CN104086341B - 气体裂解反应装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了气体裂解反应装置及其应用，该装置包括混合器、气体预热器、裂解装置、分离器以及急冷器；还包括粉体温控加热器；所述粉体温控加热器的粉体出口端设置在靠近所述气体预热器端的所述裂解装置上，并连通；所述混合器、气体预热器、裂解装置、分离器、急冷器通过管道依次连通；或所述混合器、气体预热器、裂解装置、急冷器、分离器通过管道依次连通。本发明装置在使用过程中，储能粉末在裂解管内循环，可起到冲刷作用，完全扫除积碳；裂解管内不再有积碳沉积，就不会产生飞温现象，可减少维修次数，延长裂解管寿命；使用过程中节能，减少副反应，提高产品得率。

Description

气体裂解反应装置及其应用

技术领域

本发明涉及裂解反应装置技术领域，特别是指一种气体裂解反应装置及其应用。

背景技术

气体裂解反应是化工产品制备的重要工艺过程；例如：石油烯烃裂解制备乙烯丙烯；裂解二氟一氯甲烷(R22)制备四氟乙烯；裂解四氟乙烯制备六氟丙烯等等；裂解反应装置(也称为裂解炉)就是这个工艺过程最重要的一个设备(或装置)。

现有的裂解炉有三种：蓄热炉裂解、砂子炉裂解、管式炉裂解；主要的是管式裂解炉，尤其是过热水蒸气稀释管式裂解炉；由于裂解反应必须在高温下进行，许多裂解反应还是强吸热反应，需要外部补充热能才能使反应正常进行；过热水蒸气温度高、携带大量的热能，同时还可以稀释原料气，降低原料气分压，有利于主反应进行；已成为工业上制取四氟乙烯、乙烯、丙烯的重要方法之一。对于二氟一氯甲烷(R22)裂解制取四氟乙烯而言，目前我国国内普遍采用过热水蒸气稀释管式裂解法进行生产；R22在裂解制取四氟乙烯中的主要副反应产物有二氟甲烷、二氟二氯甲烷、三氟乙烯、三氟氯乙烷、四氟氯乙烷、五氟氯乙烷、六氟丙烯、八氟环丁烷、八氟异丁烯等，此外还有氯化氢、氟化氢、一氧化碳等；在四氟乙烯精制过程中，除去氯化氢、氟化氢、一氧化碳等，并提取出六氟丙烯、八氟环丁烷等气体后，其余的含氟杂气可以循环回到裂解炉重新裂解反应。

现有装置存在的主要问题是：1、管壁积碳严重(其后果是造成管子堵塞；影响传热；出现积碳突然燃烧，局部高温把管子熔融，的“飞温”现象，发生设备事故；由于需要清除积碳，使得装置不能连续生产)。2、用蒸汽作为热能携带源和稀释用气，能耗较高，3、温度控制不够精确，副反应较多。

发明内容

本发明提出一种气体裂解反应装置及其应用，解决了现有技术中裂解反应器容易积碳并因此烧坏裂解反应器以及能耗较高的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种气体裂解反应装置，包括混合器、气体预热器、裂解装置、分离器以及急冷器；

还包括粉体温控加热器；所述粉体温控加热器的粉体出口端设置在靠近所述气体预热器端的所述裂解装置上，并连通；

所述混合器、气体预热器、裂解装置、分离器、急冷器通过管道依次连通；

或所述混合器、气体预热器、裂解装置、急冷器、分离器通过管道依次连通。

作为优选的技术方案，所述裂解装置为裂解管。

作为优选的技术方案，所述裂解管的材质为石英、碳化硅或有色金属合金。

作为优选的技术方案，所述分离器为旋风分离器、袋式除尘器或沉降室分离器。

作为优选的技术方案，所述急冷器的冷却方式为间接冷却；冷却介质为水、液体二氟一氯甲烷(R22)或被裂解的液体原料；冷却介质的流动方向可以与裂解气逆向，也可以与裂解气同向。

作为优选的技术方案，所述粉体温控加热器的粉体进口端与所述分离器的粉体出口连通；或者在所述分离器与所述粉体温控加热器之间设置储能粉末输送设备。

储能粉末在粉体温控加热器内升温后进入裂解装置内，与被裂解原料气一起运行至分离器内，分离后重新进入粉体温控加热器，循环往复。储能粉末在分离器中被气体带走而减少时，通过储能粉末加入口补充。

所述混合器设有原料气入口和杂气回用入口；所述急冷器设有冷却介质入口、冷却介质出口以及裂解气出口；所述粉体温控加热器设有储能粉末加入口。

一种气体裂解反应装置应用于二氟一氯甲烷(R22)裂解制四氟乙烯(TFE)；或四氟乙烯(TFE)裂解制六氟丙烯(HFP)；或二氟一氯甲烷(R22)裂解制四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)；或石油烯烃裂解生产乙烯和丙烯。

一种使用上述气体裂解反应装置制备气体的方法，包括：

在混合器内通入原料气；

控制预热器温度在360-470℃，预热所述原料气；

通过粉体温控加热器的储能粉末被加热到775-955℃；

预热后的所述原料气与被加热后的所述储能粉在裂解装置中相遇，发生裂解反应，生成裂解气体；

所述裂解气体进入分离器，分离掉储能粉末后，进入急冷器中，冷却后即得裂解气。

作为优选的技术方案，冷却后的所述裂解气经过气体分离和精馏即得成品；分离掉积碳后的杂气重新回到混合器。

作为优选的技术方案，所述原料气使用原料气与分离掉积碳后的杂气混合气替代，其中杂气与原料气在混合器中的混合比例为1:3-8。

作为优选的技术方案，所述储能粉末为黑色金属、有色金属、陶瓷、无机合成材料中的一种或几种。

作为优选的技术方案所述储能粉末为镍、铬、铬合金、镍铬合金、镍铜合金、镍铁合金、镍铜铁合金、碳化硅、陶瓷、硅铝酸盐结晶体中的一种或几种的混合物。

所述加热方式为电、燃气或燃煤加热。

所述裂解时间为0.02s-0.5s，急冷器内的冷却介质可以是水，也可以是被裂解的原料液体。用水做冷却介质时，出急冷器后的水用于加热被裂解的原料液体，使之升温，以节约能耗。用被裂解原料液体做冷却介质时，在急冷器内吸热汽化后的被裂解原料气体进入预热器内。

有益效果

(1)本发明的气体裂解装置在使用过程中，储能粉末在裂解管内循环，可起到冲刷作用，完全扫除积碳；裂解管内不再有积碳沉积，就不会产生飞温现象，可减少维修次数，延长裂解管寿命。

(2)本发明的气体裂解装置在使用时，储能粉末由于储能粉末能起到催化剂作用，裂解管就可以采用非金属材料，如：石英管、碳化硅管等；这些材料的熔点大大高于金属合金材料，使裂解温度与裂解管材料熔点之间的温差增大，可以提高裂解管寿命。并大幅度降低裂解管的制造成本。

(3)本发明的制备方法中以储能粉末代替原来的过热蒸汽，可大大降低能耗；因为旋风分离后的粉末仍然处于高温，只要很少的热能就可以加热至所需温度。

(4)本发明以储能粉末作为热能携带体，通过温控加热器，可精确控制裂解温度，减少副反应，提高产品得率。

(5)本发明以回用的杂气来稀释原料气，在降低原料气分压的同时，可以抑制副反应的进行，提高产品转化率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种气体裂解反应装置的结构示意图；

图2为本发明的第二种气体裂解反应装置的结构示意图；

图3为本发明的第三种气体裂解反应装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种气体裂解反应装置，该装置解决了现有技术中裂解反应器容易积碳并因此烧坏裂解反应器的问题，且该装置具有节能、减少副反应、提高产品得率等优点。下面具体介绍。

参见图1所示：气体裂解反应装置1。具体包括，混合器11、气体预热器12、裂解装置13、分离器14、急冷器15和粉体温控加热器16。混合器11、气体预热器12、裂解装置13、分离器14、急冷器15通过管道依次连通。粉体温控加热器16设置有粉体出口端161、粉体进口端162和储能粉末加入口163。粉体温控加热器16的粉体出口端161设置在靠近气体预热器12端的裂解装置13上，并连通，粉体温控加热器16的粉体进口端162与分离器14的粉体出口连通。储能粉末在粉体温控加热器16内升温后进入裂解装置13内，与被裂解原料气一起运行至分离器14内，分离后重新进入粉体温控加热器16，循环往复。储能粉末在分离器14中被气体带走而减少时，通过储能粉末加入口163补充。储能粉末在裂解装置13内循环时，可起到冲刷作用，完全扫除积碳；裂解装置13内不再有积碳沉积，就不会产生飞温现象，可减少维修次数，延长裂解装置13寿命。裂解装置13选用裂解管，其外部全保温，材质可以选用石英、碳化硅或有色金属合金。分离器14选择旋风分离器或本领域技术人员公知的其它类型的分离器(如布袋除尘器、沉降室分离器等)。混合器11设有原料气入口111和杂气回用入口112。急冷器15设有冷却介质入口151、冷却介质出口152以及裂解气出口153。急冷器15的冷却方式为间接冷却；冷却介质选择水、液体二氟一氯甲烷(R22)或被裂解的液体原料中一种；冷却介质的流动方向可以与裂解气逆向，也可以与裂解气同向。

参见图2所示：气体裂解反应装置2。该装置2与上述装置1不同之处在于，急冷器15与分离器14的位置互换。也就是混合器11、气体预热器12、裂解装置13、急冷器15、分离器14通过管道依次连通。其余连接关系不变。这样从裂解管出来的气体直接进入急冷器15中，从急冷器15出来的气体进入分离器14中，分离器14中分离的储能粉末进入粉体温控加热器16中；所以储能粉末在裂解装置13、急冷器15、分离器14、粉体温控加热器16中循环利用。

参见图3所示：气体裂解反应装置3。该装置3与上述装置2不同之处在于，在分离器14和粉体温控加热器16之间设置了储能粉末输送设备17。该输送设备可以是斗式提升机、螺旋输送机、气流输送机等。

实施例1

使用上气体裂解反应装置1制备四氟乙烯(TFE)气体的方法，其中：

原料为R22，裂解管的材质为石英，储能粉末为高镍合金粉末，冷却介质为R22液体。

步骤S1：将二氟一氯甲烷(R22)气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在420℃，预热二氟一氯甲烷(R22)气体；

步骤S3：通过粉体温控加热器的高镍合金粉末被加热到955℃；

步骤S4：预热后的R22高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的高镍合金粉末一起进入裂解管，在高镍合金粉末的高温作用下，发生裂解反应生成四氟乙烯；裂解反应时间控制在0.25s左右。

步骤S5：步骤S4生产的四氟乙烯从裂解管出来后进入旋风分离器，分离掉高镍合金粉末，进入急冷器中快速冷却至450℃温度以下，离开急冷器后的气体进入后续处理装置，经过气体分离和精馏，得到四氟乙烯成品。从旋风分离器分离出来的高镍合金粉末直接进入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说镍粉末在粉体温控加热器、裂解管和旋风分离器中循环。

在急冷器内吸热汽化后的R22气体进入预热器内预热。

在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:3的比例与二氟一氯甲烷(R22)一起经过上述S1-S5步骤，制得四氟乙烯成品。产品得率为95.2％

实施例2

一种使用上述气体裂解反应装置1制备六氟丙烯(HFP)气体的方法，其中：

裂解管的材质为高镍合金管，原料为TFE，储能粉末为碳化硅粉末，冷却介质为水。

步骤S1：将四氟乙烯(TFE)气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在450℃，预热四氟乙烯(TFE)气体；

步骤S3：通过粉体温控加热器的碳化硅粉末被加热到850℃；

步骤S4：预热后的TFE高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的碳化硅粉末一起进入裂解管，在碳化硅粉末的高温作用下，发生裂解反应生成六氟丙烯；反应时间控制在0.12s左右。

步骤S5：步骤S4生产的六氟丙烯从裂解管出来后进入旋风分离器，分离掉碳化硅粉末，进入急冷器中快速冷却至450℃温度以下，离开急冷器后的气体进入后续处理装置经过气体分离和精馏，得到六氟丙烯成品。从旋风分离器分离出来的碳化硅粉末直接进入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说碳化硅粉末在粉体温控加热器、裂解管和旋风分离器中循环。

急冷器内的冷却介质是水，出急冷器后的水用于加热TFE，使之升温，以节约能耗。在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:6的比例与四氟乙烯(TFE)一起经过上述S1-S5步骤，制得六氟丙烯成品。产品得率为96.5％

实施例3

一种使用上述气体裂解反应装置2制备四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)气体的方法，其中：

裂解管的材质为高纯石英管，原料为R22，储能粉末为镍铜合金与陶瓷粉末的混合物，混合质量比为1:1。冷却介质为R22液体。

步骤S1：将二氟一氯甲烷(R22)气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在410℃，预热二氟一氯甲烷(R22)气体；

步骤S3：通过粉体温控加热器的镍铜合金和陶瓷粉末被加热到890℃；

步骤S4：预热后的R22高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的镍铜合金和陶瓷粉末一起进入裂解管，在镍铜合金和陶瓷粉末的高温作用下，发生裂解反应，生成四氟乙烯和六氟丙烯。反应时间控制在0.35s左右。

步骤S5：步骤S4生产的四氟乙烯和六氟丙烯从裂解管出来后进入急冷器中快速冷却至410℃温度以下，之后进入旋风分离器，分离掉储能粉末，离开旋风分离器后的气体进入后续处理装置经过气体分离和精馏，得到四氟乙烯和六氟丙烯成品。从旋风分离器分离出来的镍铜合金和陶瓷粉末直接进入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说镍铜合金和陶瓷粉末在粉体温控加热器、裂解管、急冷器和旋风分离器中循环。

在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:8的比例与二氟一氯甲烷(R22)一起经过上述S1-S5步骤，制得四氟乙烯和六氟丙烯成品。合计的产品得率为97.6％

实施例4

一种使用上述气体裂解反应装置3制备乙烯和丙烯的方法，其中裂解管的材质为高镍合金，包括：

原料为乙烷，储能粉末为镍粉末与硅铝酸盐结晶体的混合粉末，混合质量比为1:3。冷却介质为水。

步骤S1：将乙烷气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在470℃，预热乙烷气体；

步骤S3：通过粉体粉体温控加热器的储能粉末被加热到865℃；

步骤S4：预热后的乙烷高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的储能粉末一起进入裂解管，在储能粉末的高温作用下，发生裂解反应生成乙烯和丙烯；反应时间控制在0.22s左右。

步骤S5：步骤S4生产的六氟丙烯从裂解管出来后进入急冷器中快速冷却至400℃温度以下，离开急冷器后的气体进入旋风分离器，分离掉碳化硅粉末，之后进入后续处理装置经过气体分离和精馏，得到乙烯和丙烯成品。

从旋风分离器分离出来的储能粉末通过输送设备加入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说储能粉末在粉体温控加热器、裂解管和旋风分离器中循环。

在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:4的比例与乙烷气一起经过上述S1-S5步骤，制得乙烯和丙烯成品。

合计的产品得率为92.9％。

实施例5

一种使用上述气体裂解反应装置3制备乙烯和丙烯的方法，其中裂解管的材质为高镍合金，包括：

原料为乙烷，储能粉末为镍粉末与硅铝酸盐结晶体的混合粉末，混合质量比为1:3。冷却介质为水。

步骤S1：将乙烷气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在360℃，预热乙烷气体；

步骤S3：通过粉体粉体温控加热器的储能粉末被加热到885℃；

步骤S4：预热后的乙烷高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的储能粉末一起进入裂解管，在储能粉末的高温作用下，发生裂解反应生成乙烯和丙烯；反应时间控制在0.20s左右。

步骤S5：步骤S4生产的六氟丙烯从裂解管出来后进入急冷器中快速冷却至400℃温度以下，离开急冷器后的气体进入旋风分离器，分离掉碳化硅粉末，之后进入后续处理装置经过气体分离和精馏，得到乙烯和丙烯成品。

从旋风分离器分离出来的储能粉末通过输送设备加入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说储能粉末在粉体温控加热器、裂解管和旋风分离器中循环。

在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:4的比例与乙烷气一起经过上述S1-S5步骤，制得乙烯和丙烯成品。

合计的产品得率为91.7％。

实施例6

使用上气体裂解反应装置1制备四氟乙烯(TFE)气体的方法，其中：

原料为R22，裂解管的材质为石英，储能粉末为高镍合金粉末，冷却介质为R22液体。

步骤S1：将二氟一氯甲烷(R22)气相通入混合器内；

步骤S2：控制预热器温度在470℃，预热二氟一氯甲烷(R22)气体；

步骤S3：通过粉体温控加热器的高镍合金粉末被加热到775℃；

步骤S4：预热后的R22高速气流夹带着已经在粉体温控加热器中完成加热的高镍合金粉末一起进入裂解管，在高镍合金粉末的高温作用下，发生裂解反应生成四氟乙烯；裂解反应时间控制在0.12s左右。

步骤S5：步骤S4生产的四氟乙烯从裂解管出来后进入旋风分离器，分离掉高镍合金粉末，进入急冷器中快速冷却至400℃温度以下，离开急冷器后的气体进入后续处理装置，经过气体分离和精馏，得到四氟乙烯成品。从旋风分离器分离出来的高镍合金粉末直接进入粉体温控加热器，重新被加热至所需温度。也就是说镍粉末在粉体温控加热器、裂解管和旋风分离器中循环。

在急冷器内吸热汽化后的R22气体进入预热器内预热。

在后续处理装置中分离出来的杂气重新回到混合器内，以1:3的比例与二氟一氯甲烷(R22)一起经过上述S1-S5步骤，制得四氟乙烯成品。产品得率为89.8％

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种使用气体裂解反应装置制备气体的方法，包括：

在混合器内通入原料气；

控制预热器温度在360-470℃，预热所述原料气；

通过粉体温控加热器的储能粉末被加热到775-955℃；

预热后的所述原料气与被加热后的所述储能粉在裂解装置中相遇，发生裂解反应，生成裂解气体；

所述裂解气体进入分离器，分离掉储能粉末后，进入急冷器中，冷却后即得裂解气；

所述气体裂解反应装置，用于制备四氟乙烯和/或六氟丙烯，其包括混合器、气体预热器、裂解装置、分离器以及急冷器；

还包括粉体温控加热器；所述粉体温控加热器的粉体出口端设置在靠近所述气体预热器端的所述裂解装置上，并连通；所述粉体为镍、铬、镍铬合金、镍铜合金、镍铁合金、镍铜铁合金、碳化硅、陶瓷、硅铝酸盐结晶体中的一种或几种的混合物；

所述混合器、气体预热器、裂解装置、分离器、急冷器通过管道依次连通；

所述急冷器的冷却方式为间接冷却；冷却介质为液体二氟一氯甲烷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料气使用原料气与分离掉积碳后的杂气混合气替代，其中杂气与原料气在混合器中的混合比例为1:3-8。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述裂解装置为裂解管。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分离器为旋风分离器、袋式除尘器或沉降室分离器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉体温控加热器的粉体进口端与所述分离器的粉体出口连通；或者在所述分离器与所述粉体温控加热器之间设置储能粉末输送设备。