CN107519835B - 一种微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道反应器，在反应器壳体内设置微通道反应区，微通道反应区至少设置一个管式微通道反应区和一个面式微通道反应区，管式微通道反应区由管式微通道构件构成；面式微通道反应区由面式微通道构件构成，面式微通道构件为多组板式结构，两板之间通道间隙为0.1～10mm，该间隙构成面式微通道；管式微通道反应区的管式微通道垂直于水平面设置，面式微通道反应区的面式微通道与水平面垂直设置。本发明反应器最适用于烷基化反应，具有可在低温下进行，反应原料无需预混合，床层压降小，节能效果好，产品质量高等特点，可实现高效节能、安全、低碳和环保的连续化生产。

Description

一种微通道反应器

技术领域

本发明属于石油化工领域，公开了一种新型微通道反应器，特别是用于烷基化反应的微通道反应器。

背景技术

目前世界上各个国家对汽油指标的要求越来越严格，高品质汽油的生产工艺成为目前的关注重点，烷基化工艺是生产高品质汽油调和组分，即烷基化油的常规且成熟的方法。烷基化反应即异丁烷与C3-C5烯烃在酸催化剂作用下生成具有高辛烷值汽油组分的反应，反应产物具有低硫且不含芳烃或烯烃等特点。目前烷基化反应主要应有的酸催化剂为硫酸和氢氟酸。

现有的微通道反应器为管式微通道反应器，微通道反应器内部反应床层中填料具有管式微通道结构，该微结构使其具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。而且微通道反应器具有极好的传热和传质能力，传质效率是釜式反应釜的10到100倍以上，可极大的提高反应物的混合效率，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，能迅速达到稳定状态。与传统方法相比，减少了反应时间和物料消耗。有利于强放热反应的平稳控制。但现有的管式微通道结构反应器在某些反应中如前述烷基化反应，反应效果需要进一步提升，反应器结构需进一步优化。

CN 1953804 A公开了微通道中分级添加烯烃的烷基化方法和系统。利用微通道具有的良好传热和传质，获得更高的温度控制。依靠微通道反应技术精确控制温度使低聚反应最小化，而且分级的烯烃引入降低了局部烯烃浓度，增加了酸烃分散体的相界面面积，更加精准的调节温度，与传统工艺相比，提高烷基化产物的辛烷值，改善了烷基化物的品质。但是该专利中链烷烃物料流大量进料，会造成不良的初始分布，微通道本身具有较小的径向扩散系数，仅仅依靠微通道很难达到自然流分布，导致反应效率急剧下降，容易造成局部温度过高，反应区域会产生温差，使得烷基化率不均衡。

发明内容

针对目前烷基化使用反应器结构的不足，本发明公开了一种新型微通道反应器，该反应器使反应物和液体酸催化剂的混合十分均匀，可减少副反应，提高了反应物与催化剂的传质效率，进而提高了反应产物的质量和产率，可同时实现节约能耗的目的。在降低成本的同时，也降低了对环境的影响、以及所生产的产品性能的不稳定性，实现高效节能、安全、低碳和环保的连续化生产。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明微通道反应器，在反应器壳体内设置微通道反应区，所述微通道反应区至少设置一个管式微通道反应区和一个面式微通道反应区，管式微通道反应区由管式微通道构件构成；面式微通道反应区由面式微通道构件构成，面式微通道构件为多组板式结构，两板之间通道间隙为0.1～10mm，该间隙构成面式微通道；管式微通道反应区的管式微通道垂直于水平面设置，面式微通道反应区的面式微通道与水平面垂直设置。

其中所述管式微通道反应区和面式微通道反应区在反应器壳体内纵向交替串联设置；所述管式微通道反应区的个数为2～10；所述面式微通道反应区的个数为1～10。

其中所述微通道反应器为以异丁烷和烯烃为原料、以液体酸为催化剂的烷基化反应器。

其中所述管式微通道反应区与面式微通道反应区占据的空间体积比为0.5：1～10：1，优选为2:1～5:1。

其中所述的管式微通道反应区的管式微通道构件的微通道孔道平均直径为0.05～10mm，优选0.1~5mm。

其中所述的反应器壳体外形为圆柱体，反应器垂直放置，高径比为2~10，优选为4~6。

其中所述的管式微通道构件主要由纤维材料构成（同时可以包括增加强度的框架、增加筋等结构），纤维材料制成具有致密孔隙状结构的构件，该致密孔隙即管式微通道反应区的管式微通道，即该致密孔隙的孔道平均直径（横截面面积等效为圆）为0.05～10mm。

其中所述的面式微通道构件由竖式安装的多组板组成，板的结构为平板式、环板式或折板式。

其中每段微通道反应区高度为30~200cm，优选为50~150cm。面式微通道反应区的面式微通道的平面宽度一般为5 cm以上，优选10 cm以上，最优选为15 cm以上。即面式微通道为高度30~200cm、宽度5 cm以上、厚度0.1～10mm的扁平形的“面式”反应通道。

优选的，其中所述的面式微通道构件设置为具有间接换热式结构。面式微通道结构的一部分为反应通道。与反应通道相邻，设置换热介质流动通道，即结构类似于常规板式换热器式结构。换热介质流动通道也是面式通道，但不限于两板间为微米或毫米的微通道结构，反应物料流通的通道为本发明设计结构的面式微通道结构。

进一步地，本发明所述微通道反应器包括供料区、微通道反应区、沉降区及分离区；所述供料区设置在微通道反应区上部，供料区的出口与微通道反应区的入口相通；所述微通道反应区的出口与沉降区的入口相通；所述沉降区的出口与分离区的入口相通。分离区可以采用卧式分离罐，卧式分离罐的入口可采用旋流分离结构（当然也可选用其他结构），中间设置隔板。酸烃两相进入悬液分离器，实现酸烃的初步分离。酸相通过循环泵返回到反应器，烃相溢流到隔板另一侧，通过泵送入聚结器进一步分离。

本发明微通道反应器用于烷基化反应时，以异丁烷和烯烃为原料，以液体酸为催化剂，进行烷基化反应得到烷基化油；所述原料及催化剂进入微通道反应器中的微通道反应区进行烷基化反应后，再进后续分离，得到反应产物。反应流出物一般采用卧式分离罐进行初步分离，抽出下层催化剂，排出上层气体，中层产物再送至聚结分离器进行分离。

作为一种优选方案，烷基化反应原料中添加丙烷，作为原料的冷剂和夹带剂。

烷基化反应的反应压力为0MPa～1.0MPa；反应物料在反应器内的停留时间为1～200min。烷基化反应的异丁烷和烯烃的摩尔比为1～50:1；酸烃体积比为0.1～5:1；异丁烷与丙烷摩尔比为1～100:1。

使用本发明反应器进行烷基化反应时，反应分离的酸催化剂可循环使用，大大降低了酸的损耗。在反应过程中，随时补充酸催化剂确保浓度范围。反应结束后可以采用氮气、惰性气体或二氧化碳进行装置冲洗。

使用本发明微通道反应器进行烷基化反应时，反应器床层压降较小，有利于传质和传热，使反应更加均衡，可以实现反应物和产物高效分离，副反应少。本发明具有操作条件温和，反应易于控制，原料分布好，产品质量高等特点，有效避免了结构单一的微通道反应传质传热不均衡的问题，同时解决了设备尺寸庞大，空间利用率低等问题，可实现高效节能、安全、低碳和环保的连续化生产。试验结果表明，管式微通道构件和面式微通道构件（板式微通道构件）交替结合设置，对于不互溶的烷基化反应体系具有更高效的反应物料接触混合效果，有利于提高反应效率，减少副反应发生，有效降低催化剂损耗量。

使用本发明微通道反应器进行烷基化反应，无需提供额外动力将催化剂和生产原料预混合，床层压降较小，有利于烷烃的吸热汽化，减少反应的热点，解决了反应物料乳化引起的难以分离问题。反应原料中添加相当量的丙烷作为冷剂和夹带剂，降低了反应温度，减少副反应发生。通过卧式罐的旋液分离，实现酸烃的高效分离，降低了酸耗，反应生成的烷基化油辛烷值高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1是本发明的微通道反应器一种具体结构总体示意图。

图2是使用本发明微通道反应器的烷基化反应工艺流程示意图。

图3为管式微通道反应区截面图。

图4为面式微通道反应区截面图。

图5为面式微通道反应区另一种实施方式结构示意图（即在反应物料流通的通道内设置微通道分隔面板，使反应物料流通的通道构成面式微通道）。

图中：1、分离罐；2、过渡床层；3、分布板；4、微通道床层；5、微通道模块；6、酸分布器；7、烃分布器；8、氮气入口管；9、酸入口管；10、烃入口管；11、顶部分布器；12、界面计；13、采样管；14、冷剂入口；15、热电偶套管；16、气相抽出口；17、烃抽出口；18、酸抽出口；19、纤维材料；20、支撑筋；21、约束框架；22、微通道面板。

具体实施方式

以下以异丁烷和烯烃为原料、以液体酸为催化剂的烷基化反应为例，介绍本发明微通道反应器的具体结构和使用方法及效果。

微通道反应器中的微通道反应区竖式垂直设置，微通道反应区至少设置一个管式微通道反应区和一个面式微通道反应区（或者称为板式微通道反应区）。所述的微通道反应区竖式垂直设置，指的是反应通道竖式垂直设置。反应通道为面式通道时，指的是面式通道与水平面垂直设置。

管式微通道反应区和面式微通道反应区（板式微通道反应区）纵向串联设置，优选多个管式微通道反应区和面式微通道反应区（板式微通道反应区）交替串联设置。通常来说，优选2～10个管式微通道反应区和1～10个面式微通道反应区交替串联设置。具体根据处理量和停留时间来确定微通道床层的数量。所述的串联设置，指的是反应物料依次通过管式微通道反应区和面式微通道反应区。交替设置指相邻反应区为不同类型结构反应区交替设置。

微通道反应器顶部设置物料引入结构，物料引入结构包括液体进料口和气体进料口，微通道反应区之上设置进料分布器，微通道反应器下部设置反应后物料收集结构。液体进料分布器（酸分布器6及烃分布器7）保证液体进料分布达到30~200点/m²，优选为50~100点/m²。另外，根据需要设置液位检测控制装置、温度检测控制装置、压力检测控制装置、物料气化情况检测装置等。

反应器壳体外形优选为圆柱体，反应器垂直放置。

微通道反应器为竖式反应器，高径比为2~10，优选为4~6。

微通道反应器中，分布器下方设置微通道反应区，微通道反应区属于竖式微通道，由两种结构微通道构件组成。管式微通道反应区由管式微通道构件构成。管式微通道构件由具有纤维致密孔隙状结构的材料组成，可以是玻璃纤维、聚乙烯等有机聚合物或无机物等材料，材料之间的孔隙构成反应所需的微通道结构，管式微通道构件的孔道横截面可以是各种适宜形状，如多边形、不规则形状等，孔道直径（横截面面积等效为圆）可以是微米级或毫米级。为了增加强度，可以在管式微通道构件中设置支撑筋等增加强度的构件或采用多层约束框架等结构。参见图3所示（示意图，纤维材料充满约束框架内部空间），19为纤维材料；20为支撑筋；21为约束框架（根据反应器壳体结构设置适宜结构）。纤维材料19具有致密孔隙状结构，可以是玻璃纤维、聚乙烯等有机聚合物或无机物等，具有耐腐蚀，确保使用寿命。采用纤维致密孔隙状结构的材料构造微通道结构具有造价低、物料混合效果好等优点，并在反应状态下有利于形成适宜烷基化反应的管式微通道结构（机理可能是在物流冲刷作用及不同物料与纤维材料吸附作用力不同的影响下，在酸和烃不互溶的反应环境中形成了管式微通道结构），反应原料与催化剂接触更加充分，进一步促进反应的进行。纤维材料可以加工制成适宜形状的纤维布，装填到约束框架上的管束内。

面式微通道反应区（板式微通道反应区）由面式微通道构件构成。面式微通道构件由竖式安装的多组板组成（竖式安装的多组板指板面垂直于水平面），可以为环板式、折板式等具体结构，两板之间面式通道间隙为微米级或毫米级，一般为0.1～10mm，优选0.5～2mm，两板之间的间隙构成面式微通道反应空间。采用折板结构时，两板之间的角度a在5°~180°之间，优选为10°~60°之间。参见图4所示。优选地，面式微通道构件设置为具有间接换热式结构，即结构类似于常规板式换热器式结构，但反应通道为面式微通道结构，引入冷却介质有利于反应热的取出。面式微通道构件的结构可以参照板式换热器式结构，参数按上述参数优选设计。用于通入冷却介质的两板之间面式通道不限于上述微米级或毫米级（即冷却通道不限于微通道结构），可以根据换热介质及换热量由技术人员设计确定。

微通道反应区底部与卧式分离罐连通。卧式分离罐的物料入口优选设置为旋流分离结构。

微通道反应器分布器与反应床层之间的壳体外壁处安装液位计，检测酸烃混合液在填料表面是否有液层，用调整酸进料量。

在微通道反应器反应床层之间的壳体外壁处安装气相取样装置，判定是否会有气阻发生。

微通道反应器每段微通道床层高度为30~200cm，优选为50~150cm。

微通道反应器的每段微通道上端与下端之间以多孔钢板隔离，钢板开孔率（钢板开孔面积占钢板的比例）为10%~60%，优选为15%~30%。

本发明使用的烷基化工艺，是使用本发明的微通道反应器，以异丁烷和烯烃为原料，丙烷为冷剂和夹带剂，以液体酸为催化剂，进行烷基化反应得到烷基化油。烯烃为C3~C5烯烃，优选为丁烯。

本发明烷基化工艺，降低了酸耗，提高了反应过程的选择性和产率，同时烷基化油辛烷值得到提升。反应压力（表压）维持在0MPa~1.0MPa，优选为0MPa~0.5MPa。反应物料在反应器内的停留时间为1~200min，优选为30~90min。

本发明烷基化工艺，异丁烷和烯烃的摩尔比（烷烯摩尔比）为1~50:1，优选为5~20:1。

本发明烷基化反应方法中，酸烃体积比为0.1~5:1，优选为0.5~3:1。酸指包括各种酸和离子液体的液体催化剂。

本发明烷基化工艺，异丁烷与丙烷摩尔比为1~100:1，优选为10~30:1。本发明微通道反应器，微通道烷基化反应器的床层压降较小，有利于丙烷的吸热汽化，减少反应的热点。

如图1及图2所示，微通道反应器包括供料区、微通道反应区、沉降区及分离区；所述供料区的出口与微通道反应区的入口相通；所述微通道反应区的出口与沉降区的入口相通；所述沉降区的出口与分离区的入口相通。

供料区包括顶部分布器11；在所述顶部分布器11上设有酸入口管9、氮气入口管8及烃入口管10；在所述顶部分布器11内腔设有酸分布器6及烃分布器7；所述酸入口管9的出口与酸分布器6的入口相通；所述烃入口管10的出口与烃分布器7的入口相通。在所述顶部分布器11上设有界面计12。

微通道反应区包括管式微通道反应区、面式微通道反应区、管式微通道反应区、面式微通道反应区及管式微通道反应区纵向交替串联设置的五段结构。13为采样管；14为冷剂入口；15为热电偶套管；3为分布板；4为微通道床层；5为微通道模块。沉降区为过渡床层2。分离区为分离罐1。在分离罐1上设有气相抽出口16、酸抽出口18及烃抽出口17。

原料进入反应器后，会通过酸分布器6及烃分布器7实现均匀分布，分布器保证液体进料分布达到30~200点/m2，优选为50~100点/m2。在分布器下方设置微通道反应区，微通道反应区属于竖式微通道，由两部分组成，上端属于管式微通道，由具有纤维致密孔隙状结构的材料组成，下端属于面式微通道，由竖式安装的折板组成，两板之间的角度a在10°~60°之间。起到了再分布，混合，反应等效果。

参照图2，图2是本发明实施例提供的采用微通道反应器的烷基化工艺流程示意图。

采用本发明的微通道反应器，以异丁烷和烯烃为烷基化反应原料，催化剂采用液体酸催化剂，反应原料经缓冲罐后通过液体进料口进入到反应装置的分布器（烃分布器7）当中，酸催化剂通过液体进料口进入到反应装置的酸分布器6当中，在原料中添加相当量的丙烷，作为原料的冷剂和夹带剂，实现原料的汽化取热，保证反应温度较低，原料量和酸催化剂量由流量调节给定控制，经过液体分布器的初分布后，按照一定的液时空速，以滴流状态均匀流下，进入反应床层。反应原料可以均匀的进入到微通道反应区后，首先在微通道上端的管式微通道反应区进行反应，由管式微通道反应区提供的极大的比表面积，有利于烷基化反应，同时不会产生沟流现象。然后，经过微通道下端的面式微通道反应区对流体进行混合，再分布，并进行反应。原料在微通道中混合极佳，反应过程中温度精确控制，原料配比精确控制，且产物的收率明显提高。

物料在微通道反应区发生反应后，进入沉降段，反应物料经沉降分层，因丙烷和异丁烷的沸点不同，随着压力变化，在沉降段中部丙烷取热逐渐汽化，到沉降段下部丙烷汽化，部分异丁烷也实现汽化，反应物料经沉降分层，进入卧式分离罐（为强化分离效果，在具体设计时可采用具有旋液分离功能的卧式分离罐），下层酸催化剂通过循环泵抽出循环，上层气体经压缩机排出，中层产物由泵抽出进入聚结分离器，分离后的产物送去分离工段或储罐，少量酸回到反应器。

烷基化反应所用的液体催化剂可以是任意可以催化异丁烷和烯烃进行烷基化反应的液体酸催化剂，具体为HF、H₂SO₄、磷酸、硼酸、醋酸或者离子液体等液体催化剂中一种或几种。

本申请中的“竖式”、“垂直”等术语表示包含垂直和接近垂直，故意回避本发明而设置一定倾角（例如与水平面成80～90度角等），应属于本申请保护范围内之内。

下面结合实例说明本发明的反应效果，但并不因此限制本发明的保护范围。

实施例1~3

采用如图1所示结构的反应器及图2所示的烷基化反应流程，微通道反应区的床层压降为0.1~1.0MPa，优选为0~0.5MPa。以异丁烷和丁烯为原料，以硫酸为催化剂，以丙烷作为冷剂进行烷基化反应。

硫酸进料与异丁烷和丁烯混合物进料的酸烃体积比为0.1~5:1，优选为0.5~3:1。烷烯摩尔比为1~50:1，优选为5~20:1。异丁烷与丙烷摩尔比为1~100:1，优选为10~30:1，反应压力维持在0MPa~1.0MPa，优选为0MPa~0.5MPa。抑制了副反应，降低了酸耗，提高了反应过程的选择性和产率，同时烷基化油辛烷值得到提升。反应物料在反应器内的停留时间为1~200min，优选为10~90min。

反应器结构为：“管式微通道反应区-面式微通道反应区-管式微通道反应区-面式微通道反应区-管式微通道反应区”五段结构，每段微通道反应段的体积相同。管式微通道构件的孔道直径为3mm，面式微通道构件两板之间的角度在45°，两板之间的间隙为1mm。

具体反应条件见表1，反应结果见表2。

比较例1~2

比较例1采用常规的内部设置制冷管束的卧式机械搅拌反应器，比较例2采用仅有管式微通道构件（同实施例1）构成的微通道反应器，反应条件参见表1，反应结果参见表2。

表1 实施例与比较例烷基化反应主要条件

表2 实施例与比较例烷基化反应结果

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种微通道反应器，在反应器壳体内设置微通道反应区，其特征在于：所述微通道反应区至少设置一个管式微通道反应区和一个面式微通道反应区，管式微通道反应区由管式微通道构件构成；面式微通道反应区由面式微通道构件构成，面式微通道构件为多组板式结构，两板之间通道间隙为0.1～10mm，该间隙构成面式微通道；管式微通道反应区的管式微通道垂直于水平面设置，面式微通道反应区的面式微通道与水平面垂直设置。

2.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：所述管式微通道反应区和面式微通道反应区在反应器壳体内纵向交替串联设置；所述管式微通道反应区的个数为2～10；所述面式微通道反应区的个数为1～10。

3.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：所述管式微通道反应区与面式微通道反应区占据的空间体积比为0.5：1～10：1。

4.按照权利要求3所述的微通道反应器，其特征在于：所述管式微通道反应区与面式微通道反应区占据的空间体积比为2：1～5：1。

5.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：所述管式微通道反应区的管式微通道构件的微通道孔道平均直径为0.05～10mm。

6.按照权利要求5所述的微通道反应器，其特征在于：所述管式微通道反应区的管式微通道构件的微通道孔道平均直径为0.1～5mm。

7.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：反应器壳体外形为圆柱体，反应器垂直放置，高径比为2~10。

8.按照权利要求7所述的微通道反应器，其特征在于：反应器壳体外形为圆柱体，反应器垂直放置，高径比为4~6。

9.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：管式微通道构件主要由纤维材料构成，纤维材料制成具有致密孔隙状结构的构件，该致密孔隙即管式微通道反应区的管式微通道。

10.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：面式微通道构件由竖式安装的多组板组成，板的结构为平板式、环板式或折板式。

11.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：每段微通道反应区高度为30~200cm。

12.按照权利要求11所述的微通道反应器，其特征在于：每段微通道反应区高度为50~150cm。

13.按照权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于：面式微通道构件设置为具有间接换热式结构。

14.按照权利要求1至9任一权利要求所述的微通道反应器，其特征在于：所述微通道反应器为以异丁烷和烯烃为原料、以液体酸为催化剂的烷基化反应器。