CN106316748A - 一种绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统及方法。系统包括：两个加氢反应器、溶液换热器、冷凝器和提氢装置，加氢反应器一个用于加氢反应时另一个用于催化剂的再生；加氢反应器内设有催化剂层，包括反应物入口和反应物出口；溶液换热器包括溶解绿油的富液入口、加氢反应气态产物入口、液体绿油出口和气体溶剂出口；溶解绿油的富液入口连接用于催化剂再生的加氢反应器的反应物出口，加氢反应气态产物入口连接用于加氢反应的加氢反应器的反应物出口；冷凝器包括气体溶剂入口、气体出口和液相有机溶剂出口；提氢装置包括气体入口、氢气出口和乙烯出口。本发明可同时实现加氢和催化剂再生,且能避免高温焙烧再生过程的高能耗问题。

Description

一种绿油回收的乙炔制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，具体涉及一种绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统及方法。
背景技术
随着石油资源日益枯竭，发展煤化工为原料的化工过程成为替代石油化工路线的重要过程，该技术得到了广泛关注，并取得了快速发展。
在煤化工技术中，以煤为原料通过电石工艺制取乙炔，已广泛应用。再以乙炔为原料，在选择性加氢催化剂作用下，通过加氢制备乙烯产品，可进一步拓展煤化工路线。且近些年来乙炔主要的下游产品聚氯乙烯(PVC)已经供大于求，PVC产业利润不高，急需拓展乙炔下游产品产业链；乙烯是石油化工中最重要的基础原料，被称为“石化工业之母”。广泛用于塑料、润滑油、聚合物以及一些中间体，目前主要由石油或低碳烷烃通过裂解制取。乙烯下游产品如乙二醇，丁二醇、丙烯酸、聚乙烯醇等也有很好的经济价值。因此，开发乙炔加氢制乙烯的新工艺技术可以为乙烯工业提供一种新原料来源，并降低乙烯对石油资源的依赖程度及乙烯的生产成本，具有广阔的应用前景。
虽然乙炔选择加氢是当前的关注热点，国内外的报道也比较多，但其研究内容主要应用于除去石油烃裂解制备乙烯工艺过程中微量的乙炔(0.01-5体积％)，而对于专门以高浓度乙炔为原料的催化选择加氢制乙烯技术则少有探索，相应的工业化大规模应用更是未见报道。
现有一种采用传统固定床催化加氢的工艺。该技术所用固体催化剂一般采用浸渍法制备，活性金属均匀分布于催化剂表面。该技术主要反应为气固接触反应，然而乙炔加氢为强放热反应，固定床装置及所用催化剂移热困难，无法控制乙炔加氢反应的深度。大量的反应热会使钯催化剂积碳失活。又由于其活性很高，在反应时乙炔聚合生成绿油，并覆盖在催化剂表面导致催化剂迅速失活。并且由于该技术无法控制反应深度，因此会造成乙炔的深度加氢生成乙烷，从而降低反应目标产物乙烯的收率。
还有一种采用浆态床进行加氢反应的工艺，可以移出反应放出的热量，但是由于气体的鼓入，催化剂和溶剂在其带动下一直处于流动状态，易造成催化剂的磨损，催化剂磨损之后又容易被气液携带而造成损失，以及存在浆态床所用固体催化剂难回收难再生等问题。
因此，为了避免催化剂表面温升过大，造成床层飞温，避免乙炔自聚、乙烯进一步加氢等副反应的发生，及催化剂活性失活、绿油浪费的问题，有必要发明一种新的乙炔制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绿油回收的乙炔制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、反应深度不可控、催化剂易磨损失活、绿油浪费的问题。
本发明提供一种绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统，其包括：加氢反应器、溶液换热器、冷凝器和提氢装置，所述加氢反应器的数量为两个，该两个加氢反应器交替使用，当其中一个用于加氢反应时，另一个用于催化剂的再生；其中，所述加氢反应器内设有催化剂层，其包括反应物入口和反应物出口；所述溶液换热器包括溶解绿油的富液入口、加氢反应气态产物入口、液体绿油出口和气体溶剂出口；所述溶解绿油的富液入口连接用于催化剂再生的所述加氢反应器的反应物出口，所述加氢反应气态产物入口连接用于加氢反应的所述加氢反应器的反应物出口；所述冷凝器包括气体溶剂入口、气体出口和液相有机溶剂出口；所述气体溶剂入口连接所述溶液换热器的气体溶剂出口；所述提氢装置包括气体入口、氢气出口和乙烯出口；所述气体入口连接所述冷凝器的气体出口。
进一步地，所述冷凝器的液相有机溶剂出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
进一步地，所述提氢装置的氢气出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
上述的系统，所述加氢反应器的反应物入口设有雾化喷嘴。
上述的系统，所述溶液换热器的液体绿油出口连接有绿油储罐。
上述的系统，所述加氢反应器的催化剂层可旋转。
上述的系统，所述加氢反应器之前设有溶剂泵与溶液储罐。
本发明提供一种利用上述系统制备乙烯的方法，所述方法包括步骤：将氢气、乙炔和有机溶剂送入用于加氢反应的所述加氢反应器进行反应；将加氢反应后的气态反应物送入所述溶液换热器；将有机溶剂送入反应完且排除了反应物的加氢反应器进行催化剂再生；将催化剂再生后的富液送入所述溶液换热器，与加氢反应后的气态反应物进行换热，得到液体绿油产品和气体溶剂；将气体溶剂送入所述冷凝器进行深冷处理，得到气体和液相有机溶剂；将所述气体送入所述提氢装置进行提氢处理，得到乙烯产品。
上述的方法，所述方法还可包括步骤：将提氢处理提取的氢气返回所述加氢反应器进行反应；将冷凝得到的液相有机溶剂返回所述加氢反应器进行循环利用。
进一步地，上述的方法中所述有机溶剂包括甲苯、四氢呋喃和丙酮中的任意一种或几种。
本发明的有益效果在于，本发明提出了一种新的绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统及方法，该反应系统及方法简单易操作，乙炔加氢反应温度降低至130℃，由于采用沸点较低的有机溶剂来溶解乙炔，以液膜形式存在于催化剂表面的有机溶剂更容易被气化，因此更容易携带乙炔加氢反应过程释放出的热量。同时，催化剂再生过程为低温再生，从而避免高温焙烧再生过程的高能耗以及烧除有机物带来的烟气排放。该低沸点有机溶剂对绿油具有较高的溶解度，因此可以降低催化剂有机溶剂再生工艺的溶剂用量，该加氢装置可以同时实现加氢和催化剂再生两种功能。该工艺过程能够最大程度回收乙炔加氢反应过程中的副产物绿油，避免了绿油的损失和浪费。
附图说明
图1为本发明乙炔制乙烯工艺过程的流程结构示意图。
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是本实施方式中乙炔制乙烯工艺过程的流程结构示意图。
本发明采用高浓度乙炔加氢制乙烯的工艺主要包括以下几个装置：两个乙炔加氢反应器I、II，其中加氢反应器I处于工作状态则另一个加氢反应器II处于催化剂再生状态，反之亦然。溶液换热器，用于再生之后溶解绿油的富液通过和加氢反应后的气相产物进行换热。冷凝器，用于换热后气相组分的深冷，冷却后的液相有机溶剂可返回有机溶液储槽进行循环利用。提氢装置，冷凝分离后的气体进行提氢处理，氢气可作为反应气循环使用，乙烯为所要获得的气体产品。
本发明将再生之后溶解绿油的富液通过和加氢反应后的气相产物进行换热，从而轻组分进入气相，绿油从换热器排出，从而减少了有机溶剂再生装置。同样加氢反应后的溶液换热后温度降低，绿油组分变为液态，其余有机溶液组分仍然为气态。经过深冷之后，液相组分返回有机溶液储罐。
具体地，用于加氢反应的所述加氢反应器内设有催化剂层，其包括反应物入口和反应物出口。乙炔加氢装置反应压力为0.1-0.4MPa，反应温度控制在100-200℃之间。
氢气和液相溶剂一起进入乙炔加氢装置的反应物入口之后经雾化喷嘴后进入催化剂床层进行反应。
氢气、乙炔和溶剂的体积比为30-900：7-200:1。
乙炔加氢装置为处于旋转状态的催化剂床层，转速为50-1000rpm。
乙炔加氢装置的催化剂为以分子筛、氧化铝、二氧化硅、高岭土和蒙脱土等为载体负载Pd活性金属及Ag助剂，Pd和Ag的质量比为1:1-5。
有机溶剂为甲苯、四氢呋喃和丙酮中的任意一种或几种的混合物。
用于加氢反应的所述加氢反应器反应完成后可作为用于催化再生的容器，可向其内加入有机溶剂对绿油进行溶解。液相有机溶剂溶解覆盖在催化剂表面的绿油，并带出反应器。此时该装置的催化剂床层仍然处于旋转状态，转速为50-1000rpm。再生萃取时，催化剂床层温度控制在40-100℃之间。
在用于加氢反应的所述加氢反应器及用于催化再生的加氢反应器与所述冷凝器之间设有溶液换热器。
所述溶液换热器包括溶解绿油的富液入口、加氢反应气态产物入口、液体绿油出口和气体溶剂出口。所述溶解绿油的富液入口连接用于催化剂再生的所述加氢反应器的反应物出口，所述加氢反应气态产物入口连接用于加氢反应的所述加氢反应器的反应物出口。换热之后溶液冷却到140℃左右，绿油从换热器排出；有机溶剂仍为气相，气相进入冷凝器。
所述冷凝器包括气体溶剂入口、气体出口和液相有机溶剂出口；所述气体溶剂入口连接所述溶液换热器的气体溶剂出口。冷凝器控制温度为10-20℃。冷凝后的液相产品可返回溶液储罐，气相产物进入提氢装置。
所述提氢装置包括气体入口、氢气出口和乙烯出口。
为了溶剂的循环利用，也可将所述再生塔的溶剂出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
同样，为了氢气的回收利用，可将所述提氢装置的氢气出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
本发明中的两个加氢反应器，其中一个加氢另一个处于再生阶段。再生完成的反应器处于备用状态，当反应器催化剂失活后，则该反应器进行再生，另一个进行反应。
当加氢反应器处于加氢状态时，该装置进料分为两相，三股原料，液相为有机溶剂，气相为氢气和乙炔的混合气体。
当加氢反应器处于再生状态时，该装置进料则为液相单独进料。液相有机溶剂溶解覆盖在催化剂表面的绿油，并带出反应器。
气体经过提氢装置处理之后，乙烯气体作为产品，回收的氢气作为加氢原料返回处于加氢工作状态的加氢装置。
本发明所述的再生方法为溶剂再生法，也就是，萃取溶剂流过反应床层之后将催化剂表面覆盖的绿油溶解并带出反应器。
本发明所述的有机溶剂为低沸点有机溶剂。
本发明制乙烯的方法，主要包括以下步骤：
将氢气、乙炔和有机溶剂送入用于加氢反应的所述加氢反应器进行反应。
将加氢反应后的气态反应物送入所述溶液换热器。
将有机溶剂送入反应完且排除了反应物的加氢反应器进行催化剂再生。
将催化剂再生后的富液送入所述溶液换热器，与加氢反应后的气态反应物进行换热，得到液体绿油产品和气体溶剂。
将气体溶剂送入所述冷凝器进行深冷处理，得到气体和液相有机溶剂。
将所述气体送入所述提氢装置进行提氢处理，得到乙烯产品。
当然，上述方法也可包含以下步骤：
将提氢处理提取的氢气返回所述加氢反应器进行反应。
将冷凝得到的液相有机溶剂返回所述加氢反应器进行循环利用。
本发明的反应系统不同于固定床传统的气固接触反应，该反应为固态催化剂和气液膜接触反应。非极性有机溶剂、乙炔和氢气经过喷雾装置进入旋转状态的催化剂床层中，进行选择性加氢反应。加氢过程中释放出的热量使得溶解乙炔的液体发生相变换，部分由液态变为气态，移出反应热，从而避免催化剂表面温升过大，造成床层飞温，能够避免乙炔自聚、乙烯进一步加氢等副反应的大量发生。
乙炔加氢反应器床层中的催化剂长期使用会造成绿油覆盖在催化剂表面，从而造成催化剂活性中心无法与反应物接触而导致失活。本工艺中催化剂的再生方法与传统催化剂再生方法不同，使用溶剂再生法而非高温焙烧，不仅能够充分回收利用催化剂表面上的绿油，而且降低了催化剂再生的能耗，简化了再生过程。
实施例1
采用实施方式中的用于绿油回收的乙炔制乙烯的系统如图1所示。
加氢装置乙炔原料气压力为0.3MPa，乙炔的流量为6Nm3/h；氢气的原料气压力为0.3MPa，氢气流量为30Nm3/h；有机溶剂通过泵打入乙炔加氢反应器中，泵的出口压力为0.3MPa，流量为1.5m3/h。
催化剂床层温度控制在130℃，通过转动电机控制催化剂床层的转动速度为500rpm。
催化剂床层采用的催化剂为а-Al2O3小球，粒径分布范围为2-5mm，负载活性金属Pd和Ag。Pd的负载量为0.03％(wt)，Ag的负载量为0.07％(wt)。
有机溶剂采用质量含量为60％的四氢呋喃，质量含量为40％的甲苯的混合溶液。
加氢装置，催化剂处于再生状态，再生压力为常压，有机溶剂流量为0.1m3/h，催化剂床层温度控制在60℃。
溶液换热器采用加氢反应后的溶液对再生后的溶液进行换热，由于乙炔加氢为放热反应，以液膜形式存在于催化剂表面的有机溶剂气化之后带走大量的反应热，因此反应后的产物温度为150℃，高于再生反应溶液温度60℃。热交换之后溶液的温度控制在120℃，则绿油以液相形式流出热交换器。气相部分进入冷凝器。
进入冷凝器的气相产品，冷凝到20℃，有机溶剂变为液相，返回有机溶剂储槽，气体进入提氢装置进行提氢处理，氢气作为原料气循环使用，乙烯气体作为产品。
当加氢装置中催化剂由于绿油覆盖失活之后，切换进入再生状态操作，再生好催化剂后进行加氢操作。
实施例2
本实施例的乙炔加氢制乙烯的系统及操作步骤如实施例1，不同在于所用有机溶剂不同，其为质量含量为35％的甲苯、45％的四氢呋喃和20％的丙酮的混合物。
实施例3
本实施例的乙炔加氢制乙烯的系统及操作步骤如实施例1，不同在于所用有机溶剂不同，其为质量含量为55％的甲苯和45％的丙酮的混合物。
实施例4
本实施例的乙炔加氢制乙烯的系统及操作步骤如实施例1，不同在于所用有机溶剂不同，其为质量含量为50％的四氢呋喃和50％的丙酮的混合物。
实施例5
本实施例的乙炔加氢制乙烯的系统及操作步骤如实施例1，不同在于所用有机溶剂不同，其为甲苯溶液。
由于本发明中有机溶剂的组合较多，可为它们中的任一种或多种的混合物，因而在此不再一一列举，对于普通技术人员来说都应该明白所有的组合方式皆可行。
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)

1.一种绿油回收的乙炔制乙烯的反应系统，其包括：加氢反应器、溶液换热器、冷凝器和提氢装置，所述加氢反应器的数量为两个，该两个加氢反应器交替使用，当其中一个用于加氢反应时，另一个用于催化剂的再生；其中，
所述加氢反应器内设有催化剂层，其包括反应物入口和反应物出口；
所述溶液换热器包括溶解绿油的富液入口、加氢反应气态产物入口、液体绿油出口和气体溶剂出口；所述溶解绿油的富液入口连接用于催化剂再生的所述加氢反应器的反应物出口，所述加氢反应气态产物入口连接用于加氢反应的所述加氢反应器的反应物出口；
所述冷凝器包括气体溶剂入口、气体出口和液相有机溶剂出口；所述气体溶剂入口连接所述溶液换热器的气体溶剂出口；
所述提氢装置包括气体入口、氢气出口和乙烯出口；所述气体入口连接所述冷凝器的气体出口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器的液相有机溶剂出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述提氢装置的氢气出口连接所述加氢反应器的反应物入口。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加氢反应器的反应物入口设有雾化喷嘴。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述溶液换热器的液体绿油出口连接有绿油储罐。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加氢反应器的催化剂层可旋转。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加氢反应器之前设有溶剂泵与溶液储罐。
8.一种利用权利要求1至7任一项所述系统制乙烯的方法，所述方法包括步骤：
将氢气、乙炔和有机溶剂送入用于加氢反应的所述加氢反应器进行反应；
将加氢反应后的气态反应物送入所述溶液换热器；
将有机溶剂送入反应完且排除了反应物的加氢反应器进行催化剂再生；
将催化剂再生后的富液送入所述溶液换热器，与加氢反应后的气态反应物进行换热，得到液体绿油产品和气体溶剂；
将气体溶剂送入所述冷凝器进行深冷处理，得到气体和液相有机溶剂；
将所述气体送入所述提氢装置进行提氢处理，得到乙烯产品。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
将提氢处理提取的氢气返回所述加氢反应器进行反应；
将冷凝得到的液相有机溶剂返回所述加氢反应器进行循环利用。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂包括甲苯、四氢呋喃和丙酮中的任意一种或几种。
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