适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化装置与方法与流程

1.本发明属于高沸点物质汽化技术领域，涉及一种适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化装置。


背景技术：

2.甲醇和乙二醇是碳一化学利用的两种重要产物。其中，甲醇素有“甲醇经济”之称，在能源和化工方面均具有重要作用，可作为有机化工原料、液体燃料、储氢载体及良好溶剂。而乙二醇作为一种基础化工原料，可用于生产聚酯树脂，醇酸树脂和聚酯纤维，还可用于胶黏剂、增塑剂、油漆、炸药、非离子型表面活性剂等领域。当今，二氧化碳导致的温室效应及环境破坏日益加剧，利用二氧化碳资源，化学转化合成甲醇与乙二醇等化学品，对能源、环境和经济具有重要意义。
3.由于二氧化碳分子的热力学稳定性好和动力学惰性等特点，二氧化碳直接加氢转化路线存在反应条件要求高、催化剂活性低等问题。目前，工业上已实现二氧化碳与环氧乙烷生产碳酸乙烯酯的过程，该反应具有很高的反应活性和选择性。因此，以二氧化碳为原料，首先制备碳酸乙烯酯，然后将碳酸乙烯酯与氢气在温和条件下反应制备乙二醇同时联产甲醇，可实现二氧化碳的高效间接利用，具有较大的应用潜力。
4.目前，有关于碳酸乙烯酯加氢反应的研究都偏重于催化剂本身的性能与制备过程，对碳酸乙烯酯加氢工艺流程的研究和优化几乎未见任何公开报道。已有资料中，催化剂的考评多采用搅拌釜间歇操作，反应体系需加入一定量的溶剂如四氢呋喃、1,4-二氧六环、环己烷等。然而在工业应用中，间歇操作效率较低，难以进行大规模生产，且气液固三相加氢体系需在后续分离单元增加溶剂回收装置，提高设备投资及能耗。为解决上述问题，研究碳酸乙烯酯的气固相连续化催化加氢工艺具有重要意义。其中，如何实现碳酸乙烯酯的汽化过程更是重中之重，遗憾的是，尚未有公开专利或文献对碳酸乙烯酯的汽化工艺进行系统研究。
5.碳酸乙烯酯为热敏性高沸点物质，高温下易结焦聚合，无法采用直接加热的方式汽化碳酸乙烯酯。因此，需开发一种有效的碳酸乙烯酯汽化手段。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化装置和方法。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明的技术方案之一提出了一种适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化装置，包括汽化器壳体、进料喷雾机构和气体分布器，所述汽化器壳体的顶端和底端分别设有汽化物料出口和热气体入口，所述的气体分布器连接所述热气体入口，并用于将从热气体入口进入的热气体以旋流形式引入汽化器壳体内，所述的进料喷雾机构内伸入所述汽化器壳体内位于气体分布器上方的位置。
9.进一步的，所述的气体分布器包括连接所述热气体入口并将热气体均匀分配的分布器主体、以及布置在分布器主体侧壁上的分布器出口，在分布器出口旁还竖直布置有导向叶片。
10.更进一步的，所述的分布器出口与导向叶片的夹角呈锐角。气相出口的尺寸与导向叶片的角度均可按照实际需要适当调整，以改善气液混合效果，强化气液传热和传质过程，保证汽化快速完成。
11.进一步的，所述的汽化器壳体的高度需满足汽化时间要求，并在其内部形成位于下段的旋流区和位于上段的管流区。更进一步的，所述的管流区内还横向交错设置有折流挡板。
12.旋流区位于汽化装置最下方，气体分布器出口的热氢气以旋流状向上运动，此处流体以旋流运动为主，同时存在径向和轴向的运动，气液在此处高效混合，大量碳酸乙烯酯小液滴在此处迅速汽化。沿轴向方向，气体的旋流运动逐渐衰减并进入管流区。管流区以轴向运动为主，此区域内气体夹带少量液体沿轴向运动，基本无径向上的运动，不利于气液的径向高效混合，致使在管流区内，汽化器中心到边壁存在一定的温度差，边壁热气体的热量不能很好的传递到中心去汽化碳酸乙烯酯小液滴，从而影响汽化效果。为保证剩余少量液体全部汽化，可在管流区设置折流挡板，为轴向运动的气体提供径向扰动，进一步增强气液混合效果、强化传热与传质过程，保证原料在此处完全汽化。
13.进一步的，所述的汽化器壳体在汽化物料出口位置还设有丝网除沫器。可有效防止雾沫夹带，同时也可作为改善气液混合效果，强化气液传热和传质的有效手段，保证出口处极少量未被汽化的原料在丝网除沫器的表面完全汽化。
14.进一步的，所述的进料喷雾机构包括布置在汽化器壳体侧壁的液体进料口、连接所述液体进料口并伸入汽化器壳体内的连接管道件、以及设置在所述连接管道件上的雾化喷嘴。雾滴优选呈竖直向上喷出。雾化喷嘴采用常规的单流体喷嘴，如碳酸乙烯酯等高沸点物质液体经喷嘴雾化后，所得液滴的索太尔平均液滴直径在150微米以下，具有更大的表面积，极大的增加了气液相间的传热面积，有利于汽化过程的快速完成。
15.进一步的，所述的汽化器壳体、进料喷雾机构和气体分布器分别一一对应设置一组或多组(分别对应一次性进料或分段进料的方式)，当汽化器壳体设有多组时，相邻汽化器壳体串联，此时，实现高沸点物质分段进料。当采用分段进料方式时，每段进料均通过进料喷雾机构引入汽化装置。由于同样压降下，进入喷嘴的流量越小，雾化所得小液滴的索太尔平均液滴直径越小，越有利于汽化。因此，同样规模下，当采用分段进料方式时，更有利于汽化。
16.进一步的，所述的高沸点物质为碳酸乙烯酯，对应从热气体入口进入的热气体为摩尔浓度90％-100％的热氢气，其中，热氢气与碳酸乙烯酯的摩尔比为150-300：1。
17.更进一步的，该汽化装置的操作压力为2-5mpa，热气体的进料温度为190-240℃。
18.进一步的，汽化器壳体的内径需满足整个汽化过程中，碳酸乙烯酯等高沸点物质雾滴不与汽化器壳体内壁碰撞接触，避免雾化后的小液滴重新在汽化器壳体内壁形成液膜，影响汽化效果。
19.本发明的技术方案之二在于提供了一种适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化方法，其采用如上述的装置实施，实施过程中，分别将高沸点物质与热气体经进料喷雾
机构和热气体入口引入汽化器壳体内，即完成汽化。
20.以碳酸乙烯酯这一高沸点物质为例，为降低汽化温度，可利用大量氢气来降低混合物中碳酸乙烯酯的分压，实现其在低温条件下的汽化。本发明研究发现，当氢酯摩尔比为300，汽化压力为4mpa时，碳酸乙烯酯混合物的汽化温度为175℃，与加氢反应的温度区间(170-220℃)相比，最大温差不超过45℃，若氢酯比降低至200，与加氢反应的相对温差则降低至34℃以内。事实上，碳酸乙烯酯催化加氢反应与温度密切相关，相对最优的温度区间为180-200℃，在该温度条件下，过热度还会进一步降低。由上可知，碳酸乙烯酯的汽化属于低过热度条件下的汽化过程，对汽化装置内的传热传质要求极高，若无法实现气液高效混合，有效强化气液相间的传热和传质过程，则难以实现完全汽化。若在高于加氢反应的温度条件下进行汽化，一方面，碳酸乙烯酯会因自身热敏性问题而结焦；另一方面，汽化后的物料需要后续的降温才能进入加氢装置，一旦在降温过程中出现局部过冷造成碳酸乙烯酯气体冷凝，则会使得催化剂床层局部带液，从而导致反应器上部催化剂结焦，床层压降增大，影响原料转化率和产物选择性，并降低催化剂寿命，不利于大型工业化装置连续稳定的长周期运转。
21.为了解决上述问题，本发明采用进料喷雾系统将液体碳酸乙烯酯雾化为微米级小液滴，雾化后的碳酸乙烯酯具有更大的表面积，极大增加了气液相传热面积，其与热氢气在汽化装置中充分接触并汽化。汽化装置中设置有可强化内部流场、增强气液混合效果的内构件，通过轴向、径向的双向扰动，有效改善气液混合效果，强化气液传热和传质过程，大大提高了汽化效率，使得碳酸乙烯酯在低过热度环境中迅速汽化，汽化后的温度与加氢反应温度保持一致，可直接送入催化剂床层进行反应，使汽化与反应过程合理匹配。该方法也适用于其他高沸点物质在低过热度环境中的快速汽化过程。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.(1)首次提出了一种适用于高沸点物质，特别是碳酸乙烯酯原料的汽化方法，尤其适用于碳酸乙烯酯的气固相催化加氢体系，也适用于其他高沸点物质在低过热度环境中的迅速汽化过程。
24.(2)本发明所采用的汽化工艺条件与碳酸乙烯酯的加氢反应条件相匹配，汽化后的产物可直接进入反应体系，无需额外降温，避免了降温过程中因局部过冷使得碳酸乙烯酯气体冷凝而造成催化剂上部床层带液的问题，也可有效避免碳酸乙烯酯在汽化过程中的结焦问题。
25.(3)本发明采用喷雾汽化方式，雾化后的小液滴具有较大的表面积，极大的增加了气液相间的传热面积，强化了传热过程；与此同时，采用特殊设计的内构件强化汽化装置的内部流场，通过轴向、径向的双向扰动，增强气液混合效果，有效强化了气液传热和传质过程，大大提高了汽化效率，缩短了汽化时间，使得碳酸乙烯酯在低过热度环境中迅速汽化。
26.(4)本发明的汽化装置结构简单，汽化方法有效可靠，为碳酸乙烯酯的气固相加氢过程提供了一种工业可行的汽化解决方案。
附图说明
27.图1为本发明中一种实施方式的示意图；
28.图2为本发明中第二种实施方式的示意图；
29.图3为本发明中第三种实施方式的示意图
30.图4为本发明中的一种旋流式气体分布器的立体示意图；
31.图5为旋流式气体分布器的主视示意图；
32.图6为本发明中对比例的示意图；
33.图7为本发明中对比例中气体分布器的示意图；
34.图8为本发明中汽化装置内的流场示意图；
35.图中标记说明：
36.1-汽化器壳体，2-进料喷雾机构，3-热气体入口，4-汽化物料出口，5-气体分布器，6-折流挡板，7-液体进料口，8-喷嘴，9-连接管道件，10-丝网除沫器。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
38.本发明提出了一种适用于高沸点物质在低过热度环境中的汽化装置，其结构参见图1所示，包括汽化器壳体1、进料喷雾机构2和气体分布器5，所述汽化器壳体1的顶端和底端分别设有汽化物料出口4和热气体入口3，所述的气体分布器5连接所述热气体入口3，并用于将从热气体入口3进入的热气体以旋流形式引入汽化器壳体1内，所述的进料喷雾机构2内伸入所述汽化器壳体1内位于气体分布器5上方的位置。
39.在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图4和图5所示，所述的气体分布器5包括连接所述热气体入口3并将热气体均匀分配的分布器主体、以及布置在分布器主体的侧壁上的分布器出口501，在分布器出口501旁还竖直布置有导向叶片502。分布器出口501与导向叶片502可分别设有一个或多个，当设有多个时，在各个分布器出口501旁布置的导向叶片502形成类似“棘轮”的表面。
40.更具体的实施方式中，所述的分布器出口501与导向叶片502的夹角呈锐角。气相出口的尺寸与导向叶片502的角度均可按照实际需要适当调整，以改善气液混合效果，强化气液传热和传质过程，保证汽化快速完成。
41.在本发明的一种具体的实施方式中，参见图8所示，所述的汽化器壳体1的高度需满足汽化时间要求，并在其内部形成位于下段的旋流区和位于上段的管流区。更进一步的，所述的管流区内还横向交错设置有折流挡板6。
42.在本发明的一种具体的实施方式中，所述的汽化器壳体1在汽化物料出口4位置还设有丝网除沫器10。可有效防止雾沫夹带，同时也可作为改善气液混合效果，强化气液传热和传质的有效手段，保证出口处极少量未被汽化的原料在丝网除沫器10的表面完全汽化。
43.在本发明的一种具体的实施方式中，所述的进料喷雾机构2包括布置在汽化器壳体1侧壁的液体进料口7、连接所述液体进料口7并伸入汽化器壳体1内的连接管道件9、以及设置在所述连接管道件9上的雾化喷嘴8。雾滴优选呈竖直向上喷出。雾化喷嘴8采用常规的单流体喷嘴8，如碳酸乙烯酯等高沸点物质液体经喷嘴8雾化后，所得液滴的索太尔平均液滴直径在150微米以下，具有更大的表面积，极大的增加了气液相间的传热面积，有利于汽化过程的快速完成。
44.在本发明的一种具体的实施方式中，所述的汽化器壳体1、进料喷雾机构2和气体分布器5分别一一对应设置一组或多组(分别对应一次性进料或分段进料的方式)，当汽化器壳体1设有多组时，相邻汽化器壳体1串联，此时，实现高沸点物质分段进料，当采用分段进料方式时，每段进料均通过进料喷雾机构2引入汽化装置。由于同样压降下，进入喷嘴8的流量越小，雾化所得小液滴的索太尔平均液滴直径越小，越有利于汽化。因此，同样规模下，当采用分段进料方式时，更有利于汽化。每组的汽化器壳体1均可以采用图1或图2的结构布置。
45.在本发明的一种具体的实施方式中，所述的高沸点物质为碳酸乙烯酯，对应从热气体入口3进入的热气体为摩尔浓度90％-100％的热氢气，其中，热氢气与碳酸乙烯酯的摩尔比为150-300：1。
46.更具体的实施方式中，该汽化装置的操作压力为2-5mpa，热气体的进料温度为190-240℃。
47.在本发明的一种具体的实施方式中，汽化器壳体1的内径需满足整个汽化过程中，碳酸乙烯酯等高沸点物质雾滴不与汽化器壳体1内壁碰撞接触，避免雾化后的小液滴重新在汽化器壳体内壁形成液膜，影响汽化效果。
48.以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
49.下面结合具体实施例来对以上实施方式进行更详细的说明。
50.实施例1：
51.如图1所示，进料温度为100℃，进料量为125kg/h的碳酸乙烯酯液体从液体进料口7送入进料喷雾机构2，雾化成微米级小液滴后从喷嘴8喷出，进入汽化装置进行汽化，汽化装置的操作压力为2mpa。进料温度为210℃，摩尔浓度为99％，进料量为9638nm3/h的热氢气从热气体入口3进入汽化装置，经气体分布器5的作用下，出口气体呈旋流状向上运动，与雾化后的碳酸乙烯酯小液滴充分接触并快速气化，汽化后的温度为202℃，汽化后的物料在出口处经丝网除沫器10后，由汽化物料出口4送出汽化装置。汽化装置连续运行150h后，装置内部出现少量结焦小颗粒。
52.实施例2：
53.如图2所示，进料温度为45℃，进料量为125kg/h的碳酸乙烯酯液体从液体进料口7送入进料喷雾机构2，雾化成微米级小液滴后从喷嘴8喷出，进入汽化装置进行汽化，汽化装置的操作压力为5mpa。进料温度为240℃，摩尔浓度为90％，进料量为5301nm3/h的热氢气从热气体入口3进入汽化装置，经气体分布器5的作用下，出口气体呈旋流状向上运动，与雾化后的碳酸乙烯酯小液滴充分接触并快速气化，汽化后的温度为220℃。汽化装置内的管流区设置有折流挡板6，通过加强径向运动从而改善气液混合效果，促进传热和传质过程，保证剩余少量液体在此处完全汽化，汽化后的物料在出口处经丝网除沫器10后，由汽化物料出口4送出汽化装置。汽化装置连续稳定运行200h后，装置内部出现轻微结焦小颗粒。
54.实施例3：
55.如图3所示，进料温度为150℃，每股进料量为62.5kg/h的碳酸乙烯酯液体分两段分别从液体进料口7送入进料喷雾机构2，雾化成微米级小液滴后从喷嘴8喷出，分别进入各段汽化装置进行汽化，每段汽化装置的操作压力为3mpa。进料温度为190℃，摩尔浓度为95％，进料量为9369nm3/h的热氢气从热气体入口3进入下段汽化装置，经气体分布器5的作
用下，出口气体呈旋流状向上运动，与进入下段汽化装置的碳酸乙烯酯小液滴充分接触并快速气化，汽化后的温度为186℃。汽化后的物料经丝网除沫器10后进入上段汽化装置，经气体分布器5的作用下，出口气体呈旋流状继续向上运动，与进入上段汽化装置的碳酸乙烯酯小液滴充分接触并快速气化，汽化后的温度为183℃，上段汽化装置内的管流区设置有折流挡板6，通过加强径向运动从而改善气液混合效果，促进传热和传质过程，保证剩余少量液体在此处完全汽化，汽化后的物料在出口处经丝网除沫器10后，由汽化物料出口4送出汽化装置。汽化装置连续稳定运行200h后，内部没有明显结焦现象。
56.对比例1：
57.如图6和图7所示，该对比例的工艺操作参数与实施例1相同，所不同之处在于对比例中未采用实施例1的内构件，而采用了普通的环形气体分布器5，气体经分布器作用后，沿轴向均匀向上运动，无径向扰动。汽化装置连续稳定运行72h后，汽化装置内部开始出现明显结焦现象。
58.通过对比例可以发现，同样采用喷雾汽化方式时，在不对内部流场进行强化的情况下，无法实现碳酸乙烯酯的快速完全汽化，少量未汽化的碳酸乙烯酯液体逐渐结焦，严重时甚至会堵塞汽化装置，在实际生产中造成停车，不利于大型工业化装置连续稳定的长周期运转。
59.由上可知，采用本发明的方法，在采用喷雾汽化方式以增大气液相间传热面积的基础上，采用特殊设计的内构件强化汽化装置的内部流场，通过轴向、径向的双向扰动，增强气液混合效果，有效强化了气液传质和传热过程，大大提高了汽化效率，缩短了汽化时间，使得碳酸乙烯酯在低过热度环境中迅速汽化，为碳酸乙烯酯的汽化过程提供了一种工业可行的汽化解决方案。
60.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。