丁烷空气混合分布器

孙义峰，张庆红，邢薇薇

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

1 引言

顺酐是世界上仅次于苯酐的第二大酸酐原料，其下游产品有着广泛的开发和应用前景。由于顺酐分子存在共轭马来酰基（一个乙烯键连接两个羰基），具有较高的活性，可广泛用于医药、食品添加剂、涂料、合成树脂、表面活性剂、润滑油添加剂等领域，比如 1，4-丁二醇（BDO）、γ-丁内酯（GLB）、不饱和聚酯树脂（UPR）、四氢呋喃（THF）、丁二酸（SA）、富马酸等重要化学品[1]。

目前顺酐生产的工业方法按原料来源可分为4种，苯氧化法、正丁烷氧化法、C4烯烃法和苯酐副产法。随着石油化工产业的迅速发展，其副产物的碳四烷烃产量逐年增长，正丁烷来源充沛，正丁烷氧化法生产顺酐具有成本低廉、环境友好、安全可靠等优点，已成为新建项目的首选工艺路线，并将逐步替代或淘汰顺酐行业的落后产能[2]。

使用正丁烷与空气为原料生产顺酐，在列管式固定床反应器中、在催化剂作用下发生气相氧化反应，属强放热反应，反应器进料正丁烷与空气须混合均匀，如原料气混合不均匀，造成局部“飞温”及对催化剂造成损害，影响反应转化率、顺酐选择性、收率、催化剂使用寿命及安全生产。

目前，气体混合大多将两种气体同时通入一个容器内或将其中一种气体以喷头方式喷入另一种气体，然后通过气体之间的自由扩散运动实现混合，这种方式混合速度慢、混合不够均匀；有些装置为强化混合，在进入反应器之前增加静态混合器，利用静态混合器的构造内件对气体进行扰动，加强混合。设置混合容器及静态混合器不仅增加投资，还增加管道系统的阻力使能耗增加，同时反应器进气管道中正丁烷与空气的混合气体为爆炸性气体，混合后管道越长，爆炸性气体混合物容积越大，危险性越高。

2 技术研究

本研究内容主要提出一种管道式丁烷空气混合分布器的新型设计（见图1），混合分布器安装于反应器进气管道上，取消常规设计的混合容器及静态混合器，使丁烷与空气快速混合均匀，并使流动阻力减小，从而降低上游气体输送单元能耗，同时可实现安装位置尽量靠近反应器入口，减小爆炸性气体容积，提高生产的安全性。

图1 丁烷空气混合分布器示意图

丁烷空气混合分布器，由汇流管、分布管及混合筒体组成；分布管与汇流管垂直连接、分布管插入混合筒体中，分布管插入方向与混合筒体管径轴线垂直；混合筒体内与分布管对应处焊接管支托，分布管底部设置有堵板，插入管支托内，分布管上设置有多排气孔。流入汇流管的具有一定压力的原料丁烷气通过分布管上气孔喷出，类同于喷嘴效应，将具有一定压力势能的丁烷气体流过小孔时压力降低，体积膨胀，比体积增加，流速相应增大，这些高速射流在小孔附近形成真空，对混合筒体分布管小孔周围的原料空气形成卷吸，经涡流后两种原料气完全均匀混合成反应混合气，继续流经混合筒体将高速流动的动能转换成压力势能，使静压恢复到大气压以上，向反应器进口方向继续流动，达到反应器催化剂对进料要求。

本管道式丁烷空气混合分布器与反应器进气管线管径相同，两端设置法兰，通过法兰与进气管线连接，方便安装拆卸及检修维护。丁烷空气混合分布器的汇流管与混合筒体呈90度垂直流向，通过混合筒体内分布管上的开孔，可将丁烷气顺向或逆向分布于空气气流中，利于两种流体的混合，提高混合效率。每根分布管每排同一高度顺向或逆向原料空气流向的半圆上开孔2～3个，相邻分布管的开孔布置交错设置。

分布管管径可选范围为DN15～DN25，排列间隔净距可选3～4倍分布管公称直径，分布管上的气孔孔径可取Φ2.5～4.5mm，两排竖向的孔间距可选20～30倍气孔孔径。

相邻分布管的开孔在垂直方向交错布置，利于两种气体在整个空间的均匀混合。分布管底部焊一堵板并插入管支托的1/4高度，管支托钻孔尺寸比分布管外径略大，使得分布管插入管支托成过盈配合，可使丁烷气从分布管小孔高速喷出起到缓冲作用，管支托与混合筒体焊接固定可以有效防止丁烷气从分布管小孔高速喷出引起的分布管振动，进而引起分布管插入混合筒体接口处焊缝撕裂造成丁烷气体向大气泄漏的事故发生。

通过采用新型管道式丁烷空气混合分布器，使丁烷与空气混合均匀，压力降控制在允许范围内约0.01MPa，其安装位置可尽量靠近反应器入口，减小爆炸性气体容积，改善原料气的混合均匀度，使进入反应器的原料气体以平推流型式与催化剂床层接触，气-固反应均匀进行，有利于延长催化剂使用寿命并提高生产安全性。

采用上述设备及方法，在规定的压降限制（小于等于0.01MPa）条件下实现最大化混合，达到反应器催化剂进料混合均匀的要求，可不再设置静态混合器，使原料通过混合分布器阻力降尽量小，降低进入混合分布器的原料空气及丁烷的压力，从而降低能耗，并可将其尽量靠近反应器入口安装，减小爆炸性气体容积，提高生产的安全性。

通过丁烷空气混合器后气体混合效果，可通过浓度测量取样器监测，在混合后的管线上不同高度处设取样点，经色谱分析，混合分布器下游丁烷浓度的标准偏差除以平均值小于等于0.01，可判定混合效果良好。

本研究内容依据目前顺酐反应器单套生产能力为1.0～3万t/a的基础提出，按此规模计算出原料空气及丁烷气体的用量，选择合理的气体流速，确定出混合筒体及汇流管的管径；分布管的数量则是根据原料空气流经混合筒体中分布管管排后的压力降尽量小且分布管排列的净距便于设备零部件的焊接加工；分布管开孔数量及孔径满足丁烷气体流经小孔的流速要求，多角度与空气混合。

3 结束语

目前在顺酐市场供求基本趋于平衡，顺酐市场的竞争日趋激烈，因此顺酐生产过程中能耗、安全等因素变得尤为重要，以本研究提出的新型管道式丁烷空气混合分布器进行设计与其他方法相比，具有较大的竞争优势。