CN101124026B - 用于放热反应的有效利用能源的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种用于高度放热反应-蒸馏系统的有效利用能源的方法流程，其中反应器是位于蒸馏塔之外且反应器的原料包含至少一种来自蒸馏塔的液体产物流与或无其它液体/蒸气反应物的混合物。在绝热及沸点条件且在导致一部分流过反应器的液体由于反应热而汽化的压力下操作该反应器。在此等条件下，反应温度是由反应器压力控制。将压力(及因此的温度)维持在足够高水平，以便可有效使用反应器排出液为蒸馏塔提供再沸热量。

Description

用于放热反应的有效利用能源的方法及装置
技术领域
本发明是关于一种蒸馏-反应系统，其中回收一部分反应热并用其操作蒸馏过程。
背景技术
在诸如催化蒸馏系统的反应/蒸馏组合系统中，其中催化剂以适合用作蒸馏结构的形态存在；利用在反应区中产生的反应热降低蒸馏过程的能量需求，即再沸器负荷。当关键分离在反区之内及之上的台中发生时，此即实际的状况。另一方面，若关键分离在反应区之下的台中发生，反应热并不降低塔的热负荷，而仅仅增加冷凝器的冷却负荷。
本发明的优势是一种灵活及有效的利用反应热降低关键分离发生于反应之前的反应-蒸馏系统中再沸器负荷的方法。
发明内容
简而言之，本发明为一种自石油流中回收反应组份的反应热，用于辅助分馏石油流以移除并回收反应组份的方法。
本发明包括自多组份石油流中回收反应组份的反应热，用于辅助分馏分馏产生该反应组份的多组份石油流的方法，其包含：分馏该多组份石油以回收至少两份馏份，第一馏份含有该具有第一沸点范围的反应组份且包含少于全部的多组份石油流，且第二馏份具有低于第一沸点范围的第二沸点；自该分馏作用中移除该第一馏份；在一定条件下使该反应组份反应，该条件可使该反应组份进行放热反应且产生具有高于该第二温度范围的第三温度范围的反应流；自该分馏作用中移除该第二馏份；藉由与该反应流进行间接热交换来加热该第二馏份，从而对该第二馏份进行加热，并将第二馏份返回至分馏作用中。
较佳存在至少两份具有低于该第一馏份的沸点范围的馏份，其皆自分馏作用中移除并藉由使其与该反应流间接接触而实现加热。较佳使自分馏作用中移除的除该第一馏份之外的最高沸点范围的馏份首先与该反应流接触，且使除该第一馏份之外的各馏份依其递减的沸点范围与该反应流间接接触，并随后将其返回至分馏作用中。
实施方式
本发明提供一种用于高放热蒸馏反应系统的有效利用能源的方法流程，其中反应器处于蒸馏塔之外且其中反应器的原料包含至少一种来自蒸馏塔的液体产物流之混合物。在绝热及沸点条件且在导致一部分流过反应器的液体由于反应热而汽化的压力下操作该反应器。在此等条件下，藉由反应器压力控制反应温度。本发明预期该压力(及因此的温度)将维持在足够高水平，以便可有效使用反应器排出液为蒸馏塔提供再沸热量。在本发明的一实施例中，以塞式下流的模式操作反应器，将反应器排出液送至一塔侧再沸器中，并藉由将反应器压力维持在高于蒸馏塔的水平，以便反应器排出液的露点温度范围高于蒸馏塔再沸器温度，从而完成热利用。
以下为将受益于本发明一或多个态样的工业生产过程的实例，其中反应原料源自先前的分馏作用：
藉由经氢化作用将苯转化为环己烷来降低预定用于动力汽油的重整油流中的苯含量；
经苯氢化作用产生环己烷；
经硝基苯氢化作用产生苯胺；
芳族化合物烷基化作用，如乙苯、异丙苯、丁苯；
氧化作用系统，如经乙烯/02/乙酸产生乙酸乙烯酯；及
加氢甲酰化作用系统，如费托(Fischer-Tropsch)产物；经CO/H2产生甲醇。
该图为一种用于在反应器2中的放热反应中将具有较轻及较重组份的原料流中含有的化合物A与化合物B转化而形成产物C的方法的通用实施例。整个方法流程由蒸馏塔1、反应区2、液-汽分离器3和4、再沸器6和7和8、加热器9、冷凝器10和11、原料/排出液交换器12组成。用于再沸器6的热源可为蒸气、热油或处理加热器。用于冷凝器10及11的冷源可为冷却水或空气。如下所述用于保持热交换器的热源自反应热获得。
馈入蒸馏塔的原料流101a为多组份石油，其包含重端组份、包括化合物A的中间沸点范围组份、轻沸范围组份及轻端组份。对经组态在进料点之上及之下具有质量传递台的塔1进行设计以将原料分流为流102中的轻沸点范围组份，自塔的进料台之上几个台提取之流104中的基本上包括所有化合物A的中间范围组份，及流103中的重端组份。此藉由在进料台之上及之下提供足够的台并向再沸器6、7及8中输入足够热量而完成。在流103与原料流101a进行热交换而实现冷却之后获得重端产物流107。
反应器2为含有促进所要反应的催化剂的绝热沸点反应器。馈入该反应器的原料包括流104(经加热器9)，含有化合物B的流108，及如下所示产生的循环流114。富集有化合物A且基本上不含重端组份的流104自进料台之上几个台提取。流108可为蒸气或液体。将反应器2组态为上流或下流操作的典型固定床反应器，或在一较佳实例中为在质量传递结构内含有载体催化剂的下流反应器。
反应器中由于反应热而产生热量。由于反应器在绝热及沸点条件下操作，因此符合反应热及汽化潜热之量的一部分流过反应器的液相发生汽化。在本发明的一态样中，向反应器提供足够的液流以便反应器排出液流110包含液相及汽相两者。此藉由调节循环流114的流量及反应器2的压力完成。
在本发明的一态样中，将流110送至再沸器7的热侧入口，在彼处使其与馈入再沸器7的冷入口侧的侧取流106进行热量交换。热侧及冷侧的出口流分别为流111及流105。在本发明的另一态样中，反应器2在高于塔1的压力下操作以便流111的温度高于流106的始沸点。在此条件下，流110中的一部分显热及潜热进入沸流106中而产生汽流105，将其馈回塔1中。在本发明的另一态样中，调节反应器2与塔1间的操作压力差以便在再沸器7的入口或出口处原料与排出液流的所得温度提供至少两度华氏温度的接近。
在本发明的另一态样中，视情况将流111送至再沸器8的热侧入口，其为塔1的轻-中间组份段提供一部分再沸器负荷。冷侧入口为取自进料台的流115。冷侧出口为于取样台的上返回塔1中的汽流116。
将热侧出口流112馈入汽-液分离器3从而产生汽流117及液流113。将流113分流为循环流114及含有中间沸点范围组份(包括任何未转化的化合物A、反应产物化合物C、及包括未转化的反应物B之流102中的任何可冷凝组份)的产物流121。流114/流121的分流比率为一独立制程参数，其协同反应器的操作压力控制穿过该反应器的温度分布以及汽-液流量分配。在本发明的一较佳实例中，调节反应器压力与循环流流量的组合，以便以脉冲流模式操作该反应器(液体及蒸气的质量速度通常大于3000lb/h/ft2)，且相应的温度分布导致实际的反应空间产率、转化率及选择性。
在本发明的另一态样中，视情况藉由分别将流104及流117送至加热器9的冷入口侧与热入口侧，以使用流117中剩余的显热及潜热将流104预热为流104a，并将其馈入反应器2。使含有反应器中所产生或原料流108中所含有的非冷凝轻组份的流118在容器4中实施汽/液分离。在冷凝器11中将汽流进一步冷却从而产生冷凝流119(将其返回容器4中)以及包含自流108中进入该系统的轻端组份及该反应器中所产生的任何轻端副产物的排气流120。流119与流121的组合为含有产物C的中间沸点范围产物流122。
本发明的另一态样(组态未示)处理产物组份C的挥发度处于重沸点范围组份的范围内的情况。在此状况下，将流122馈送回塔1以将产物C分离成为液体塔底产物或成为取自塔底附近的台的蒸气产物，同时自塔中一并回收中间沸点范围组份及流102中的轻端组份。
实例1
以下实例说明本发明于降低含有C5-C10石蜡及芳族组份的汽油混合物中苯含量的用途。设备及流的名称如该图中所给出。表1中为组成及流的流量。
反应器2中的主要反应为轻载体Ni催化剂催化的以下反应：
苯+3氢→环己烷
表2中总结反应器的操作条件。
表2
入口压力                250psi
出口压力                245psi
入口温度                223°F
出口温度                358°F
LHSV(以总液体原料计)    6.9ft3液体原料/hr/ft3反应器容积
原料中苯/H2的莫耳比     3.51
入口液体质量流量        10,850b/hr/ft2
出口液体质量流量        5,6831b/hr/ft2
入口蒸汽质量流量        1,8321b/hr/ft2
出口蒸汽质量流量        7,0001b/hr/ft2
苯经反应器的转化率      99％
反应器循环质量比率，流9/流15  2.36
表3中总结塔1的设计参数。分离要求为流104中甲苯低于1重量％(藉由将甲苯氢化为甲基环己烷以使反应器2中的甲苯损耗最小)，且流102及流103中的苯含量低于0.5重量％。
表3
台数                                 62
塔顶压力                             29psi
回流质量比率，回流速率/馏出物速率    7.83
原料流位置
流151                                台37
流155                                台57
流116                                台26
取样流位置
流153                                台62
流115                                台26
流156                                台57
流152                                台1
流154                                台26
再沸器负荷
再沸器6(外部热源)                    23MMbtu/hr
再沸器7                              9.8MMbtu/hr
再沸器8                              8.0MMbtu/hr
表3中的再沸器资料说明本发明的实施对应于使用82％的反应器中产生的反应热，降低43.6％的蒸馏塔外部热负荷。
Figure G2005800213948D00071
Figure G2005800213948D00081
Figure G2005800213948D00091
Figure G2005800213948D00101
实例2
结构化催化剂填料
将反应器组态成以下流、塞式流动反应器的方式运转。此运作使用单程，使含10％苯的环己烷原料穿过充填有1.09lbs分散镍催化剂(KL-6564-T1.2)的塔，该催化剂由美国专利第5,432,890中所述的模组制备而成。限制进料系统的最大流动速率为161b/hr。差压计指示穿过塔几乎无压降。
化学计量的氢流量为14.6scf/lb苯。在大部分运作期间，氢与烃原料的比率均保持在2scf H2/lb烃，因此氢化学计量为140％。来自1lb苯的氢化作用的反应热高于重量基位的环己烷的汽化潜热6倍；因此，防止完全汽化的苯最大浓度将为17％。
运作资料
  烃速率lb/hr   H<sub>2</sub>速率scfh   入口温度°F   平均温度°F   出口温度°F   苯转化率％   H<sub>2</sub>转化率％   WHSVhr<sup>-1</sup>   指数psia<sup>-1</sup>hr<sup>-1</sup>
  2   8   250   320   300   99.8+   34％   1.8   0.10
  10   20   200   326   350   97％   70％   9.2   0.30
  16   32   200   280   340   89％   60％   15   0.20
存在于转化率与温度间的相关性强于存在于流动速率与转化率间的相关性。在相同流动速率下，较高温度导致较高的动力学速率常数，但亦导致较低的氢分压。对于保持97％的转化率可获得的最大WHSV约为9。
实例3
堆积催化剂
使塔以堆积床形式载有4.5lbs(14尺)实例2中的催化剂。原料流量为40lb/hr的循环环己烷及10lb/hr的含50％苯的环己烷，与90scfh的氢。该运作的全过程可获得苯至环己烷的完全转化。氢转化率为约70％。可使用循环提高穿过反应器的速度，而不必将反应器制造得非常长非常细。其亦可用作用于高度放热反应(诸如苯的氢化作用)的冷源，且其可将原料稀释至可在此处所述的沸点反应器中处理的程度。因为循环同样稀释反应器的效用，所以其具有有限的应用。与单程、塞式流动反应器相比，添加循环流动速率等于原料流动速率的循环线路(速度加倍)，对于达成相等的全部转化率需要25％的动力学改进。
结构化催化剂填料(实例2)在反应器中提供较低的压降。空隙度为0.5的结构化床将具有比空隙度为0.3的堆积床低4倍的压降，且空隙度为0.6的结构化床将具有低8倍的压降。然而，使用结构化填料在WHSV为9时转化率为97％，而使用堆积填料在WHSV为11及更高时却可获得99％以上的转化率。堆积填料中的表观催化剂活性高于结构化填料中3倍，此最可能归因于堆积填料中具有较高流动速度的改进质量传递，及结构化填料的双重空隙尺寸中的增加支路。
较佳以脉冲流模式操作下流沸点反应器以利用改进的液压混合。基于通用流程图的进入脉冲流的操作条件推荐为200psig及340°F，为进入脉冲流的水动力状态，流动速率必须超过60lb/hr烃液体及90scfh蒸汽。
附图说明
图1显示根据本发明的方法的通用实施例。
主要元件符号说明
1           蒸馏塔
2           反应区
3，4        液-汽分离器
6，7，8     再沸器
9           加热器
10，11                冷凝器
12                    原料/排出液交换器
101，101a，102，102a  物流
103，104，105，106
107，108，109，110
111，112，113，114
115，116，117，118
119，120，121，122

Claims (13)

1.一种自一多组份石油流中回收一反应组份的反应热，以用于辅助分馏产生该反应组份的该多组份石油流的方法，其包含：
分馏该多组份石油以回收至少两馏份，第一馏份含有该具有第一沸点范围的反应组份且包含少于全部的多组份石油流，且第二馏份具有低于该第一沸点范围的第二沸点；
自该分馏作用中移除该第一馏份；
在一定条件下使该反应组份反应，该条件可使该反应组份进行放热反应且产生具有高于该第二沸点范围的温度的反应流；
自该分馏作用中移除该第二馏份；
藉由与该反应流进行间接热交换来加热该第二馏份，从而对该第二馏份进行加热；并
将该加热的第二馏份返回分馏作用中；
其中该多组份石油原料包含含有C5-C10石蜡及芳族组份的汽油混合物；苯为该第一馏份中的该反应组份；在一定温度及压力条件下存在氢化催化剂时，在塞式流动中于该第一馏份的沸点下，使该苯与氢在反应混合物中反应从而将苯转化为环己烷。
2.如权利要求1的方法，其中存在至少两份具有低于该第一馏份的沸点范围的馏份，将其自该分馏作用中移除并藉由与该反应流间接接触而将其加热。
3.如权利要求1的方法，其中该催化剂为一堆积床。
4.如权利要求1的方法，其中该催化剂为一结构化催化剂床。
5.一种自一多组份石油流中回收一反应组份的反应热，以用于辅助分馏产生该反应组份的该多组份石油流的方法，其包含：
分馏该多组份石油以回收塔顶馏份、塔底馏分，和至少两种中间馏分，两种中间馏分包括：含有该具有第一沸点范围的反应组份的第一中间馏份，和具有低于该第一沸点范围的第二沸点范围的第二中间馏份；
自该分馏作用中移除该第一中间馏份；
在一定条件下使该反应组份反应，该条件可使该反应组份进行放热反应且产生具有高于该第二沸点范围的温度的反应流；
自该分馏作用中移除该第二中间馏份；藉由与该反应流进行间接热交换来加热该第二中间馏份，从而对该第二馏份进行加热；并
将该加热的第二中间馏份返回分馏作用中。
6.如权利要求5的方法，进一步包括：回收具有低于该第一沸点范围的第三沸点范围的第三中间馏份；自该分馏作用中移除该第三中间馏份；藉由与反应流进行间接热交换来加热该第三中间馏份；并将该加热的第三中间馏份返回分馏作用中。
7.如权利要求6的方法，其中第二沸点范围低于第三沸点范围，所述方法包括在加热第二中间馏份之前加热第三中间馏份。
8.如权利要求5的方法，其中所述反应组分包括苯，且上述反应包括形成苯乙烷、异丙基苯和丁苯中的至少一种。
9.如权利要求5的方法，其中所述反应组分包括硝基苯，且上述反应包括形成苯胺。
10.如权利要求5的方法，其中所述反应组分包括一氧化碳，且上述反应包括形成甲醇。
11.如权利要求5的方法，其中所述反应组分包括乙酸和乙烯中的至少一种，且上述反应包括形成乙酸乙烯酯。
12.如权利要求5的方法，其中所述反应包括在如下混合物的沸点下操作固定床下行式反应器，所述混合物包括第一中间馏分和反应产物。
13.如权利要求12的方法，其中所述反应包括以脉冲流模式操作固定床下行式反应器。
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