CN106215828A - 一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法 - Google Patents

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CN106215828A CN201610848167.2A CN201610848167A CN106215828A CN 106215828 A CN106215828 A CN 106215828A CN 201610848167 A CN201610848167 A CN 201610848167A CN 106215828 A CN106215828 A CN 106215828A
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张晓丹
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唐志永
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Abstract

本发明提供一种微通道反应装置，包括：上封板，下封板，以及位于上下封板之间的至少一个微通道反应器；微通道反应器包括：微通道反应板；位于微通道反应板上表面的第一、第二换热通道板；及位于微通道反应板下表面的第三、第四换热通道板；微通道反应板包括：进口；与进口连接的预热通道，预热通道位于第一、第三换热通道板之间；与预热通道连接的反应微通道，反应微通道位于第二、第四换热通道板之间，且反应微通道内设置有烯烃催化剂；及与反应微通道连接的出口。通过本发明所述的微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法，解决了现有技术制备烯烃时，因局部热点降低烯烃的选择性，并且使催化剂失效的问题。

Description

一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法
技术领域
本发明属于化工合成领域，特别是涉及一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法。
背景技术
烯烃在现代石油和化学工业中起着举足轻重的作用，是十分重要的化工原料。烯烃的制备方法按原料划分总体上可以分为3大类：石油路线、天然气路线和煤炭路线，其中采用石脑油或轻柴油裂解的石油化工路线是目前普遍采用的方法。随着全球范围内石油资源的日益枯竭，未来能源结构势必发生转移。与石油资源相比，我国的煤、天然气以及生物质资源相对丰富，开发以煤、天然气以及生物质为原料的烯烃生产工艺具有重要意义。
利用煤炭、天然气或生物质合成烯烃有多种工艺路线，主要有先转化为合成气再直接转化为烯烃的路线、先转化为合成气后转化为甲醇再转化为烯烃的路线、甲烷氧化偶联直接制备烯烃的路线等；其中，合成气直接合成烯烃路线具有较高的能量利用率和良好的经济性。
合成气直接合成烯烃为强放热反应，反应过程中的热量转移和温度控制至关重要，随着反应温度的升高，甲烷和乙烷选择性会明显升高；局部热点会促进催化剂表面不饱和烃的氢化，从而降低烯烃的选择性，同时会使催化剂表面积碳失活。如现有技术中利用固定床反应器制备烯烃时，固定床反应器中存在的热点会显著的降低烯烃的选择性并且使催化剂失活。
鉴于此，有必要设计一种新的微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法用于解决此问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法，用于解决现有技术制备烯烃时，因局部热点降低烯烃的选择性，并且使催化剂失活的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微通道反应装置，所述微通道反应装置包括：上封板，下封板，以及位于所述上封板和所述下封板之间的至少一个微通道反应器；所述微通道反应器包括：
微通道反应板；
位于所述微通道反应板上表面的第一换热通道板和第二换热通道板；
以及位于所述微通道反应板下表面的第三换热通道板和第四换热通道板；
其中，所述微通道反应板包括：
进口；
与所述进口连接的预热通道，所述预热通道位于所述第一换热通道板和第三换热通道板之间；
与所述预热通道连接的反应微通道，所述反应微通道位于所述第二换热通道板和第四换热通道板之间，且所述反应微通道内设置有烯烃催化剂；
以及与所述反应微通道连接的出口。
优选地，所述预热通道为蛇形管路，所述蛇形管路的直径为300～1000μm。
优选地，所述反应微通道包括多条平行放置的微管路，所述微管路的直径为100～1000μm，所述微管路的数量为5～100条。
优选地，通过对所述反应微通道进行涂覆、填充或溶液原位培养形成烯烃催化剂。
优选地，所述烯烃催化剂为CoMn催化剂。
优选地，第一、第二、第三及第四换热通道板内的换热介质为水、水蒸气或导热油中的一种。
优选地，第一换热通道板内换热介质的温度与第三换热通道板内换热介质的温度相等，第二换热通道板内换热介质的温度与第四换热通道板内换热介质的温度相等。
优选地，第一换热通道板内换热介质的温度大于第二换热通道板内换热介质的温度。
优选地，所述第一、第二、第三及第四换热通道板的材质均为不锈钢或金属合金，所述微通道反应板的材质为不锈钢或金属合金。
本发明还提供一种微通道反应系统，所述微通道反应系统包括：
如上述所述的微通道反应装置；
与所述微通道反应装置连接的气液分离装置；
与所述气液分离装置连接的精馏装置；
以及连接于所述气液分离装置和微通道反应装置之间的循环装置。
本发明还提供一种利用所述微通道反应系统制备烯烃的方法，所述制备方法包括：
S1：将氢气和一氧化碳以一定比例混合后通过进口进入预热通道，并通过第一、第三换热通道板对所述预热通道内的气体进行预热，使其达到反应所需温度，而后预热通道内的气体进入反应微通道内，并在烯烃催化剂的作用下发生反应；
S2：反应后的产物通过出口进入气液分离装置，并通过气液分离装置进行分离，分离出气相产物，油相产物和水；
S3：油相产物通过精馏装置进行精馏，获得烯烃产物；
S4：气相产物通过循环装置，一部分气相产物作为循环气进入微通道反应装置重新进行反应，而另一部分气相产物则作为驰放气排放出所述微通道反应系统。
优选地，氢气和一氧化碳的摩尔比为1:2～2:1。
优选地，反应所需温度为200℃～300℃。
优选地，所述反应压力为0MPa～2MPa。
如上所述，本发明的一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法，具有以下有益效果：
1、本发明所述微通道反应装置通过将所述预热通道设置为蛇形管路，并在所述预热通道上下表面设置第一、第三换热通道板，增大了预热通道的比表面积，同时大幅度强化了反应过程中的传热和传质效率，提高了反应速率；通过在所述反应微通道上下表面设置第二、第四换热通道板，及时带走反应产生的热量，避免出现局部热点。
2、通过本发明所述的微通道反应系统制备烯烃，极大地提高了一氧化碳的单程转化率，降低甲烷选择性的同时提高了其它碳烯烃的选择性。
3、本发明所述微通道反应装置能够模块化，易于控制，且操作弹性大。而由其组成的所述微通道反应系统体积较小，具有较好的灵活性，可适用于偏远地区，且在小规模生产中具有较好的经济可行性。
附图说明
图1显示为本发明微通道反应装置的结构图。
图2显示为本发明微通道反应装置的爆炸图。
图3显示为本发明微通道反应板的结构示意图。
图4显示为本发明微通道反应系统的示意图。
图5显示为本发明气液分离装置的结构示意图。
图6显示为本发明制备烯烃的流程图。
元件标号说明
1 微通道反应系统
11 微通道反应装置
111 上封板
112 微通道反应器
1121 第一换热通道板
1122 第二换热通道板
1123 微通道反应板
11231 进口
11232 预热通道
11233 反应微通道
11234 出口
1124 第三换热通道板
1125 第四换热通道板
113 下封板
12 气液分离装置
121 罐体
1211 入口
122 入口折流板
123 除雾器
124 气体管路
1241 压力控制阀
125 油槽
126 油气管路
1261 第一液面控制阀
127 挡水板
128 出水管路
1281 第二液面控制阀
13 精馏装置
14 循环装置
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1至图3所示，本实施例提供一种微通道反应装置11，所述微通道反应装置11包括：上封板111，下封板113，以及位于所述上封板111和所述下封板113之间的至少一个微通道反应器112；所述微通道反应器112包括：
微通道反应板1123；
位于所述微通道反应板1123上表面的第一换热通道板1121和第二换热通道板1122；
以及位于所述微通道反应板1123下表面的第三换热通道板1124和第四换热通道板1125；
其中，所述微通道反应板1123包括：
进口11231；
与所述进口11231连接的预热通道11232，所述预热通道11232位于所述第一换热通道板1121和第三换热通道板1124之间；
与所述预热通道11232连接的反应微通道11233，所述反应微通道11233位于所述第二换热通道板1122和第四换热通道板1125之间，且所述反应微通道11233内设置有烯烃催化剂；
以及与所述反应微通道11233连接的出口11234。
需要说明的是，当所述微通道反应器112为一个时，所述微通道反应器112位于所述上封板111和下封板113之间；而当所述微通道反应器112为多个时，即所述微通道反应器112的数量大于等于2个时，所述多个微通道反应器112平铺在所述上、下封板之间，形成单层的微通道反应器层。
需要说明的是，通过在所述微通道反应器112的上下表面设置上、下封板，起到保护、固定所述微通道反应器的作用。
具体的，通过在所述预热通道11232的上、下表面设置第一、第三换热通道板，并通过在所述第一、第三换热通道板内通入温度较高的换热介质，实现对流经所述预热通道内的气体进行预热的目的。通过在所述反应微通道的上、下表面设置第二、第四换热通道板，并通过在所述第二、第四换热通道板内通入温度较低的换热介质，实现通过较低温度的换热介质带走所述反应微通道内因反应产生的热量，降低反应微通道11233内的温度，避免出现局部热点。
需要说明的是，通入第一、第二、第三及第四换热通道板的换热介质为水、水蒸气或导热油中的一种。优选地，在本实施例中，所述换热介质为导热油。
需要说明的是，通入第一、第三换热通道板内的换热介质温度相等，所述温度为预热通道内气体反应所需温度；通入第二、第四换热通道板内的换热介质温度相等，且低于所述第一、第三换热通道板内的换热介质的温度。
需要说明的是，所述第一、第二、第三及第四换热通道板的材质均为不锈钢或金属合金。优选地，在本实施例中，所述第一、第二、第三及第四换热通道板的材质为不锈钢。
具体的，所述预热通道11232为蛇形管路，所述蛇形管路的直径为300～1000μm。
需要说明的是，通过将预热通道设为蛇形管路，在相同的空间内大大增加了管路的长度；而通过管路长度的增加，不仅加快了预热通道的预热速度，还通过预热速度及气体流量的增加提高了反应速度。
具体的，所述反应微通道11233包括多条平行放置的微管路，所述微管路的直径为100～1000μm，所述微管路的数量为5～100条。
具体的，通过对所述反应微通道11233进行涂覆、填充或溶液原位培养形成烯烃催化剂。优选地，在本实施例中，将所述烯烃催化剂填充在所述反应微通道内。其中，所述烯烃催化剂为任意一种烯烃催化剂，优选地，在本实施例中，所述烯烃催化剂为CoMn(钴锰)催化剂。
具体的，所述微通道反应板1123的材质为不锈钢或金属合金。优选地，在本实施例中，所述微通道反应板1123的材质为不锈钢。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种微通道反应系统1，所述微通道反应系统1包括：
如实施例一所述的微通道反应装置11；
与所述微通道反应装置11连接的气液分离装置12；
与所述气液分离装置12连接的精馏装置13；
以及连接于所述气液分离装置12和微通道反应装置11之间的循环装置14。
具体的，通过气液分离装置12将微通道反应装置11内的产物进行气液分离，分离出气相产物，油相产物和水。其中，所述气液分离装置12为现有任意一种能实现气液分离功能的装置。
优选地，在本实施例中，如图5所示，所述气液分离装置12包括：
一端设有入口1211的罐体121；
位于所述入口1211处的入口折流板122；
位于所述罐体121内部另一端上方位置的除雾器123；
与所述除雾器123连接的气体管路124，所述气体管路124上设有压力控制阀1241；
位于所述罐体121内部另一端中间位置的油槽125；
与所述油槽125连接的油气管路126，所述油气管路126上设有第一液面控制阀1261；
位于所述罐体121内部另一端下方位置的挡水板127，且所述挡水板127在所述油槽125和另一端罐体之间；
以及位于所述挡水板127和另一端罐体之间，且与所述罐体121连接的出水管路128，所述出水管路128上设有第二液面控制阀1281。
其中，所述入口1211与所述微通道反应装置的出口连接。
需要说明的是，当所述微通道反应装置11内的产物通过入口进入所述气液分离装置12后，所述产物经过入口折流板122后分离，气相产物位于所述罐体的顶部，水位于所述罐体的底部，油相产物则位于所述水和气相产物之间；气相产物经过除雾器123后通过气体管路124进入循环装置14，油相产物进入油槽125后通过油气管路126进入精馏装置13，而水则通过挡水板127后进入到挡水板127与另一端罐体形成的空间内，并通过出水管路128排出所述微通道反应系统。
具体的，所述精馏装置13通过利用油相产物中各碳烯烃目标产物的沸点不同而实现各碳烯烃的分离。优选地，在本实施例中，所述精馏装置为现有任意一种能够对油相产物实现精馏功能的装置。
具体的，所述气液分离装置12分离出来的气相产物进入所述循环装置14后，其中，一部分气相产物进入循环压缩机，作为循环气回到微通道反应装置重新进行循环，而另一部分气相产物则直接作为驰放气排出微通道反应系统。
需要说明的是，由于通入微通道反应装置11内的待反应气体并未完全转化，所以经过气液分离装置12分离出来的气相产物大部分是未发生反应的待反应气体及部分惰性气体。而且，循环气和驰放气的气体组分是相同的，都包括待反应气体和惰性气体。
进一步需要说明的是，所述循环装置14通过阀门和循环压缩机控制循环气和驰放气的气量，并通过将驰放气排出微通道反应系统，以保持整个微通道反应系统中的惰性气体累计不超过一定数值。
实施例三
如图6所示，本实施例提供一种利用实施例二所述微通道反应系统制备烯烃的方法，所述制备方法包括：
S1：将氢气和一氧化碳以一定比例混合后通过进口进入预热通道，并通过第一、第三换热通道板对所述预热通道内的气体进行预热，使其达到反应所需温度，而后预热通道内的气体进入反应微通道内，并在烯烃催化剂的作用下发生反应；
S2：反应后的产物通过出口进入气液分离装置，并通过气液分离装置进行分离，分离出气相产物，油相产物和水；
S3：油相产物通过精馏装置进行精馏，获得烯烃产物；
S4：气相产物通过循环装置，一部分气相产物作为循环气进入微通道反应装置重新进行反应，而另一部分气相产物则作为驰放气排放出所述微通道反应系统。
具体的，所述氢气和一氧化碳的摩尔比为1:2～2:1。优选地，所述氢气和一氧化碳的摩尔比为1:1～2:1。进一步优选地，在本实施例中，所述氢气和一氧化碳的摩尔比为2:1。
具体的，所述反应所需温度为200℃～300℃。优选地，所述反应所需温度为240℃～260℃。进一步优选地，在本实施例中，所述反应所需温度为250℃。
具体的，所述反应压力为0MPa～2MPa。优选地，所述反应压力为0MPa～1MPa。进一步优选地，在本实施例中，所述反应压力为1MPa。
具体的，所述烯烃催化剂为任意一种烯烃催化剂。优选地，在本实施例中，所述烯烃催化剂为CoMn(钴锰)催化剂。
在本实施例中，通过向所述微通道反应器内通入摩尔比为2:1的氢气和一氧化碳的合成气，合成气在反应温度250℃，反应压力为1MPa，反应空速为GHSV＝2000h-1的条件下发生反应，其实验结果如下：一氧化碳的单程转化率为48％，甲烷选择性为4.7％，C2 ＝到C4 ＝(2个到4个碳原子的烯烃)选择性为37.1％，C5+ ＝(5个碳原子及以上的烯烃)选择性为54.2％。由此可见，通过本发明所述方法制备烯烃时，一氧化碳在250℃以下就能达到40％或以上的单程转化率，在碳烯烃产物中，甲烷的含量在5％以下，其它碳烯烃的含量则达到65％或以上。
综上所述，本发明的一种微通道反应装置、微通道反应系统及制备烯烃的方法，具有以下有益效果：
1、本发明所述微通道反应装置通过将所述预热通道设置为蛇形管路，并在所述预热通道上下表面设置第一、第三换热通道板，增大了预热通道的比表面积，同时大幅度强化了反应过程中的传热和传质效率，提高了反应速率；通过在所述反应微通道上下表面设置第二、第四换热通道板，及时带走反应产生的热量，避免出现局部热点。
2、通过本发明所述的微通道反应系统制备烯烃，极大地提高了一氧化碳的单程转化率，降低甲烷选择性的同时提高了其它碳烯烃的选择性。
3、本发明所述微通道反应装置能够模块化，易于控制，且操作弹性大。而由其组成的所述微通道反应系统体积较小，具有较好的灵活性，可适用于偏远地区，且在小规模生产中具有较好的经济可行性。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种微通道反应装置，其特征在于，所述微通道反应装置包括：上封板，下封板，以及位于所述上封板和所述下封板之间的至少一个微通道反应器；所述微通道反应器包括：
微通道反应板；
位于所述微通道反应板上表面的第一换热通道板和第二换热通道板；
以及位于所述微通道反应板下表面的第三换热通道板和第四换热通道板；
其中，所述微通道反应板包括：
进口；
与所述进口连接的预热通道，所述预热通道位于所述第一换热通道板和第三换热通道板之间；
与所述预热通道连接的反应微通道，所述反应微通道位于所述第二换热通道板和第四换热通道板之间，且所述反应微通道内设置有烯烃催化剂；
以及与所述反应微通道连接的出口。
2.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，所述预热通道为蛇形管路，所述蛇形管路的直径为300～1000μm。
3.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，所述反应微通道包括多条平行放置的微管路，所述微管路的直径为100～1000μm，所述微管路的数量为5～100条。
4.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，通过对所述反应微通道进行涂覆、填充或溶液原位培养形成烯烃催化剂。
5.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，所述烯烃催化剂为CoMn催化剂。
6.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，第一、第二、第三及第四换热通道板内的换热介质为水、水蒸气或导热油中的一种。
7.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，第一换热通道板内换热介质的温度与第三换热通道板内换热介质的温度相等，第二换热通道板内换热介质的温度与第四换热通道板内换热介质的温度相等。
8.根据权利要求7所述的微通道反应装置，其特征在于，第一换热通道板内换热介质的温度大于第二换热通道板内换热介质的温度。
9.根据权利要求1所述的微通道反应装置，其特征在于，所述第一、第二、第三及第四换热通道板的材质均为不锈钢或金属合金，所述微通道反应板的材质为不锈钢或金属合金。
10.一种微通道反应系统，其特征在于，所述微通道反应系统包括：
如权利要求1～9任一项所述的微通道反应装置；
与所述微通道反应装置连接的气液分离装置；
与所述气液分离装置连接的精馏装置；
以及连接于所述气液分离装置和微通道反应装置之间的循环装置。
11.一种利用如权利要求10所述的微通道反应系统制备烯烃的方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1：将氢气和一氧化碳以一定比例混合后通过进口进入预热通道，并通过第一、第三换热通道板对所述预热通道内的气体进行预热，使其达到反应所需温度，而后预热通道内的气体进入反应微通道内，并在烯烃催化剂的作用下发生反应；
S2：反应后的产物通过出口进入气液分离装置，并通过气液分离装置进行分离，分离出气相产物，油相产物和水；
S3：油相产物通过精馏装置进行精馏，获得烯烃产物；
S4：气相产物通过循环装置，一部分气相产物作为循环气进入微通道反应装置重新进行反应，而另一部分气相产物则作为驰放气排放出所述微通道反应系统。
12.根据权利要求11所述的制备烯烃的方法，其特征在于，氢气和一氧化碳的摩尔比为1:2～2:1。
13.根据权利要求11所述的制备烯烃的方法，其特征在于，反应所需温度为200℃～300℃。
14.根据权利要求11所述的制备烯烃的方法，其特征在于，所述反应压力为0MPa～2MPa。
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