CN101139241A - 一种用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器。反应器外形呈圆柱状，被内横隔板分为上下两部分。上部分套有多层立式分隔套筒，依次将反应器分割为由催化剂层、玻璃珠沸石层和热电偶构成的柱状反应室，由电热丝和固定套筒构成的环状加热室，由石棉和耐火绝缘材料制成的套筒构成的环状隔热保温室；下部分主要由电热丝板和乙醇进气管构成的乙醇气化室。生成的乙烯进入收集器。制备时环状加热室的温度控制在220℃，气化室中的温度控制在80～95℃。乙醇通过恒流泵进行增压，流速为1500～2000ml/min·m²。本发明所述的反应器它集汽化装置和反应装置于一身，它简化了装置，同时也节约了能源。乙醇在反应器中的转化率达到96％以上，乙烯的选择性达到95.0％以上。

Description

一种用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器

技术领域

本发明涉及一种流化床反应器，特别是用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器。

背景技术

目前，乙醇脱水工业生产装置以固定床反应器工艺为主，国外最大的乙醇脱水工业装置是巴西、印度、印度尼西亚等国在20世纪80年代前建成的，均为60kt/a装置(使用固定床反应器)。乙醇脱水应用的固定床反应器有等温列管式和绝热式两类。国内现有的乙醇脱水装置多采用列管反应器(如四川维尼纶厂的3kt/a装置)。列管反应器制造复杂、成本较高，且催化剂装卸不便，有逐渐被其他类型反应器所取代的趋势。20世纪70年代末，哈康科学设计公司根据当时的技术状况对不同的固定床反应器进行评估，认为采用多段绝热床反应器可减少催化剂用量并提高乙烯收率，提出了乙醇脱水制乙烯的多段绝热床工艺设计方案，并做了投资概算，建设一套50kt/a聚合级乙烯的乙醇脱水装置，采用等温列管反应器工艺，需投资8 500 000美元，而采用多段绝热床工艺需要6 900 000美元(都为界区内投资)，而且还可提高后处理(乙烯提纯)及使用原料的操作弹性(为降低原料成本使用低浓度的发酵乙醇)。巴西的PetroleoBrasileiro公司使用多组平行或平行串联绝热反应器，并且将反应后的部分产物气流用循环泵打回反应器，在此过程中反应生成的水蒸气，既可降低催化剂结焦，又提高了反应转化率，增加了操作灵活性。

从现有国内外乙醇脱水装置的现状及发展趋势看，若要与大型石化企业的裂解乙烯装置相竞争，建设更大规模的乙醇脱水工业装置，对反应器的研究开发至关重要。从国外报导看，采用流化床工艺比固定床工艺具有优点。国外采用硅铝催化剂6万吨/年装置的总固定投资，固定床为2540万美元，而流化床仅为1930万美元；生产1公斤乙烯的95％乙醇消耗量，固定床为1.86公斤，而流化床仅为1.76公斤；固定床生产的乙烯纯度较低，仅为95.0％，含有较多的乙烷和丙烷等杂质，而流化床生产的乙烯纯度高，达到99.3％，杂质少，可直接作为合成基本有机化工产品的原料。各国在乙醇脱水流化床反应器方面的研究报道很少，仅有鲁姆斯公司的报道(中试研究，已申请相关专利)。该专利中流化床反应温度控制在399℃左右，乙醇单程转化率大于99.5％，乙烯收率大于99％(未精馏前)，催化剂使用的是活性硅铝氧化物。相对列管固定床工艺，流化床工艺能得到更高的单程转化率和乙烯收率，可使后处理设备费用降低，若下游乙烯用户对乙烯纯度要求不高，从反应器出来的粗乙烯经脱水脱酸性物质如CO₂后乙烯纯度即可达99.5％，可直接提供下游用户使用(如聚氯乙烯装置)。综上所述，乙醇脱水制乙烯，流化床反应器将是更佳的选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器。其主要特征是反应器外形为带有上盖的圆桶状，并被位于桶内中下部的横隔板分为上下两部分。上部分套有多层立式分隔套筒，依次将反应器分割为柱状反应室、环状加热室、环状隔热保温室；下部分主要由加热电热丝板和输送乙醇的进气管构成的乙醇气化室。反应生成的乙烯通过出气管进入收集器。制备时环状加热室的温度控制在220℃，气化室中的温度控制在80～95℃之间。所需输送的乙醇通过恒流泵进行增压后进入气化室，其流速依柱状反应室底面面积而定，为1500～2000ml/min·m²。

本发明所述的柱状反应室是可向上提起的分离式空心柱体，柱体内石棉隔层将柱体分成上下两部分，上部分约占三分之二，为催化脱水层，用于填充乙醇脱水用的偏钒酸铵与磷酸复合改性的H-ZSM-5(Si/Al＝25)催化剂，同时又是乙醇脱水制乙烯的反应层。催化剂的温度控制在220℃，气化的乙醇进入反应层后催化剂呈流化亚沸腾状。下部分约占三分之一，为玻璃珠沸石层，用于填充玻璃珠沸石。柱体配有气密性好的圆形上盖和带有细密小孔的底面。上盖的圆心处设有小孔，热电偶穿过小孔伸入催化剂中，同时，上盖上还设有另一小孔，安装有出气管，反应室生成的乙烯通过出气管进入收集器。

本发明所述的环状加热室由电热丝和电热丝固定套筒构成。套筒由耐火绝缘材料制成，其内径大于反应室可分离的空心柱体的外径，电热丝固定套筒外壁上设有固定电热丝的螺旋状沟槽。通电后，通过电热丝间接地对反应室中的催化剂进行加热。

本发明所述的环状隔热保温室由石棉和由耐火绝缘材料制成的套筒构成。耐火绝缘材料制成的环状套筒位于反应器外壁和环状加热室之间，反应器外壁和环状套筒之间填充石棉，达到绝缘、隔热和保温的目的。

反应器的下部分乙醇气化室中，设置有电加热的电加热的电热丝、电热丝固定盘及乙醇输送管，反应器外的恒流泵以一定速度将乙醇通过输送管喷入气化室。

反应器内横隔板位于反应器的中下部，架在反应器内壁的环状支架上，其上表面设置了用于固定分离式空心柱体、电热丝固定套筒、隔热保温室套筒的环状凹槽，该凹槽与反应器上盖中的凹槽相对应。横隔板的中心与分离式空心柱体相对应的位置设有若干各圆形小孔，气化后的乙醇通过小孔进入柱体内，以流化状态与装在中部的催化剂接触反应。反应产物直接从柱状反应室上盖出气管中排出，并进入收集器。

本发明所述的反应器它集汽化装置和反应装置于一身，它简化了装置，同时也节约了能源。

附图及附图说明

图1是用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器的纵向剖视图。

图2是用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器中部纵向、横向断面剖视图。

图3是柱状反应室仰视立体图。

图4是反应器反应器横隔板、反应器上盖和柱状反应室密封盖之间关系示意图。

图1中，1是热电偶供电导线，2是热电偶，3是柱状反应室密封盖，4是反应器上盖，5是柱状反应室侧壁，6是电加热丝固定套筒，7是催化剂，8是电热丝，9是环状隔热保温室套筒，10是石棉，11是乙烯导出管，12是横隔板，13是生成物乙烯，14是石棉隔层，15是玻璃珠沸石，16是乙醇输送管，17是气化室中具有防水功能的的电发热盘，18是电发热盘固定架，19是气化室中的电发热盘供电导线，20是供电控制器，带有恒温控制功能，通过该控制器能控制热电偶、电发热盘及电热丝，21是用于输送乙醇的恒流泵，22是环状加热室中电热丝供电导线，23是乙醇，24是乙醇输送管打开和闭合的控制阀门，25是水蒸汽输送管打开和闭合的控制阀门，在催化剂失活后，可闭合乙醇输送管的控制阀门，同时打开水蒸汽输送管控制阀门，通过水蒸汽输送管将300～340℃的水蒸气送入催化剂层进行催化剂再生，再生后的催化剂可保持原有的催化活性。

图2中，26是反应器的外壁，10是用于保温的石棉，9是环状隔热保温室套筒，8是电热丝，6是电热丝固定套筒，2是热电偶，7是催化剂，5是柱状反应室侧壁。

图3中，5是柱状反应室侧壁，27是柱状反应室底面圆形小孔，气化室中气化的乙醇穿过横隔板小孔后，经底面圆形小孔进入反应室，28是柱状反应室底面。

图4中，3是柱状反应室密封盖，4是反应器上盖，12是横隔板。

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

按照上述技术方案，加工制作出乙醇脱水制乙烯的流化床反应器。反应器的高度150cm、外壁26的直径120cm；反应器的环状隔热保温室套筒9的直径90cm、高80cm；反应器的电热丝固定套筒6的直径80cm、高80cm；柱状反应室5的直径75cm、高83厘米，其中玻璃珠沸石15填充层高度22cm，催化剂7的填充层高度35cm，热电偶2伸入催化剂7三分之二处。环状加热室中电热丝8的温度控制在220℃，气化室中电发热盘17的温度控制在80～95℃之间。恒流泵21输送乙醇的流速为750ml/min。

制备时，拧开柱状反应室上盖3，提起分离式空心柱体5，先将玻璃珠沸石15填充25cm，铺上石棉层14，再将催化剂7填充35cm，重新装回反应器内，最后将已经固定好热电偶2和乙烯导出管的上盖3拧紧，并保证良好的气密性。通电后由程序控温逐步提高环状加热室中的温度，并恒定在220℃，同时，也将气化室中电发热盘17的温度控制在80℃，启动恒流泵21，并以750ml/min的流速向气化室输送浓度为85％(体积分数)的液体乙醇。

反应后的气体经气相色谱仪测定，乙醇在反应器中的转化率达到98％，乙烯的选择性达到96.5％。

催化剂在流化床反应器中的活性时间可持续1～3个月，催化剂7失活或活性降低后，可采用蒸馏水法进行再生。再生时，先关闭乙醇输送管的控制阀门24，后打开水蒸汽输送管的控制阀门25，通过水蒸汽输送管将300～340℃的水蒸气持续3小时送入催化剂层进行催化剂再生，再生后的催化剂可保持原有的催化活性，可重新使用。

实施例2

反应器的结构同实施例1。

制备时，浓度为20％(体积分数)的液体无水乙醇通过恒流泵21以880ml/min的速度通入反应器中，所使用的催化剂7为偏钒酸铵与磷酸复合改性的H-ZSM-5(Si/Al＝25)，环状加热室中电热丝8的温度控制在220℃，气化室中电发热盘17的温度控制在90℃。

反应后的气体经气相色谱仪测定，乙醇在反应器中的转化率达到99.7％，乙烯的选择性达到98.0％。

实施例3

反应器的结构同实施例1。

制备时，浓度为10％(体积分数)液体乙醇通过恒流泵21以670ml/min的速度通入反应器中，所使用的催化剂7为偏钒酸铵与磷酸复合改性的H-ZSM-5(Si/Al＝25)，环状加热室中电热丝8的温度控制在220℃，气化室中电发热盘17的温度控制在95℃。

反应后的气体经气相色谱仪测定，乙醇在反应器中的转化率达到94.3％，乙烯的选择性达到99.4％。

Claims (7)

1.一种用于乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是反应器外形为带有上盖的圆桶状，并被位于桶内中下部的横隔板分为上下两部分，其中上部分套有多层立式分隔套筒，依次将反应器分割为柱状反应室、环状加热室、环状隔热保温室；下部分为乙醇气化室；生成的乙烯通过出气管进入收集器。

2.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的柱状反应室是可向上提起的分离式空心柱体，柱体内石棉隔层将柱体分成催化脱水层和玻璃珠沸石层，柱体配有活动上盖和与柱体直接相连的下底面。

3.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的柱状反应室上盖的圆心处设有小孔，热电偶穿过小孔伸入催化剂中，同时，还设有另一小孔，安装有出气管。

4.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的环状加热室由电热丝和电热丝固定套筒构成，其中套筒由耐火绝缘材料制成，其内径大于反应室可分离的空心柱体的外经，电热丝固定套筒外壁上设有固定电热丝的螺旋状沟槽。

5.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的环状隔热保温室由石棉和由耐火绝缘材料制成的套筒构成，环状套筒位于反应器外壁和环状加热室之间，反应器外壁和环状套筒之间填充石棉。

6.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的乙醇气化室设置有电发热盘、电发热盘固定架及乙醇输送管。

7.根据权利要求1所述的乙醇脱水制乙烯的流化床反应器，其特征是所述的反应器内横隔板位于反应器的中下部，架在反应器内壁的环状支架上，其上表面设置了用于固定分离式空心柱体、电热丝固定套筒、隔热保温室套筒的环状凹槽，该凹槽与反应器上盖中的凹槽相对应。

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