丁烷空氣混合分布器

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，其下游產品有著廣泛的開發和應用前景。由于順酐分子存在共軛馬來酰基（一個乙烯鍵連接兩個羰基），具有較高的活性，可廣泛用于醫藥、食品添加劑、涂料、合成樹脂、表面活性劑、潤滑油添加劑等領域，比如 1，4-丁二醇（BDO）、γ-丁內酯（GLB）、不飽和聚酯樹脂（UPR）、四氫呋喃（THF）、丁二酸（SA）、富馬酸等重要化學品[1]。

目前順酐生產的工業方法按原料來源可分為4種，苯氧化法、正丁烷氧化法、C4烯烴法和苯酐副產法。隨著石油化工產業的迅速發展，其副產物的碳四烷烴產量逐年增長，正丁烷來源充沛，正丁烷氧化法生產順酐具有成本低廉、環境友好、安全可靠等優點，已成為新建項目的首選工藝路線，并將逐步替代或淘汰順酐行業的落后產能[2]。

使用正丁烷與空氣為原料生產順酐，在列管式固定床反應器中、在催化劑作用下發生氣相氧化反應，屬強放熱反應，反應器進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”及對催化劑造成損害，影響反應轉化率、順酐選擇性、收率、催化劑使用壽命及安全生產。

目前，氣體混合大多將兩種氣體同時通入一個容器內或將其中一種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散運動實現混合，這種方式混合速度慢、混合不夠均勻；有些裝置為強化混合，在進入反應器之前增加靜態混合器，利用靜態混合器的構造內件對氣體進行擾動，加強混合。設置混合容器及靜態混合器不僅增加投資，還增加管道系統的阻力使能耗增加，同時反應器進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，爆炸性氣體混合物容積越大，危險性越高。

2 技術研究

本研究內容主要提出一種管道式丁烷空氣混合分布器的新型設計（見圖1），混合分布器安裝于反應器進氣管道上，取消常規設計的混合容器及靜態混合器，使丁烷與空氣快速混合均勻，并使流動阻力減小，從而降低上游氣體輸送單元能耗，同時可實現安裝位置盡量靠近反應器入口，減小爆炸性氣體容積，提高生產的安全性。

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；混合筒體內與分布管對應處焊接管支托，分布管底部設置有堵板，插入管支托內，分布管上設置有多排氣孔。流入匯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，將具有一定壓力勢能的丁烷氣體流過小孔時壓力降低，體積膨脹，比體積增加，流速相應增大，這些高速射流在小孔附近形成真空，對混合筒體分布管小孔周圍的原料空氣形成卷吸，經渦流后兩種原料氣完全均勻混合成反應混合氣，繼續流經混合筒體將高速流動的動能轉換成壓力勢能，使靜壓恢復到大氣壓以上，向反應器進口方向繼續流動，達到反應器催化劑對進料要求。

本管道式丁烷空氣混合分布器與反應器進氣管線管徑相同，兩端設置法蘭，通過法蘭與進氣管線連接，方便安裝拆卸及檢修維護。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，相鄰分布管的開孔布置交錯設置。

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布置，利于兩種氣體在整個空間的均勻混合。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，進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約0.01MPa，其安裝位置可盡量靠近反應器入口，減小爆炸性氣體容積，改善原料氣的混合均勻度，使進入反應器的原料氣體以平推流型式與催化劑床層接觸，氣-固反應均勻進行，有利于延長催化劑使用壽命并提高生產安全性。

采用上述設備及方法，在規定的壓降限制（小于等于0.01MPa）條件下實現最大化混合，達到反應器催化劑進料混合均勻的要求，可不再設置靜態混合器，使原料通過混合分布器阻力降盡量小，降低進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器入口安裝，減小爆炸性氣體容積，提高生產的安全性。

通過丁烷空氣混合器后氣體混合效果，可通過濃度測量取樣器監測，在混合后的管線上不同高度處設取樣點，經色譜分析，混合分布器下游丁烷濃度的標準偏差除以平均值小于等于0.01，可判定混合效果良好。

本研究內容依據目前順酐反應器單套生產能力為1.0～3萬t/a的基礎提出，按此規模計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；分布管的數量則是根據原料空氣流經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備零部件的焊接加工；分布管開孔數量及孔徑滿足丁烷氣體流經小孔的流速要求，多角度與空氣混合。

3 結束語

目前在順酐市場供求基本趨于平衡，順酐市場的競爭日趨激烈，因此順酐生產過程中能耗、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行設計與其他方法相比，具有較大的競爭優勢。