CN105771810A - 一种用于苯与甲醇烷基化的反应器及进料方式 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工设备技术领域，为一种用于苯与甲醇烷基化反应的反应器及进料方法。该反应器顶部设有热原料气体进口，底部设有产物出口；壳体内设有催化剂床层，每个催化剂床层上下各装填一层催化剂；在每两个催化剂床层之间的壳体上均设有原料进口；在高压氮气管线上设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭。该反应器采用逐层冷激式进料；顶部进料的苯与甲醇进入苯与甲醇烷基化反应器，然后从侧线的原料进口喷入一定量的冷混合原料，即通过调节侧线进料量来保持上述反应气的温度。本发明的优点：采用多段冷激式容易实现温度控制；保证每层催化剂的失活周期一致；有效防止局部飞温的可能发生。

Description

一种用于苯与甲醇烷基化的反应器及进料方式

技术领域

本发明属于化工设备技术领域，为一种用于苯与甲醇烷基化反应的反应器及进料方式。

背景技术

苯与甲醇烷基化反应为快速反应。因而，苯与甲醇烷基化生成甲苯、二甲苯和水的化学反应速率不是反应的控制步骤，其关键操作参数的控制则是应该极为关注的问题。从化学动力学角度考虑，原料气与催化剂的接触时间(即停留时间)尽可能越短越好，这对防止深度裂解和结焦极为有利。但是，如果空速过大，会加速催化剂的老化和失活，导致再生周期缩短，不利于稳定操作。因此，应该有一个合适反应器来控制停留时间，否则催化剂的活性和选择性难以保证。

迄今为止，中国专利201210025588.7和200910242740.5都是关于催化剂方面的研究。

中国专利ZL00135809.X公布了一种由焦化苯合成制备烷基苯的方法。

山西恒扬科技有限公司申请的中国专利200910075173.9主要描述了工艺设计及其工艺条件对苯、甲醇烷基化反应的影响，仅仅是做了工艺设计和工艺条件的改变。

中国专利201210233351.8公布了一种苯/甲苯与甲醇烷基化反应产物分离的方法，是将反应生成的甲苯与未反应的苯一起循环与甲醇进行反应，其烷基化反应过程中有副产物醋酸生成，并伴有不凝气产生，且仅对工艺进行了简单说明。

中国专利201210233169.2公布了一种由苯、甲苯与甲醇烷基化制二甲苯的方法及装置，该反应的原料组成为苯、甲苯和甲醇，反应生产的苯和甲苯循环参与反应，仅对反应参数进行了说明。

中国发明专利申请CN102464559A，公开了一种用于生产烷基化芳烃的多床层反应器，从附图2中可以看出，该反应器具有外壳，壳体的顶部有物料进料口，底部有产物出口，反应器内有多层催化床，在两层催化床层之间，还有原料的进口。图2中，(1)和(2)分别为惰性材料和催化剂；Ⅰ代表芳烃原料；Ⅱ、Ⅲ代表烷基化试剂；A则反应得到的气体物流A；B则反应得到的气体物流B。

在图2中，反应器具有气液两个进料口，芳烃和第一部分烷基化试剂物流混合后，共同引入反应器液相入口，在反应器的第一层惰性材料区进行气化分散后，进入第一催化剂床层，进行甲苯甲基化反应，然后反应后的产物和第二部分烷基化试剂物流，在第二层惰性材料区汽化分散后，进入第二催化剂床层，发生甲苯甲基化反应，经多段反应后，反应产物经过冷却通入气液分离器进行分离，液体产物和气体产物可分别取样。

该专利申请的不足之处是在紧急情况下无法控制反应的异常温升。

在目前的专利和文献中都没有对反应中存在的放热问题提出解决办法。

发明内容

本发明的技术方案是为了克服现有技术中存在的在紧急情况下无法控制反应的异常温升的缺点，而提供一种用于苯与甲醇烷基化反应的反应器及进料方式，该反应器能够安全、有效的撤走反应产生的热量，防止绝热床层温度的急剧升高。从而解决苯与甲醇烷基化快速反应过程中，需要综合考虑的温度控制、物料分布、催化剂装填等多方面因素。

本发明的技术方案：

一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，包括：容器本体、在所述容器本体顶部设置的热原料气体进口，底部设有产物出口；所述容器本体的壳体内部沿轴向方向设有催化剂床层，每个催化剂床层上下各装填至少一层催化剂；在每两个催化剂床层之间的所述壳体上设有原料进口；在所述壳体上对应所述原料进口设有用于防止反应器飞温的高压氮气管线，并连接有氮气分布线，在所述高压氮气管线上设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭，当床层的某一点温度达到连锁值，则该开关阀立即自动开启，并通过所述氮气分布线上的喷嘴将氮气喷入整个反应器。

所述的壳体内部沿轴向方向设置的催化剂床层为五层。

所述的原料进口呈轴向对称分布。

所述的原料进口的注入口方向为平行注入。

所述催化剂床层上的催化剂装填厚度各不相同，自上而下逐层增加，每层的空速一致。

所述催化剂为惰性瓷球。

所述反应器采用逐层冷激方式，具体步骤如下：

所述热原料苯与甲醇通过设在顶部的热原料气体进口进入苯与甲醇烷基化反应器，通过第一催化剂床层反应后，温度升高到所控制的每个催化剂床层的温度；

所述冷混合原料苯与甲醇从侧线的原料进口喷入，使在所述第一层催化剂床层反应后的高温产物立即与汇入的冷混合原料苯与甲醇在气、液相分布器的作用下稀释降温后，通过喷洒器再进入下第二层催化剂床层反应，使从所述第一催化剂床层来的反应气激冷降温，以使混合后的物料经过所述第二催化剂床层后，温度仍保持在所述第一催化剂床层的温度，将所述第二催化剂床层出来的反应气的温度应作为控制指标与上层侧线进料量连锁，从而通过调节侧线进料量来保持上述反应气的温度。

所述催化剂床层为五层，第三、四、五催化剂床层的操作和控制与第二催化剂床层相同；

控制每个催化剂床层的升温，使反应温度控制在400℃～500℃。

所述的每一层催化剂床层的升温控制在10℃。

由顶部的热原料气体进口进入苯与甲醇的摩尔比为1：0.1～2。

本发明的有益效果：

本发明提供一种适用于工业规模的反应器以及进料方式，并将其应用于苯和甲醇的烷基化反应。催化剂采用改性的ZSM-5或MCM-56分子筛。由于苯与甲醇烷基化反应是中强度放热反应，为了安全、有效的撤走反应产生的热量，防止绝热床层温度的急剧升高，反应器采用轴向逐层递增型冷激式固定床反应器和进料方式，从而解决苯与甲醇烷基化快速反应过程中，需要综合考虑的温度控制、物料分布、催化剂装填等多方面因素；反应器设计上在每两个催化剂床层之间的壳体上均设有原料进口；在高压氮气管线上设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭。高压氮气紧急情况下用来控制反应的异常温升。

附图说明

本说明书共有2幅附图。

图1.为本发明的反应器的结构示意图；

图2.为现有技术中反应器的结构示意图。

其中，图1中：

1─壳体；

2─热原料气体进口；

3─产物出口；

4─原料进口；

5─气、液相分布器；

6─喷洒器；

7─催化剂床层；

8─催化剂；

9─喷嘴；

10─氮气分布线；

11─高压氮气管线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：

本发明的反应器如图1所示并按照以下方案实现：

(1)反应器顶部设有热原料气体进口2，底部设有产物出口3；

(2)壳体1内部沿轴向方向设有五层催化剂床层7，每个催化剂床层上下各设一层催化剂8，催化剂8为惰性瓷球，催化剂床层7厚度由上及下逐层增加；

(3)控制每个催化剂床层7温升一致：随着每层催化剂床层7下部侧线混入的用于冷激降温的气液相原料，总反应物料量逐层增多，因此催化剂各床层装填厚度各不相同，自上而下逐层增加，尽可能使每层的空速一致，以保证每层催化剂8的失活周期一致，这样才会有合理的再生周期；

(4)在每两个催化剂床层之间的壳体上均设有原料进口4，设在侧线的原料进口4依据装置规模而定，呈对称分布，注入口方向为平行注入，其目的是控制每层的温升和保证整个反应器中的催化剂8都在最佳反应温度下进行，顶部进料量和侧线各床层进料量也要依据催化剂性能确定。

(5)反应器采用逐层冷激式：苯与甲醇烷基化反应是中强度放热反应，为了安全、有效的撤走反应产生的热量，防止绝热床层温度的急剧升高，反应器采用逐层冷激式，将冷混合原料从每个催化剂床层7的下部侧线的原料进口4进入反应器，每个催化剂床层7反应后的高温产物立即与汇入的新鲜冷原料在气、液相分布器5的作用下稀释降温后，通过喷洒器6再进入下一层催化剂床层反应，以保证各床层均在推荐催化剂的最佳反应温度发生反应。

(6)在用于防止反应器飞温的高压氮气管线11上，设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭。一旦催化剂床层7的某一点温度达到连锁值，则设在高压氮气管线11上的该开关阀立即自动开启，通过氮气分布线10上的喷嘴9将氮气喷入整个反应器，以保护设备和催化剂。

所述的苯与甲醇烷基化反应器中，每个催化剂床层7的升温控制在10℃，反应温度400℃～500℃。顶部进料苯与甲醇摩尔比1：0.1～2，进入苯与甲醇烷基化反应器，通过第一催化剂床层7反应后温度升高到约10℃；然后从侧线的原料进口4喷入一定量的冷原料液，使从第一催化剂床层7来的反应气激冷降温，以使混合后的物料经过第二催化剂床层7后温度仍保持在第一催化剂床层7温度，因此第二催化剂床层7出来的反应气的温度应作为控制指标与上层侧线进料量连锁，即通过调节侧线进料量来保持上述反应气的温度；下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二催化剂床层相同。

采用多段冷激式容易实现温度控制、维持各催化剂床层7均在催化剂8的最佳反应温度发生反应。保证每层催化剂8的失活周期一致，这样才会有合理的再生周期。此外此形式能及时降温有效防止局部飞温的可能发生，特别适用于苯与甲醇烷基化这类放热反应。

设置氮气喷入系统，当反应器发生飞温时，通过联锁立即喷入氮气降温以保护设备和催化剂。

实施例1

苯与甲醇的摩尔比1：0.5混合加热到470℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层7，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速4h^-1，催化剂床层7的温度470℃～480℃，反应后的物料与第一层催化剂下端的侧线冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在480℃，混合料进入第二催化剂床层的催化剂8的空速4h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二催化剂床层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在490℃～500℃，苯的转化率40％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性95％。

实施例2

苯与甲醇的摩尔比1：1混合加热到470℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层7，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速3h^-1，催化剂床层7的温度470℃～480℃，反应后的物料与第一层催化剂下端的侧线的原料进口4的冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在480℃，混合料进入第二催化剂床层的催化剂8的空速3h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二催化剂床层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在470℃～480℃，苯的转化率55％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性90％。

实施例3

苯与甲醇的摩尔比1：1.2混合加热到460℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速3h^-1，催化剂床层7的温度460℃～470℃，反应后的物料与第一层催化剂下端的侧线的原料进口4的冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在470℃，混合料进入第二催化剂床层的催化剂8的空速3h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二催化剂床层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在460℃～470℃，苯的转化率58.91％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性85％。

实施例4

苯与甲醇的摩尔比1：2混合加热到450℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层7，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速3h^-1，催化剂床层7温度450℃～460℃，反应后的物料与第一催化剂床层催化剂下端的侧线的原料进口4的冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在460℃，混合料进入第二催化剂床的层催化剂8的空速3h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在450℃～460℃，苯的转化率75％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性80％。

实施例5

苯与甲醇的摩尔比1：1混合加热到480℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层7，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速6h^-1，催化剂床层7温度480℃～490℃，反应后的物料与第一层催化剂下端的侧线的原料进口4的冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在490℃，混合料进入第二催化剂床层的催化剂8的空速6h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二催化剂床层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在480℃～490℃，苯的转化率54％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性88％。

实施例6

苯与甲醇的摩尔比1：1.8混合加热到490℃，从反应器的顶部的热原料气体进口2进入催化剂床层7，反应的进料根据第一层催化剂的装填量，控制反应空速3h^-1，催化剂床层7温度490℃～500℃，反应后的物料与第一层催化剂下端的侧线的原料进口4的冷进料混合，通过调节侧线的流量调节，第二层催化剂的温度在500℃，混合料进入第二催化剂床层的催化剂8的空速3h^-1，下面第三、四、五催化剂床层的操作和控制原理与第二层相同，保证整个反应器的催化剂床层温度稳定在490℃～500℃，苯的转化率73％，甲醇的转化率100％，甲苯和混合二甲苯的选择性78.8％。

通过以上实施例，进一步说明本发明所的苯与甲醇烷基化反应器及进料方式中：

首先苯与甲醇烷基化，虽然属于芳烃的烷基化反应，但与甲苯甲醇烷基化反应不同，苯环的稳定性，苯与甲醇烷基化的反应过程与产物与甲苯甲醇烷基化有很大的区别。

其次，反应器设计上在每两个催化剂床层之间的壳体上均设有原料进口；在高压氮气管线上设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭。高压氮气紧急情况下用来控制反应的异常温升。

Claims (9)

1.一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于，包括：容器本体、在所述容器本体顶部设置的热原料气体进口(2)，底部设有产物出口(3)；所述容器本体的壳体(1)内部沿轴向方向设有催化剂床层(7)，每个催化剂床层(7)上下各装填至少一层催化剂(8)；在每两个催化剂床层(7)之间的所述壳体(1)上设有原料进口(4)；在所述壳体(1)上对应所述原料进口(4)设有用于防止反应器飞温的高压氮气管线(11)，并连接有氮气分布线(10)，在所述高压氮气管线(11)上设置开关阀，并通过高温连锁控制启闭，当床层的某一点温度达到连锁值，则该开关阀立即自动开启，并通过所述氮气分布线(10)上的喷嘴(9)将氮气喷入整个反应器。

2.根据权利要求1所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于：所述的壳体(1)内部沿轴向方向设置的催化剂床层(7)为五层。

3.根据权利要求1所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于：所述的原料进口(4)呈轴向对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于：所述的原料进口(4)的注入口方向为平行注入。

5.根据权利要求1所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于：所述催化剂床层(7)上的催化剂装填厚度各不相同，自上而下逐层增加，每层的空速一致。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器，其特征在于：所述催化剂(8)为惰性瓷球。

7.一种针对根据权利要求1至6中任意一种反应器的进料方法，其特征在于：所述反应器采用逐层冷激方式，具体步骤如下：

所述热原料苯与甲醇通过设在顶部的热原料气体进口(2)进入苯与甲醇烷基化反应器，通过第一催化剂床层(7)反应后，温度升高到所控制的每个催化剂床层的温度；

所述冷混合原料苯与甲醇从侧线的原料进口(4)喷入，使在所述第一层催化剂床层(7)反应后的高温产物立即与汇入的冷混合原料苯与甲醇在气、液相分布器(5)的作用下稀释降温后，通过喷洒器(6)再进入下第二层催化剂床层反应，使从所述第一催化剂床层(7)来的反应气激冷降温，以使混合后的物料经过所述第二催化剂床层(7)后，温度仍保持在所述第一催化剂床层(7)的温度，将所述第二催化剂床层(7)出来的反应气的温度应作为控制指标与上层侧线进料量连锁，从而通过调节侧线进料量来保持上述反应气的温度。

8.根据权利要求7所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器的进料方法，其特征在于：所述催化剂床层为五层，第三、四、五催化剂床层的操作和控制与第二催化剂床层相同；

控制每个催化剂床层的升温，使反应温度控制在400℃～500℃。

9.根据权利要求6所述的一种用于苯与甲醇烷基化的反应器的进料方法，其特征在于：由顶部的热原料气体进口(2)进入苯与甲醇的摩尔比为1：0.1～2。