一种12万吨级以上长寿命甲醛氧化器

摘要

本发明公开了一种12万吨级以上长寿命甲醛氧化器，包括氧化器壳体、换热管、银催化层和膨胀节，所述换热管设在氧化器壳体中段的内部从而构成管壳式换热器，该管壳式换热器的壳程用于流通反应物料，而管程用于流通冷源，且换热管的进水口和出水口均伸出壳体外部，并分别通过集水管汇集；所述氧化器壳体中段的上端的外周与膨胀节的一端固接，而膨胀节的另一端则与氧化器壳体的拱盖固接从而将氧化器壳体的上段和中段密封；换热管进水口和出水口设在氧化器壳体的同一侧，且至少第一层换热管的弯曲端半管封闭结构，且该半管封闭结构设有蒸汽引出口。本发明结构紧凑体积小能实现12万吨级甲醛生产，且解决了高温环境下换热管与管板之间的疲劳损害。

说明书

技术领域

本发明属于化工生产工艺及设备技术领域，尤其涉及用于甲醛生产的甲醛氧化器。

背景技术

目前，银法甲醛生产主要分为以下几个单元操作，甲醇蒸发单元、氧化反应单元、甲醛吸收单元、尾气处理单元。而银法甲醛生产中主要氧化反应器是核心设备，甲醛氧化器设计结构的合理性及制造质量的好坏直接影响甲醛成品质量、原料消耗和氧化器使用寿命。

目前，传统的结构式拱盖、催化剂室、急冷段组成。急冷段实际上是一个换热器，上管板上直接铺设铜网、催化剂铺在铜网上，这样缩短了催化剂层至急冷段的距离，从而产品得率高，酸度能控制在100x10^-6以下。但是，现有的甲醛氧化器仍然存在以下问题：甲醛氧化器工作温度为620~650℃，由于热应力会造成管板与换热管的拉裂；换热管与管板如果发生泄漏，会造成管程与壳程的介质汇合，造成生产事故；如果年产量超过12万吨生产，传统氧化器的体积变大，成为超限设备，造成运输的不变的同时，跨度的增大降低了设备在高温环境下的运行寿命；甲醛介质走管程，循环冷却水走壳程，工艺不合理，换热效果不好；管程走甲醛介质运行，由于整个管板存在，阻力大，运行不经济，能耗大；上管板存在干烧的情况，从而引起管板的烧裂情况。

发明内容

发明目的：针对上述存在的问题和缺陷，本发明提供了一种12万吨级以上长寿命甲醛氧化器，结构紧凑体积小能实现12万吨级甲醛生产，且解决了高温环境下换热管与管板之间的疲劳损害。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种12万吨级以上长寿命甲醛氧化器，包括氧化器壳体、换热管、银催化层和截面为“L”字形的膨胀节，所述氧化器壳体的中段为方形，上段和下段分别为拱盖和出料段；所述换热管设在氧化器壳体中段的内部从而构成管壳式换热器，该管壳式换热器的壳程用于流通反应物料，而管程用于流通冷源，且换热管的进水口和出水口均伸出壳体外部，并分别通过集水管汇集；所述银催化剂层固定在换热管的上方；所述氧化器壳体中段的上端的外周与膨胀节的一端固接，而膨胀节的另一端则与氧化器壳体的拱盖固接从而将氧化器壳体的上段和中段密封，且氧化器壳体中段的上端与氧化器壳体的上段能相对活动；所述换热管为U型结构，换热管进水口和出水口设在氧化器壳体的同一侧，且至少第一层换热管的弯曲端半管封闭结构，且该半管封闭结构设有蒸汽引出口

作为优选，还包括换热管支撑，所述换热管支撑包括底部支撑和中间支撑板，所述中间支撑板设有多个与换热管对应的穿孔，且该穿孔上设有与换热管外径匹配的套管；所述底部支撑设在中间支撑板下。

作为优选，所述氧化器壳体的上段和下段均为圆筒型，且氧化器壳体上段设有物料进口和气体分布器。

作为优选，所述氧化器壳的拱盖外壁设有冷却伴管。

作为优选，所述换热管为翅片管。

作为优选，所述换热管穿过氧化器壳体的部位套设有支撑套。

作为优选，所述最上层换热管上设有铜网支撑筋，该铜网支撑筋的上部平整，下部设有与换热管外径相匹配的凹槽。

作为优选，所述膨胀节仅在氧化器壳体的一侧有设置。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）新型氧化器结构采用方形，使结构变得更加紧凑；（2）解决换热管与管板如果发生泄漏，会造成管程与壳程的介质汇合的问题；（3）解决运输上只限于产量12万吨/年的问题；（4）解决氧化器换热效果不好的问题，同样换热面积下，翅片管比普通管换热管要少的多，生产能力提高但是设备变小；（5）解决氧化器阻力大，运行不经济，能耗大的问题；（6）设备使用寿命会从3年增加到10年。

附图说明

图1为本发明所述甲醛氧化器的结构示意图；

图2为图1中A处膨胀节的结构放大示意图；

图3为图1中B处半管封闭结构的结构放大示意图；

图4为图1中C处换热管支撑的结构放大示意图；

图5为图1中D处的结构放大示意图；

图6为图1中E处的结构放大示意图；

图7为本发明所述铜网支撑筋的结构示意图；

图8为现有技术中甲醛氧化器的结构示意图。

其中，拱盖1、中段2、下段3、换热管4、银催化剂层5、汇集管6、膨胀节7、半管封闭结构8、蒸汽引出口9、中间支撑板10、底部支撑11、套管12、支撑套13、铜网支撑筋14、物料进口15、气体分布器16、冷却伴管17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1～7所示，本发明所述甲醛氧化器，主要包括氧化器壳体、换热管、银催化层、截面为“L”字形的膨胀节和换热管支撑,其中：

氧化器壳体的分成三段，分别为上段的拱盖、中段的反应和急冷段以及下段的产物收集段，而氧化器壳体的中段为方形，翅片式换热管为U型结构，并呈矩阵式水平设在氧化器壳体的中段，且进水口和出水口均伸出氧化器壳体外并处于同一侧，然后将各个进水口和出水口分别通过汇集管汇集。另外，所述换热管支撑包括底部支撑和中间支撑板，所述中间支撑板设有多个与换热管对应的穿孔，且该穿孔上设有与换热管外径匹配的套管，同时氧化器壳体上穿过换热管的位置也安装有圆筒形支撑套。

由于催化剂层反应段的温度非常高，能达到650℃。氧化器壳体的反应段和急冷段之间的热膨胀较大，因此上段和中段的焊接处在膨胀不一致时容易导致焊接处疲劳损伤，进而缩短了使用寿命。作为优选方案，本发明在氧化器壳体的上段拱盖和中段上端之间设置截面为”L”字形的膨胀节，氧化器壳体中段的上端的外周与膨胀节的一端固接，而膨胀节的另一端则与氧化器壳体的拱盖固接从而将氧化器壳体的上段和中段密封，而氧化器壳体中段的上端与氧化器壳体的上段能相对活动（如图2所示）。所述膨胀节可以由不锈钢钢板折边制成，具有一定强度和合适的挠度。更佳优选的，仅在方形氧化器中段的一侧设置该膨胀节，因此仅在一侧发生错位膨胀收缩移动，避免了膨胀方向的不确定性。如果换热管与筒体的热膨胀不一致时，筒体板膨胀大于换热管的膨胀，右侧管板（氧化器右侧壳体）可以左右方向移动来补偿换热管的热膨胀。

发明人在试车过程中，还发现上排换热管最加容易损坏，经过拆解分析得知：这是由于甲醛氧化的反应区的温度大于620℃~650℃，在这么高的温度下长期工作，靠近银催化剂层的的排翅片式换热管的工作状况相当的恶略，对应的筒体板的工况也是相当的恶略。在此工况下，上排的翅片管瞬间产生的蒸汽量很大，翅片管内部由此可能出现缺水情况，从而引起翅片管的干烧，因此必须及时引出快速产生的蒸汽。为此，本发明将最上排的翅片式换热管的左侧的进水口和出水口通过汇集管汇集，但是右侧的U型弯管处则采用半管结构，从而形成较大体积的密封空间，并在密封空间的上部设置蒸汽引出口，通过负压的方式快速将蒸汽抽出，而未气化的冷却水则沿回流管从换热管的出水口流出，从而避免蒸汽处于管上方无法排出增大的冷却水的流通阻力，甚至是换热管的干烧，进而延长了翅片管的使用寿命。

如图4所示，还包括换热管支撑，所述换热管支撑包括底部支撑和中间支撑板，所述中间支撑板设有多个与换热管对应的穿孔，且该穿孔上设有与翅片换热管外径匹配的套管；所述底部支撑设在中间支撑板下。如图7所示，为中间支撑板的最上方架设固定的带凹槽的铜网支撑筋。因为银催化剂层的铜网要铺设在翅片管上，但是翅片管间距较大，不足以支撑整个铜网，如果不加设支撑的话铜网会自然下垂，整个铜网不平，催化剂就很难分布均匀了，从而影响整个反应效果，铜网铺设在翅片管上，能有效确保银层的整个平面的平面度并缩短催化氧化到急冷段的时间。因此，根据翅片管的距离在一定长度上加设铜网支撑板这样可以使翅片管顶部近似为一个方格框，在上面铺设铜网，铜网就很平整了。进一步的改进，所述换热管穿过氧化器壳体的部位也套设有支撑套。

进一步改进，为了避免氧化器壳体的不锈钢拱盖在650℃高温长期工作下不会发生过大变形和过烧问题，以及不锈钢敏化和损伤裂纹，本发明在拱盖的外壁设置有冷却伴管，降低该部分的温度，从而提高设备的使用寿命。

安装翅片式换热管时，先在氧化器壳体对应的穿孔处焊接用于支撑套的钢管，并同时在中段竖直放置中间支撑板，然后将翅片管插入氧化器壳体对应穿孔的钢管中，继续延伸穿过中间支撑板，待所有翅片管都穿好后，焊接固定中间支撑板，继续推送翅片管穿过对面的氧化器壳体，并将缝隙处堆焊密封。接着在最上层翅片管上架设铜网支撑筋，该铜网支撑筋的上部平整，下部设有与换热管外径相匹配的凹槽，然后将银催化剂铜网层依次叠加铺设在上方。作为优选方案，氧化器壳体右侧（即U型换热管弯折端所处的一侧）的穿孔相对左侧的孔径更大，从而方便换热管贯穿安装时的调整，同样的其对应的支撑套的壁厚更大从而与穿孔匹配。

综上所述，本发明主要解决了银法甲醛装置中甲醛氧化器存在的以下工艺和制造技术难点：

（1）将现有技术中流通冷却介质的壳程改为流通反应物料，而管程则流通冷却介质的方式，大大降低了氧化器的运行阻力，提高了产量经济性，降低了能耗。

（2）采用新型的方形氧化器结构，使结构更紧凑，产量更大，方便运输的同时，更有利于控制氧化器不同部件的热膨胀和冷收缩的方向，延长使用寿命。

（3）将翅片管设计成U型弯管，且出水口和进水口均伸出壳体外，从而完全避免了由于换热管或管板发生泄漏而造成的管程和壳程物质的混合的问题；

（4）对最上层翅片式换热管的弯管段设计为半管形结构，能快速引出蒸汽，从而能防止换热管干烧；同时氧化器壳体设计了L型膨胀节，提供了膨胀补偿，避免了管板膨胀幅度不一致造成焊接位置损伤及壳体的高温疲劳损伤；

（5）另外还通过带管套的换热器支撑，从而提高换热管的强度，避免由于换热管跨度过大造成换热管的变形。