頭方式噴入另一種氣體，然后通過氣體之間的自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)混合，這種方式混合速度慢、混合不夠均勻；有些裝置為強(qiáng)化混合，在進(jìn)入反應(yīng)器之前增加靜態(tài)混合器，利用靜態(tài)混合器的構(gòu)造內(nèi)件對(duì)氣體進(jìn)行擾動(dòng)，加強(qiáng)混合。設(shè)置混合容器及靜態(tài)混合器不僅增加投資，還增加管道系統(tǒng)的阻力使能耗增加，同時(shí)反應(yīng)器進(jìn)氣管道中正丁烷與空氣的混合氣體為爆炸性氣體，混合后管道越長(zhǎng)，爆炸性氣體混合物容積越大，危險(xiǎn)性越高。

2 技術(shù)研究

本研究?jī)?nèi)容主要提出一種管道式丁烷空氣混合分布器的新型設(shè)計(jì)（見圖1），混合分布器安裝于反應(yīng)器進(jìn)氣管道上，取消常規(guī)設(shè)計(jì)的混合容器及靜態(tài)混合器，使丁烷與空氣快速混合均勻，并使流動(dòng)阻力減小，從而降低上游氣體輸送單元能耗，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)安裝位置盡量靠近反應(yīng)器入口，減小爆炸性氣體容積，提高生產(chǎn)的安全性。

圖1 丁烷空氣混合分布器示意圖

丁烷空氣混合分布器，由匯流管、分布管及混合筒體組成；分布管與匯流管垂直連接、分布管插入混合筒體中，分布管插入方向與混合筒體管徑軸線垂直；混合筒體內(nèi)與分布管對(duì)應(yīng)處焊接管支托，分布管底部設(shè)置有堵板，插入管支托內(nèi)，分布管上設(shè)置有多排氣孔。流入?yún)R流管的具有一定壓力的原料丁烷氣通過分布管上氣孔噴出，類同于噴嘴效應(yīng)，將具有一定壓力勢(shì)能的丁烷氣體流過小孔時(shí)壓力降低，體積膨脹，比體積增加，流速相應(yīng)增大，這些高速射流在小孔附近形成真空，對(duì)混合筒體分布管小孔周圍的原料空氣形成卷吸，經(jīng)渦流后兩種原料氣完全均勻混合成反應(yīng)混合氣，繼續(xù)流經(jīng)混合筒體將高速流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力勢(shì)能，使靜壓恢復(fù)到大氣壓以上，向反應(yīng)器進(jìn)口方向繼續(xù)流動(dòng)，達(dá)到反應(yīng)器催化劑對(duì)進(jìn)料要求。

本管道式丁烷空氣混合分布器與反應(yīng)器進(jìn)氣管線管徑相同，兩端設(shè)置法蘭，通過法蘭與進(jìn)氣管線連接，方便安裝拆卸及檢修維護(hù)。丁烷空氣混合分布器的匯流管與混合筒體呈90度垂直流向，通過混合筒體內(nèi)分布管上的開孔，可將丁烷氣順向或逆向分布于空氣氣流中，利于兩種流體的混合，提高混合效率。每根分布管每排同一高度順向或逆向原料空氣流向的半圓上開孔2～3個(gè)，相鄰分布管的開孔布置交錯(cuò)設(shè)置。

分布管管徑可選范圍為DN15～DN25，排列間隔凈距可選3～4倍分布管公稱直徑，分布管上的氣孔孔徑可取Φ2.5～4.5mm，兩排豎向的孔間距可選20～30倍氣孔孔徑。

相鄰分布管的開孔在垂直方向交錯(cuò)布置，利于兩種氣體在整個(gè)空間的均勻混合。分布管底部焊一堵板并插入管支托的1/4高度，管支托鉆孔尺寸比分布管外徑略大，使得分布管插入管支托成過盈配合，可使丁烷氣從分布管小孔高速噴出起到緩沖作用，管支托與混合筒體焊接固定可以有效防止丁烷氣從分布管小孔高速噴出引起的分布管振動(dòng)，進(jìn)而引起分布管插入混合筒體接口處焊縫撕裂造成丁烷氣體向大氣泄漏的事故發(fā)生。

通過采用新型管道式丁烷空氣混合分布器，使丁烷與空氣混合均勻，壓力降控制在允許范圍內(nèi)約0.01MPa，其安裝位置可盡量靠近反應(yīng)器入口，減小爆炸性氣體容積，改善原料氣的混合均勻度，使進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣體以平推流型式與催化劑床層接觸，氣-固反應(yīng)均勻進(jìn)行，有利于延長(zhǎng)催化劑使用壽命并提高生產(chǎn)安全性。

采用上述設(shè)備及方法，在規(guī)定的壓降限制（小于等于0.01MPa）條件下實(shí)現(xiàn)最大化混合，達(dá)到反應(yīng)器催化劑進(jìn)料混合均勻的要求，可不再設(shè)置靜態(tài)混合器，使原料通過混合分布器阻力降盡量小，降低進(jìn)入混合分布器的原料空氣及丁烷的壓力，從而降低能耗，并可將其盡量靠近反應(yīng)器入口安裝，減小爆炸性氣體容積，提高生產(chǎn)的安全性。

通過丁烷空氣混合器后氣體混合效果，可通過濃度測(cè)量取樣器監(jiān)測(cè)，在混合后的管線上不同高度處設(shè)取樣點(diǎn)，經(jīng)色譜分析，混合分布器下游丁烷濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值小于等于0.01，可判定混合效果良好。

本研究?jī)?nèi)容依據(jù)目前順酐反應(yīng)器單套生產(chǎn)能力為1.0～3萬(wàn)t/a的基礎(chǔ)提出，按此規(guī)模計(jì)算出原料空氣及丁烷氣體的用量，選擇合理的氣體流速，確定出混合筒體及匯流管的管徑；分布管的數(shù)量則是根據(jù)原料空氣流經(jīng)混合筒體中分布管管排后的壓力降盡量小且分布管排列的凈距便于設(shè)備零部件的焊接加工；分布管開孔數(shù)量及孔徑滿足丁烷氣體流經(jīng)小孔的流速要求，多角度與空氣混合。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前在順酐市場(chǎng)供求基本趨于平衡，順酐市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，因此順酐生產(chǎn)過程中能耗、安全等因素變得尤為重要，以本研究提出的新型管道式丁烷空氣混合分布器進(jìn)行設(shè)計(jì)與其他方法相比，具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。