CN106083511A - 一种制备乙烯的反应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备乙烯的反应系统及方法。系统包括：浆态床反应器、冷凝器、冷凝分离器、溶剂泵、溶剂混合罐、溶剂温控系统；浆态床反应器包括壳体和筛板，溶剂温控系统包括加热器、溶剂旁路和冷却器；溶剂混合罐通过液体出口与浆态床反应器连通，冷凝器通过气体出口与浆态床反应器连通，溶剂温控系统通过液体入口与浆态床反应器连通；冷凝器、冷凝分离器、溶剂混合罐、溶剂泵及溶剂温控系统依次连通。本发明的制备乙烯的反应系统及方法，可有效解决现有技术制备乙烯使得内部热量不易传出、催化剂利用率低的问题。

Description

一种制备乙烯的反应系统及方法

技术领域

本发明总地涉及乙烯的制备领域，具体涉及一种制备乙烯的反应系统及方法。

背景技术

乙烯是现代工业中一种重要的基础原料，也是世界产量最大的化学品之一，其产品广泛应用于国民经济、人民生活、国防等领域，是“有机合成之母”。面对石油资源的短缺和国际油价的攀升，原料来源成为发展乙烯工业的瓶颈，也是摆在人们面前必须解决的问题。因此，研究开发一种新的工艺技术来制备乙烯，以使之替代石油作为工业原材料，能够缓解现代工业对石油的依赖性。

在煤化工技术中，以煤为原料通过电石工艺，或以天然气为原料通过非催化部分氧化工艺制取乙炔，已成为成熟工艺。再以乙炔为原料，在选择性加氢催化剂的作用下，通过加氢过程得到乙烯产品，可进一步拓展煤化工路线。因此，开发乙炔加氢制乙烯的新工艺技术，具有广阔的应用前景。

低浓度乙炔气固相催化加氢技术在石油工业中已非常成熟，主要用于乙烯中去除乙炔杂质,使用的反应器为固定床反应器，在反应器中装填固相催化剂进行气固相反应。但由于乙炔活性高，加氢反应放热量大，即使是裂解气中存在少量乙炔，传统的气固相固定床加氢反应器仍存在着绿油生成量大、催化剂循环周期短、反应器易“飞温”等严重问题。

现有技术一为一种乙炔加氢制乙烯的流化床工艺及装置。该工艺包括以下步骤：在流化床反应器内加入催化剂和稀释剂；对催化剂进行升温还原；将乙炔和氢气混合物通入流化床反应器；乙炔选择性加氢生成乙烯；将冷却介质通入反应器换热构件以移除反应热；分离得到乙烯产品。该工艺技术存在以下缺点：

乙炔选择性加氢制乙烯是强放热反应，虽然在该工艺中冷却介质用以移除反应时放出的大量的热，但是还是难以完全消除发生反应时局部气体温度过高的隐患；

因该工艺使用的流化床，就难以避免催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，这会带来催化剂的损失、增加除尘的难度、增加换热构件和反应器的磨损等问题。

现有技术二为一种乙烯连续分离生产线，包括氧加氢反应器、裂解气第二干燥器、脱硫醇/羰基硫反应器、脱砷反应器、乙炔加氢反应器。其使用的乙炔加氢反应器所采用的反应器是固定床反应器。只能够处理低浓度的乙炔，且处理量比较小；如果乙炔含量增大，会生成大量绿油、造成催化剂循环周期变短、甚至会出现反应器“飞温”的问题。

因此，为了使得反应器能适应较大量的反应乙炔气体，不会造成催化剂利用率低、反应器“飞温”的问题，从根本上改善气液流场分布，改进反应器内流化的质量，有必要提出一种新的制备乙烯的反应系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备乙烯的反应系统及方法，以解决现有技术制备乙烯使得内部热量不易传出、催化剂利用率低的问题。

本发明提供一种制备乙烯的反应系统，其包括：浆态床反应器、冷凝器、冷凝分离器、溶剂泵、溶剂混合罐、溶剂温控系统；其中，所述浆态床反应器包括壳体和筛板，所述壳体的下部设有反应气体入口、液体出口；所述壳体的上部设有气体出口和液体入口；所述筛板位于所述壳体内，固定在所述壳体内壁上，位于所述液体入口之下，所述反应气体入口之上；所述溶剂温控系统包括加热器、溶剂旁路和冷却器，所述加热器和所述冷却器并列设置，所述溶剂旁路通过换热管道分别与所述加热器与所述冷却器连接；所述溶剂混合罐通过所述液体出口与所述浆态床反应器连通，所述冷凝器通过所述气体出口与所述浆态床反应器连通，所述溶剂温控系统通过所述液体入口与所述浆态床反应器连通；所述冷凝器、所述冷凝分离器、所述溶剂混合罐、所述溶剂泵及所述溶剂温控系统依次连通。

上述的系统，所述溶剂混合罐中设有搅拌装置。

上述的系统，所述冷凝分离器连通乙烯收集装置。

上述的系统，所述浆态床反应器内部分布着多层相互平行的筛板，相邻层的筛板间留有间隔，各层筛板的间隔相等。

上述的系统每层所述筛板包括受液盘、鼓泡区、溢流堰和降液管；其中，所述筛板的部分边沿与所述壳体内壁固定；非固定的边沿设有溢流堰，所述溢流堰用于保持每层所述筛板上有一定高度的液体；上层所述降液管在下层所述筛板的投影区域为受液盘，用于盛放从上层所述降液管流下的液体；所述降液管由所述筛板的溢流堰与所述壳体的内壁的间隙形成，设于所述溢流堰的旁边，用于使液体从上层所述筛板的溢流堰处流至下层所述筛板的受液盘，保持液相的连续性；所述筛板的中心部位为所述鼓泡区，其上均匀分布有筛孔。

上述的系统，所述筛孔为均匀分布的圆形小孔，所述小孔的中心距为孔径的1-5倍，所述小孔的直径为3-20mm。

上述的系统，所述筛板的筛孔设有浮阀或泡罩。

上述的系统，上层所述筛板的降液管的底端不高于下层所述筛板溢流堰的高度。

本发明提供一种利用上述系统制备乙烯的方法，所述方法包括：将乙炔和氢气的混合气送入所述浆态床反应器中；利用所述溶剂泵将所述溶剂混合罐中的液体溶剂及催化剂送入所述溶剂温控系统内，调节所述液体溶剂及催化剂的温度后再将其送入到所述浆态床反应器内；使所述液体溶剂与催化剂在所述浆态床反应器内经所述筛板流至所述浆态床反应器的底部；使所述乙炔和氢气的混合气通过催化剂进行反应；使所述乙炔和氢气反应后的气体从所述浆态床反应器流通入所述冷凝器，再通过所述冷凝分离器，将所述反应后的气体中的溶剂冷凝下来；使冷凝下来的溶剂进入到所述溶剂混合罐，将冷凝后的气体再经冷却分离得到乙烯；使所述浆态床反应器底部的部分液体溶剂及催化剂进入所述溶剂混合罐。

上述的方法，还包括步骤：通过开启所述加热器并使所述加热器与所述溶剂旁路连通，控制换热功率和所述旁路溶剂的流量来控制液体溶剂与催化剂的升温速率；通过开启所述冷却器并使所述冷却器与所述溶剂旁路连通，控制冷却功率、溶剂旁路的流量来控制所述液体溶剂与催化剂的降温速率；通过交替开启所述加热器与所述溶剂旁路的连通与加热或所述冷却器与所述溶剂旁路的连通与冷却，以维持所述液体溶剂与催化剂温度的稳定。

本发明的有益效果在于，本发明提出了一种新的制备乙烯的反应系统及方法，该反应系统及方法简单易操作，反应过程易于实现移热，催化剂可循环利用。同时，系统中设置了温控系统(加热器、溶剂旁路和冷却器)，能够实现对系统溶剂温度的准确控制，保持溶剂的温度相对稳定，从而保证了整个系统的平稳运行。此外，能够将反应器顶冷凝下来的溶剂重新进行加热，使得溶剂温度更加均一，从而使反应器内的温度更加均匀。总之，本发明的技术方案使得利用浆态床反应器进行高浓度乙炔选择性加氢成为一种重要的制烯烃的生产途径。

附图说明

图1为本发明技术方案制备乙烯的浆态床反应器的结构示意图；

图2为本发明技术方案中筛板的俯视结构示意图；以及

图3为本发明技术方案实施例制备乙烯的系统结构流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1是本发明中的浆态床反应器的结构图。其中：1、反应气体入口；2、液体出口；3、气体出口；4、液体入口；5、筛板；6、降液管；7、受液盘；8、鼓泡区。

浆态床反应器的原理是气体以鼓泡形式通过悬浮有固体细粒的液体(浆液)层，以实现气液固相反应过程的反应器。该种用于乙炔选择性加氢制乙烯的浆态床反应器，所述浆态床反应器包括反应器壳体和筛板5。

反应器壳体下部设置有反应气体入口1和液体出口2，反应器壳体上部有气体出口3和液体入口4。

所述筛板5位于所述壳体内，固定在所述壳体内壁上，位于所述液体入口4之下，所述反应气体入口1之上。

在反应器壳体内的中部，均匀地分布着筛板5。在每层筛板5上有受液盘7、溢流堰、降液管6和鼓泡区8。筛板5的部分边沿与壳体内壁固定，非固定的边沿设有溢流堰。

上层降液管在下层筛板的投影区域叫做受液盘，用于盛放从上层降液管流下的液体。

筛板5的俯视图如图2所示。在筛板5的一端的溢流堰的作用是保持每层筛板上有一定高度的液体。在溢流堰的旁边是降液管6。具体地，降液管6可由所述筛板5的溢流堰与所述反应器内壁的间隙形成。当然降液管6也可是别的结构比如是管道结构。降液管6的作用是让液体从上层筛板的溢流堰处流至下层筛板的受液盘7。上层筛板5的降液管6的底端不高于下层筛板5溢流堰的高度。这样设计是为了实现液封，即防止气体从降液管6处上升致使各层气体相接而短路。在筛板5上的中部区域为鼓泡区8，其上均匀分布着筛孔，其为圆形小孔。小孔是气体上升的主要通道，能够使得气体与液体均匀接触。

反应器相邻层的所述降液管6在垂直于所述受液盘7的方向上的投影于圆周角度上错开布置。这样方便实现上层筛板5流下来的液体存于相邻下层筛板5上一定时间，直至液体高出该下层的溢流堰而流出至再下层的筛板5。

小孔与液体的流向可保持叉排状态，小孔的排列方式可为正三角式。小孔中心距为孔径的1-5倍，优选的孔间的中心距为1.5倍；孔的直径为3-20mm，优选的孔的直径为10mm。

在筛板的筛孔上也可设有浮阀或泡罩。浮阀可以在筛板上浮动，随着气体流量的变化而改变其开启度。泡罩内有升气管，在泡罩与升气管之间形成回转空间。升气管固定在筛板上，气相通过升气管进入回转空间，以一定的喷出速度由齿缝喷出，与筛板上的液体形成鼓泡接触。

如图3所示为制备乙烯的反应系统，其包括上述说明中提到的浆态床反应器10、冷凝器20、冷凝分离器30、溶剂混合罐40、溶剂泵50、加热器60、冷却器70。

加热器60、溶剂旁路和冷却器70构成所述溶剂温控系统。所述加热器60和所述冷却器70并列设置，所述溶剂旁路(图中未标出序号)通过换热管道分别与所述加热器60与所述冷却器70连接。所述溶剂混合罐40通过浆态床反应器的液体出口2与浆态床反应器10连通。所述冷凝器20通过浆态床反应器气体出口3与所述浆态床反应器10连通。所述溶剂温控系统通过所述浆态床反应器10的液体入口4与所述浆态床反应器10连通。所述冷凝器20、所述冷凝分离器30、所述溶剂混合罐40、所述溶剂泵50及所述溶剂温控系统依次连通。

上述的系统，所述冷凝分离器30连通乙烯收集装置，用于最终制得乙烯。

上述的系统，所述溶剂混合罐40中设有搅拌装置，用于溶剂混合罐40中溶剂与催化剂的搅拌。

制备乙烯时，乙炔和氢气的混合气通过浆态床反应器10底部的反应气体入口1进入到反应器中。反应气体通过反应器内部的筛板上的小孔进入到液相之中。催化剂及载体溶剂自反应器上部的液体入口4中流入。因小孔在筛板5上是均匀分布的，所以反应气体也随之均匀分散到液体当中。在液体中，反应气体在悬浮于液体中的催化剂的催化作用下发生反应。反应后的气体脱离该层筛板5，再通过上层筛板5的小孔进入到上层液体当中。如此反复直至通过反应器最上端的筛板5，从反应器顶端的气体出口3出去。

在反应器中，气体是至下而上的流向，液体是至上而下的流向，气相和液相整体呈现出逆流的方向，增大了传质和传热的效果。由于反应器中有多层筛板，也就是意味着反应器中存在着多个小的浆态床反应器，增大了气液固三相充分接触的接触面积，改善了气液流场分布，避免短路，而且还可以强化湍动与气液传质，改进了反应器内流化的质量。

从反应器顶端出来的反应气，再通过冷凝器20的冷却将气体温度冷却下来。随后，再通过冷凝分离器30将气体中的溶剂冷凝下来。冷凝下来的溶剂进入到溶剂混合罐40，而气体再经过深度冷却分离即可得到产品乙烯。

在反应器底部的溶剂通过液体出口2进入到4溶剂混合罐40。在溶剂混合罐40中设置有搅拌装置，将反应器中的溶剂与来自冷凝分离器30中的溶剂混合均匀。再通过溶剂泵50，将溶剂打入到温控系统中。温控系统由加热器60、溶剂旁路和冷却器70三条线路组成，可以根据反应器所需的不同工况进行调控。当溶剂需要升温的时候，就开启加热器60和溶剂旁路，通过调节换热功率和旁路溶剂的流量来控制升温速率。当反应器在反应时，反应器需要移热时，就可以同时控制加热器60的加热功率、旁路流量和冷却器70的冷却功率来控制溶剂温度保持稳定。当系统需要降温时，就开启冷却器70和溶剂旁路，通过调节冷却功率和旁路溶剂的流量来控制降温速率。温控系统能够满足浆态床各工况对于系统温度的控制。需要注意的是，由于浆态床的溶剂中含有催化剂的固体颗粒，加热器60和冷却器70的换热管道不能太细，并且防止有死角，以防止催化剂沉积堵塞管道。

溶剂通过温控系统控温后，通过反应器顶部的液体入口4，进入到反应器中。在反应器中的溶剂，再由上而下逐级通过每层筛板，流到反应器底部。

在反应器底部的溶剂通过液体出口2进入到溶剂混合罐40。在溶剂混合罐40中，通过搅拌装置将催化剂和溶剂混合均匀后，再通过溶剂泵50将混合后的液体送入到温控系统，调温后进入反应器中。该过程可实现催化剂的循环利用。

与目前乙烯中少量乙炔加氢的技术相比，本技术可以实现由高浓度乙炔选择性加氢制乙烯，进一步拓展煤化工的技术路线。

进一步地，在本发明技术方案中，气体是至下而上的流向，液体是至上而下的流向，气相和液相整体呈现出逆流的方向，增大了传质和传热的效果。

进一步地，本发明的技术方案的反应器中有多层筛板，也就是意味着反应器中存在着多个小的浆态床反应器，增大了气液固三相充分接触的接触面积，改善了气液流场分布，可避免短路，而且还可以强化湍动与气液传质，改进了反应器内流化的质量。

进一步地，本发明的系统及方法使得催化剂能够循环利用，提高了催化剂的利用效率。

本发明的技术方案利用液相溶剂的显热(显热是指当此热量加入或移去后，会导致物质温度的变化，而不发生相变)，散热能力显著提高，可以快速移出因乙炔选择性加氢生成乙烯而产生的热，降低反应床层的温度，提高乙炔的转化率和乙烯的选择性。

另外，本技术方案系统中设置了温控系统(加热器、溶剂旁路和冷却器)，能够实现对系统溶剂温度的准确控制，保持溶剂的温度相对稳定，从而保证了整个系统的平稳运行。而且，从反应器冷凝下来的溶剂重新进行加热，使得溶剂温度更加均一，从而使反应器内温度更加均匀。

总之，本发明提供的的反应系统及方法，进行乙炔选择性加氢反应时，能有效地避免发生“飞温”现象，能更好地抑制乙炔选择加氢制乙烯过程中因放热反应而引起的催化剂床层中热点的出现，进而避免催化剂失活，提高催化剂的稳定性。本发明提出的设备采用催化剂循环利用的方式很好地解决了催化剂利用效率低的问题。

实施例1

采用实施方式中的用于乙炔选择性加氢制乙烯的系统如图3所示。系统结构如上述实施方式中所介绍的形式。该系统反应器的操作压力为0.15-0.3MPa，温度为100-180℃。先用氮气作为气源，与浆态床反应器中的含有催化剂的溶剂建立气液流向。随后，再逐渐开启温控系统的加热器逐渐升温溶剂系统。当反应器中的溶剂温度达到目标温度并且系统平稳运行后，再将乙炔和氢气通入到反应器中。在反应器中，乙炔和氢气在催化剂的催化作用下生成乙烯。反应后的气体再通过冷凝器20和冷凝分离器30，将气体中的溶剂冷凝下来后，再送出反应界区。从反应器顶冷凝分离器30中冷凝下来的溶剂进入到溶剂混合罐40中，混合均匀后，随溶剂泵进入到温控系统中，再进入到反应器中。

在本实施例中，使用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮,温控系统保持溶剂的温度相对稳定，从而保持系统温度的稳定。当开始乙炔选择性加氢反应时，放出的大量的热，可以通过温控系统换热来实现，避免了系统内部局部温度过高。使用的催化剂的粒径为40-150μm。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种制备乙烯的反应系统，其包括：浆态床反应器、冷凝器、冷凝分离器、溶剂泵、溶剂混合罐、溶剂温控系统；

其中，所述浆态床反应器包括壳体和筛板，

所述壳体的下部设有反应气体入口、液体出口；所述壳体的上部设有气体出口和液体入口；

所述筛板位于所述壳体内，固定在所述壳体内壁上，位于所述液体入口之下，所述反应气体入口之上；

所述溶剂温控系统包括加热器、溶剂旁路和冷却器，所述加热器和所述冷却器并列设置，所述溶剂旁路通过换热管道分别与所述加热器与所述冷却器连接；

所述溶剂混合罐通过所述液体出口与所述浆态床反应器连通，所述冷凝器通过所述气体出口与所述浆态床反应器连通，所述溶剂温控系统通过所述液体入口与所述浆态床反应器连通；

所述冷凝器、所述冷凝分离器、所述溶剂混合罐、所述溶剂泵及所述溶剂温控系统依次连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述溶剂混合罐中设有搅拌装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝分离器连通乙烯收集装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浆态床反应器内部分布着多层相互平行的筛板，相邻层的筛板间留有间隔，各层筛板的间隔相等。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每层所述筛板包括受液盘、鼓泡区、溢流堰和降液管；其中，所述筛板的部分边沿与所述壳体内壁固定；非固定的边沿设有溢流堰，所述溢流堰用于保持每层所述筛板上有一定高度的液体；上层所述降液管在下层所述筛板的投影区域为受液盘，用于盛放从上层所述降液管流下的液体；

所述降液管由所述筛板的溢流堰与所述壳体的内壁的间隙形成，设于所述溢流堰的旁边，用于使液体从上层所述筛板的溢流堰处流至下层所述筛板的受液盘，保持液相的连续性；所述筛板的中心部位为所述鼓泡区，其上均匀分布有筛孔。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述筛孔为均匀分布的圆形小孔，所述小孔的中心距为孔径的1-5倍，所述小孔的直径为3-20mm。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述筛板的筛孔设有浮阀或泡罩。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，上层所述筛板的降液管的底端不高于下层所述筛板溢流堰的高度。

9.一种利用权利要求1至8任一项所述系统制备乙烯的方法，所述方法包括：

将乙炔和氢气的混合气送入所述浆态床反应器中；

利用所述溶剂泵将所述溶剂混合罐中的液体溶剂及催化剂送入所述溶剂温控系统内，调节所述液体溶剂及催化剂的温度后再将其送入到所述浆态床反应器内；使所述液体溶剂与催化剂在所述浆态床反应器内经所述筛板流至所述浆态床反应器的底部；

使所述乙炔和氢气的混合气通过催化剂进行反应；

使所述乙炔和氢气反应后的气体从所述浆态床反应器流通入所述冷凝器，再通过所述冷凝分离器，将所述反应后的气体中的溶剂冷凝下来；使冷凝下来的溶剂进入到所述溶剂混合罐，将冷凝后的气体再经冷却分离得到乙烯；

使所述浆态床反应器底部的部分液体溶剂及催化剂进入所述溶剂混合罐。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

通过开启所述加热器并使所述加热器与所述溶剂旁路连通，控制换热功率和所述旁路溶剂的流量来控制液体溶剂与催化剂的升温速率；

通过开启所述冷却器并使所述冷却器与所述溶剂旁路连通，控制冷却功率、溶剂旁路的流量来控制所述液体溶剂与催化剂的降温速率；

通过交替开启所述加热器与所述溶剂旁路的连通与加热或所述冷却器与所述溶剂旁路的连通与冷却，以维持所述液体溶剂与催化剂温度的稳定。