CN106966848A - 乙醇脱水生产乙烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种乙醇脱水生产乙烯的方法，主要解决以往乙醇脱水生产乙烯技术中存在反应器中反应气流分布不均匀、催化剂利用率低及反应性能不佳的问题。本发明通过采用具有特殊结构的绝热固定床反应器及多段绝热反应工艺，其中反应器进口气体分布器的波纹形单级挡板的波纹顶角角度为80～175°，峰高为气体分布器圆筒形筒体直径的1～30％，开孔率为10～55％，侧向环形通道高度为气体分布器圆筒形筒体直径的15～70％的技术方案，较好地解决了该问题，可用于乙醇脱水制乙烯工业生产中。

Description

乙醇脱水生产乙烯的方法
技术领域
本发明涉及一种乙醇脱水生产乙烯的方法。
背景技术
乙烯是非常重要的石油化工基本原料，其大宗下游产品主要有聚乙烯、聚氯乙烯、环氧乙烷、乙二醇、苯乙烯、醋酸乙烯等。
目前，国内外主要采用以石油为原料的裂解法生产乙烯，随着石油资源的日益减少以及国际油价的不断攀升，石油路线制乙烯将面临前所未有的挑战。世界许多石油化工公司正积极开拓其他路线，包括采用煤、天然气、生物质原料等生产烯烃，以减轻乙烯对有限石油资源的过度依赖。
采用可再生的生物质原料生产乙醇，再脱水制乙烯的技术是调整能源结构、减少环境污染、促进国民经济和社会可持续发展的重要途径之一。对于乙醇脱水制乙烯，目前主要的研究目标是改进工艺流程，降低装置物耗能耗，增加效益。
在乙醇脱水制乙烯的工艺方法中，目前已工业应用的主要为固定床工艺，包括等温固定床工艺和绝热固定床工艺。等温床工艺技术较适用于小规模的工业装置，当装置规模达到或超过数万吨/年时，由于等温床工艺技术难以工程放大，通常采用绝热床工艺技术。US4232179提出了乙醇脱水反应的绝热工艺，即乙醇脱水反应在绝热固定床中进行，反应物料在进入反应器前加热到反应所需温度。之后US4396789又提出了乙醇脱水制乙烯的三段式绝热固定床反应工艺，并在二十世纪八十年代初利用该工艺建立了6万吨/年乙烯装置。US20130178674A1介绍了一种乙醇脱水制乙烯的反应器及工艺，该反应工艺由多段不同尺寸、不同催化剂装填量的反应器组成，每段反应器可独立操控。对于绝热床乙醇脱水制乙烯工艺，开发性能优良的绝热固定床反应器以及反应工艺是装置规模扩大的关键技术之一。在绝热固定床反应工艺的开发中主要解决的就是反应工艺方案以及反应器的结构设计。而对于反应器的设计，关键就是要解决反应器内的流体均布问题，因为反应器内流体的分布直接影响催化剂床层的传热传质以及反应过程等，不均匀的气体分布会降低催化剂 和反应器的效率。《固定床反应器内气体预分布器研究》(化学工程，2006，34(4):24-27)，研究了反应器内气体预分布器对流动的影响。对于绝热固定床反应器，设计合理的进口气体分布器，将有效改善气体分布效果，提高催化剂和反应器的利用效率。
发明内容
本发明涉及一种乙醇脱水生产乙烯的方法。
本发明所要解决的技术问题是以往乙醇脱水生产乙烯工艺中存在的反应气体分布不均匀，催化剂利用率低及反应性能不佳的问题，提供一种新的用于乙醇脱水生产乙烯的绝热固定床反应器及反应工艺。该方法具有气体分布均匀，催化剂利用率高，反应效果佳的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种乙醇脱水生产乙烯的反应器，采用绝热固定床反应器，其中反应器壳体自上而下包括进口、气体分布器、均化空间、上部惰性填料层、催化剂床层、下部惰性填料层、出口，气体分布器放置于进口内并伸入均化空间，其结构如下：上部为圆筒形筒体，下部为波纹形单级挡板，波纹形单级挡板上开有筛孔，圆筒形筒体与波纹形单级挡板间通过分布于圆筒形筒体内侧的垂直拉筋连接，且形成侧向环形通道。
在上述技术方案中，绝热固定床反应器波纹形单级挡板的波纹顶角角度为80～175°，优选范围为100～170°；峰高为气体分布器圆筒形筒体直径的1～30％，优选范围为2～25％；波纹形单级挡板上筛孔直径为气体分布器圆筒形筒体直径的1～13％，优选范围为2～9％；开孔率为10～55％，优选范围为15～45％；气体分布器侧向环形通道高度为气体分布器圆筒形筒体直径的15～70％。在采用上述绝热固定床反应器生产乙烯的过程中，原料乙醇经过反应进出料换热器换热升温后和水蒸汽混合，通过加热器加热到反应所需温度后，从各段绝热固定床反应器的顶部进口进入，反应气体依次经过气体分布器、均化空间、上部惰性填料层后进入催化剂床层并发生脱水反应，反应产物经过下部惰性填料层后从反应器出口流出，反应总出料经过进出料换热器换热冷却后进入后续的分离系统进行精制。多段绝热固定床反应器的段数为1～6，采用串联和/或并联的方式；各段反应器具有相同和/或不同的规格尺寸以及催化剂装填量，各段反应器独立操控；催化剂为氧化铝、硅铝催化剂或分子筛催化剂中的至少一种；反应温度为350～480℃，反应压力为0.1～0.8MPaG，水/乙醇质量比为0.5～1.5。
本发明通过采用具有特殊结构的绝热固定床反应器及多段绝热反应工艺，使反应气体 能够按照合适的比例从具有侧向环形通道和开有筛孔的波纹形单级挡板的气体分布器进入催化剂床层，在反应器内部形成了更加均匀的气体分布，提高了催化剂的利用率和反应效率，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)为本发明乙醇脱水生产乙烯多段绝热反应工艺示意图。
图2为本发明乙醇脱水生产乙烯绝热固定床反应器示意图。
图3为本发明具有开孔波纹形单级挡板的气体分布器结构图。
图1中，1为原料乙醇，2为过热乙醇蒸汽，3为水蒸汽，4为反应总出料，5为冷却后反应出料，E1为第一加热器，E2为第二加热器，E3为第三加热器，E4为第四加热器，E5为反应进出料换热器，R1为第一段反应器，R2为第二段反应器，R3为第三段反应器，R4为第四段反应器。
图2中，6为反应器进口，7为进口气体分布器，8为均化空间，9为上部惰性填料层，10为催化剂床层，11为下部惰性填料层，12为支撑格栅，13为反应器出口。
图3中，14为反应器进口法兰，15为气体分布器筒体，16为垂直拉筋，17为侧向环形通道，18为开孔波纹形单级挡板，D为气体分布器筒体内径，H为侧向环形通道高度，α为波纹形单级挡板的波纹顶角角度，d为波纹形单级挡板上筛孔直径，L为波纹形单级挡板的峰高。
按图1(a)所示，原料乙醇1经过反应进出料换热器E5升温后分成四股，其中第一股进料与水蒸汽3混合后进入第一加热器E1，加热到设定温度后进入第一段反应器R1发生反应，产物与第二股原料乙醇混合后进入第二加热器E2，加热到设定温度后进入第二段反应器R2发生反应，产物与第三股原料乙醇混合后进入第三加热器E3，加热到设定温度后进入第三段反应器R3发生反应，产物与第四股原料乙醇混合后进入第四加热器E4，加热到设定温度后进入第四段反应器R4发生反应，反应总出料4经过反应进出料换热器E5冷却后去精制分离系统。按图1(b)所示，原料乙醇1经过反应进出料换热器E5升温后与水蒸汽3混合，通过第一加热器E1加热到设定温度后分四股分别进入到第一反应器R1、第二反应器R2、第三反应器R3、第四反应器R4，反应总出料4经过反应进出料换热器E5冷却后去精制分离系统。按图1(c)所示，原料乙醇1经过反应进出料换热器E5升温后分成两股，其中第一股进料与水蒸汽3混合后进入第一加热器E1，加热到设定温度后分两股分别进入第一段反应器R1和第二段反应器R2，反应产物与第二股原料乙醇混 合后进入第二加热器E2，加热到设定温度后分两股分别进入第三段反应器R3和第四段反应器R4，反应总出料4经过反应进出料换热器E5冷却后去精制分离系统。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但是，本发明的范围并不只限于实施例所覆盖的范围。
具体实施方式
【实施例1】
乙醇脱水生产乙烯采用如图1(a)所示的四段绝热反应工艺，反应器采用如图3所示的气体分布器结构，第一段到第四段反应器的乙醇进料量分别为600kg/hr、500kg/hr、400kg/hr、300kg/hr，水蒸汽从第一加热器前加入，反应器内径为1600mm，分布器筒体内径为170mm，波纹形单级挡板的波纹顶角角度为110°，峰高为15mm，筛孔直径为5mm，开孔率为18.9％，侧向环形通道高度为80mm，均化空间高度为1400mm。各段反应进口温度为440℃，反应压力为0.3MPaG，水/总乙醇质量比为0.8，采用氧化铝催化剂，得乙醇的转化率为99.5％，乙烯的收率为97.5％。
【实施例2】
乙醇脱水生产乙烯采用如图1(a)所示的四段绝热反应工艺，反应器采用如图3所示的气体分布器结构，第一段到第四段反应器的乙醇进料量分别为600kg/hr、500kg/hr、400kg/hr、300kg/hr，水蒸汽从第一加热器前加入，反应器内径为1600mm，分布器筒体内径为170mm，波纹形单级挡板的波纹顶角角度为81°，峰高为50mm，筛孔直径为5mm，开孔率为18.9％，侧向环形通道高度为80mm，均化空间高度为1400mm。各段反应进口温度为440℃，反应压力为0.3MPaG，水/总乙醇质量比为0.8，采用氧化铝催化剂，得乙醇的转化率为99.2％，乙烯的收率为97.3％。
【实施例3】
乙醇脱水生产乙烯采用如图1(a)所示的四段绝热反应工艺，反应器采用如图3所示的气体分布器结构，第一段到第四段反应器的乙醇进料量分别为600kg/hr、500kg/hr、400kg/hr、300kg/hr，水蒸汽从第一加热器前加入，反应器内径为1600mm，分布器筒体内径为170mm，波纹形单级挡板的波纹顶角角度为110°，峰高为15mm，筛孔直径为5mm，开孔率为18.9％，侧向环形通道高度为35mm，均化空间高度为1400mm。各段反应进口 温度为440℃，反应压力为0.3MPaG，水/总乙醇质量比为0.8，采用氧化铝催化剂，得乙醇的转化率为99.0％，乙烯的收率为97.1％。
【实施例4】
乙醇脱水生产乙烯采用如图1(a)所示的四段绝热反应工艺，反应器采用如图3所示的气体分布器结构，第一段到第四段反应器的乙醇进料量分别为600kg/hr、500kg/hr、400kg/hr、300kg/hr，水蒸汽从第一加热器前加入，反应器内径为1600mm，分布器筒体内径为170mm，波纹形单级挡板的波纹顶角角度为110°，峰高为15mm，筛孔直径为7mm，开孔率为37.0％，侧向环形通道高度为80mm，均化空间高度为1400mm。各段反应进口温度为440℃，反应压力为0.3MPaG，水/总乙醇质量比为0.8，采用氧化铝催化剂，得乙醇的转化率为99.6％，乙烯的收率为97.6％。
【比较例1】
某乙醇脱水生产乙烯的方法，反应器结构参数和工艺条件与实施例1相同，唯一不同之处是气体分布器内的单级挡板采用圆锥形单级挡板，圆锥角度为110°，筛孔直径为5mm，开孔率为18.9％，侧向环形通道高度为80mm，得乙醇的转化率为98.9％，乙烯的收率为96.9％。

Claims (10)

1.一种乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于：采用绝热固定床反应器，其中反应器壳体自上而下包括进口、气体分布器、均化空间、上部惰性填料层、催化剂床层、下部惰性填料层、出口，气体分布器放置于进口内并伸入均化空间，其结构如下：上部为圆筒形筒体，下部为波纹形单级挡板，波纹形单级挡板上开有筛孔，圆筒形筒体与波纹形单级挡板间通过分布于圆筒形筒体内侧的垂直拉筋连接，且形成侧向环形通道。
2.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于波纹形单级挡板的波纹顶角角度为80～175°，峰高为气体分布器圆筒形筒体直径的1～30％。
3.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于波纹形单级挡板的波纹顶角角度为100～170°，峰高为气体分布器圆筒形筒体直径的2～25％。
4.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于波纹形单级挡板上筛孔直径为气体分布器圆筒形筒体直径的1～13％，开孔率为10～55％。
5.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于波纹形单级挡板上筛孔直径为气体分布器圆筒形筒体直径的2～9％，开孔率为15～45％。
6.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的反应器，其特征在于气体分布器侧向环形通道高度为气体分布器圆筒形筒体直径的15～70％。
7.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的方法，采用如权1～6中所述的任意一种反应器，其特征在于原料乙醇经过换热汽化后和水蒸汽混合，加热到一定温度后分多股进入多段绝热固定床反应器，在催化剂作用下发生脱水反应，多段绝热固定床反应器的段数为1～6，采用串联和/或并联的方式。
8.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的方法，其特征在于多段绝热固定床反应器具有相同和/或不同的规格尺寸以及催化剂装填量，各段反应器独立操控。
9.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的方法，其特征在于乙醇脱水生产乙烯反应催化剂为氧化铝、硅铝催化剂或分子筛催化剂中的至少一种。
10.根据权利要求1所述乙醇脱水生产乙烯的方法，其特征在于反应温度为350～480℃，反应压力为0.1～0.8MPaG，水/乙醇质量比为0.5～1.5。
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