CN109107521A - 一种板式等温烷基化反应器及其使用方法 - Google Patents

一种板式等温烷基化反应器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石油化工领域，公开了一种板式等温烷基化反应器及其使用方法，反应器由反应物产物收集管（1）、拉杆（2）、支架（3）、双层压紧板（4）、取热框（5）、密封垫片（6）、间壁板（7）、反应框（8）、反应原料分布管（9）、换热介质分布管（10）、换热介质收集管（11）和碳化硅泡沫构成。本发明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目的产物烷基化油。本发明有效解决了烷基化反应器温度分布不均匀的问题，具有原料分布好、传质速率大、温度易于控制，产品质量高等特点。

Description

一种板式等温烷基化反应器及其使用方法
技术领域
本发明属于石油化工领域，尤其涉及一种板式等温烷基化反应器及其使用方法。
背景技术
目前烷基化的商业化生产装置中，氢氟酸的环境污染隐患、固体酸催化剂的活性及离子液体固化堵塞等问题制约着相关技术的推广，而硫酸烷基化在安全性与可操作性之间达到了最佳平衡。但工业应用的硫酸烷基化技术存在反应温度高、酸烃乳化不易分离、酸耗大等问题。
中国专利CN205815148U公开了一种硫酸烷基化反应产物自取热闪蒸的装置，装置内填充多层不规则微多孔媒介，不规则微多孔媒介为半软性立体多孔网状填料，分散交织成纤维缕组成，纤维缕为PTFE、PP、PE或玻璃纤维中的一种或多种。专利中纤维缕压缩系数较大，影响装置长周期运行的稳定性，此外纤维易断裂，影响烷基化油的产品质量。
中国专利CN 102688725A公开了一种用于化工生产中流体催化反应和传热过程的热板式反应器。热板单元竖直安装在反应器壳体内的卡槽上，上连接冷却介质分配管，下连接冷却介质收集管；在壳体的上方设有气体出口，在壳体下方设有气体进口；在壳体上部设有催化剂装填孔，下部设有催化剂卸载孔。该反应器适用于气固催化反应过程，低温硫酸粘度大，流动性差，导热系数小，热阻大，因此该反应器不适用于低温硫酸烷基化反应。
综上所述，如何对微通道反应器进行进一步优化，以实现精准控制反应温度分布，使系统安全稳定长周期运行，是本领域技术人员需要解决的突出问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种高效节能，安全环保，传质传热性能理想，目的产物辛烷值高，可实现精准控制反应温度分布的板式等温烷基化反应器及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种板式等温烷基化反应器，包括反应原料分布管、换热介质分布管、拉杆、支架、双层压紧板、取热框、间壁板、反应框、反应物产物收集管、换热介质收集管及碳化硅泡沫；所述取热框与反应框交替置于支架之上，且平行设于双层压紧板内；所述间壁板固定设于取热框与反应框之间；所述双层压紧板、取热框、间壁板及反应框经拉杆固接成一体，从而依次交替形成热交换腔室及反应腔室；所述碳化硅泡沫分别置于热交换腔室及反应腔室之内；所述反应原料分布管的端口与反应框的反应原料入口相通；所述换热介质分布管的端口与取热框的换热介质入口相通；所述反应物产物收集管的端口与反应框的反应物产物出口相通；所述换热介质收集管的端口与取热框的换热介质出口相通。
作为一种优选方案，本发明在所述双层压紧板四周设置压紧密封凸台；在双层压紧板上横向设有压紧填料支撑筋；在所述取热框上四周对应压紧密封凸台位置设置取热密封凹槽；在所述取热框内横向设有取热填料支撑板；在所述间壁板上对应取热密封凹槽位置设置密封凸台；在所述反应框上对应密封凸台位置设置反应密封凹槽；在所述反应框内横向设有反应填料支撑板。
进一步地，本发明在所述取热框与间壁板之间以及间壁板与反应框之间分别设有密封垫片。
进一步地，本发明所述拉杆采用螺栓螺母；所述螺栓螺母与压紧板上设置螺孔紧固配合。
进一步地，本发明所述碳化硅泡沫由常压烧结高纯碳化硅规整填料构成，比表面积为300~3000 m2/m3；空隙率为0.35~0.9。
进一步地，本发明所述取热框由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述取热框上设置取热支耳；所述取热框经取热支耳置于板框支撑筋之上。
进一步地，本发明所述间壁板由碳化硅材质构成，其厚度为1~10mm；所述间壁板上设置支耳；所述间壁板经支耳置于板框支撑筋之上。
进一步地，本发明所述反应框由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述反应框上设置反应支耳；所述反应框经反应支耳置于板框支撑筋之上。
进一步地，本发明所述双层压紧板包括静压紧板及动压紧板；所述静压紧板及动压紧板分别垂直设于支架的两端；所述动压紧板与支架中的板框支撑筋水平活动相接；所述静压紧板与支架固定相接。
上述板式等温烷基化反应器的使用方法，系以异丁烷和C3~C5烯烃为原料，以液体硫酸为催化剂，进行烷基化反应；所述异丁烷与烯烃的摩尔比为3~10:1；所述液体酸与烯烃的体积比为0.5~2:1；烯烃停留时间为1~30min，反应温度为-3~3℃；反应压力为0.1~0.4MPa。
本发明采用板式等温反应器完成烷基化反应，并使用碳化硅材料作为间壁板与框内填料，改善了传统烷基化反应器内的温度分布，可有效的实现低温烷基化反应，具有操作条件缓和，反应易于控制，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。试验结果表明，板式等温烷基化反应器生成的烷基化油辛烷值高，低硫，不含芳烃和烯烃。
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为本发明板式等温烷基化反应器结构示意图。
图2为本发明支架与压紧板结构示意图。
图3为本发明取热框结构示意图。
图4为本发明间壁板结构示意图。
图5为本发明反应框结构示意图。
图中：1、反应产物收集管；2、螺栓螺母；3、支架；4、双层压紧板；5、取热框；6、密封垫片；7、间壁板；8、反应框；9、反应原料分布管；10、换热介质分布管；11、换热介质收集管；3-1、底板；3-2、立柱；3-3、板框支撑筋；4-1、螺孔；4-2、压紧填料支撑筋；4-3、压紧密封凸台；4-4、静压紧板；4-5、动压紧板；5-1、换热介质出口；5-2、支耳；5-3、换热介质入口；5-4、取热密封凹槽；5-5、取热填料支撑板；7-1、填料支撑筋；7-2、支耳；7-3、密封凸台；8-1、反应产物出口；8-2、反应支耳；8-3、反应原料入口；8-4、框内分布管；8-5、反应密封凹槽；8-6反应填料支撑板。
具体实施方式
如图所示，板式等温烷基化反应器，包括反应原料分布管9、换热介质分布管10、拉杆2、支架3、双层压紧板4、取热框5、间壁板7、反应框8、反应物产物收集管1、换热介质收集管11及碳化硅泡沫；所述取热框5与反应框8交替置于支架3之上，且平行设于双层压紧板4内；所述间壁板7固定设于取热框5与反应框8之间；所述双层压紧板4、取热框5、间壁板7及反应框8经拉杆2固接成一体，从而依次交替形成热交换腔室及反应腔室；所述碳化硅泡沫分别置于热交换腔室及反应腔室之内；所述反应原料分布管9的端口与反应框8的反应原料入口8-3相通；所述换热介质分布管10的端口与取热框5的换热介质入口5-3相通；所述反应物产物收集管1的端口与反应框8的反应物产物出口8-1相通；所述换热介质收集管11的端口与取热框5的换热介质出口5-1相通。
参见图2～5所示，本发明在所述双层压紧板4四周设置压紧密封凸台4-3；在双层压紧板4上横向设有压紧填料支撑筋4-2；在所述取热框5上四周对应压紧密封凸台4-3位置设置取热密封凹槽5-4；在所述取热框5内横向设有取热填料支撑板5-5；在所述间壁板7上对应取热密封凹槽5-4位置设置密封凸台7-3；在所述反应框8上对应密封凸台7-3位置设置反应密封凹槽8-5；在所述反应框8内横向设有反应填料支撑板8-6。
参见图1所示，本发明在所述取热框5与间壁板7之间以及间壁板7与反应框8之间分别设有密封垫片6。
参见图1所示，本发明所述拉杆2采用螺栓螺母；所述螺栓螺母与压紧板4上设置螺孔4-1紧固配合。
本发明所述碳化硅泡沫由常压烧结高纯碳化硅规整填料构成，比表面积为300~3000 m2/m3；空隙率为0.35~0.9。
参见图1及图3所示，本发明所述取热框5由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述取热框5上设置取热支耳5-2；所述取热框5经取热支耳5-2置于板框支撑筋3-3之上。
参见图1及图4所示，本发明所述间壁板7由碳化硅材质构成，其厚度为1~10mm；所述间壁板7上设置支耳7-2；所述间壁板7经支耳7-2置于板框支撑筋3-3之上。
参见图1所示，本发明所述反应框8由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述反应框8上设置反应支耳8-2；所述反应框8经反应支耳8-2置于板框支撑筋3-3之上。
参见图1及图2所示，所述双层压紧板4包括静压紧板4-4及动压紧板4-5；所述静压紧板4-4及动压紧板4-5分别垂直设于支架3的两端；所述动压紧板4-5与支架3中的板框支撑筋3-3水平活动相接；所述静压紧板4-4与支架3固定相接。
上述板式等温烷基化反应器的使用方法，系以异丁烷和C3~C5烯烃为原料，以液体硫酸为催化剂，进行烷基化反应；所述异丁烷与烯烃的摩尔比为3~10:1；所述液体酸与烯烃的体积比为0.5~2:1；烯烃停留时间为1~30min，反应温度为-3~3℃；反应压力为0.1~0.4MPa。
如图1所示，板式等温烷基化反应器在设计时由反应物产物（催化剂）收集管1、拉杆（螺栓螺母）2、支架3、双层压紧板4、取热框5、密封垫片6、间壁板7、反应框8、反应原料（催化剂）分布管9、换热介质分布管10、换热介质收集管11和碳化硅泡沫构成。取热框5与反应框8交替置于支架3之上，碳化硅泡沫分别置于取热框5与反应框8内。间壁板7将取热框5与反应框8分隔，间壁板7与取热框5以及间壁板7与反应框8之间分别设置密封垫片6。碳化硅泡沫由常压烧结高纯碳化硅规整填料构成，比表面积为300~3000 m2/m3；空隙率为0.35~0.9。取热框5厚度为5~50mm，设置换热介质入口5-3、取热支耳5-2、换热介质出口5-1、取热密封凹槽5-4、取热填料支撑板5-5。反应框8厚度为5~50mm，设置反应产物（催化剂）出口8-1、反应支耳8-2、反应原料（催化剂）入口8-3、框内分布管8-4、反应密封凹槽8-5、反应填料支撑板8-6。间壁板7主体由碳化硅材质构成，厚度为1~10mm，设置填料支撑筋7-1、支耳7-2、密封凸台7-3。双层压紧板4由一块动压紧板4-5及静压紧板4-4构成，静压紧板4-4固定在支架3之上，动压紧板4-5可在板框支撑筋3-3上移动；动压紧板4-5及静压紧板4-4厚度分别为5~15mm，在动压紧板4-5及静压紧板4-4上分别设置螺孔4-1、压紧填料支撑筋4-2与压紧密封凸台4-3。使用拉杆（螺栓螺母）2及双层压紧板4将若干取热框5、间壁板7及反应框8组装一体。两个反应原料（催化剂）分布管9与一个换热介质分布管10置于反应器上端，反应原料（催化剂）分布管9与各反应框8中反应原料（催化剂）入口8-3相连，换热介质分布管10与各取热框5中换热介质入口5-3相连。两个反应物产物（催化剂）收集管1与一个换热介质收集管11置于反应器下端，反应物产物（催化剂）收集管1与各反应框8中反应物产物（催化剂）出口8-1相连。上述板式等温烷换热介质收集管11与各取热框5中换热介质出口5-1相连。
烷基化反应器的使用方法，系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。本发明所述烯烃为C3~C5烯烃；所述液体酸为硫酸。本发明所述异丁烷与烯烃的摩尔比为3~10:1；所述液体酸与烯烃的体积比为0.5~2:1；烯烃停留时间为1~30min，反应温度为-3~3℃，反应压力为0.1~0.4MPa。
本发明反应框与取热框内设置碳化硅泡沫12，碳化硅泡沫12由常压烧结高纯碳化硅规构成，呈三维网络连通结构，具有较高的机械强度和优异的耐酸碱腐蚀性能。碳化硅具有较大的比较面积，强化了烷基化过程的反应速率与传质速率；具有优良的热传导性能，降低了传热阻力；具有多孔的结构，削弱了热边界层厚度，提高了传热速率。此外，碳化硅是极性固体，易与水润湿和吸附，在反应框内，液体酸可以很好分散在碳化硅表面，形成酸膜。原料在重力作用下，从酸膜表面流过，在液体酸催化作用下完成烷基化反应过程。
参见图1所示，本发明反应器可交替设置多个取热框与反应框，具体连接数量根据处理量和空速确定。
参见图1所示，本发明反应器还可用于其他液液非均相、液固非均相及气固非均相反应过程。
本发明反应器外形为长方体，板与框均垂直放置，反应过程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，烯烃为C3~C5烯烃，优选为丁烯，液体酸优选硫酸。异丁烷和烯烃的摩尔比为3:1~10:1，酸烃体积比为0.5:1~2:1，烯烃停留时间为1~30min，反应温度为-3~3℃，反应压力为0.1~0.4MPa。
针对目前烷基化反应器的不足，借鉴碳化硅高效的传质传热性能，本发明能精准控制反应器温度分布，实现高效节能、安全、低碳和环保的连续化生产。
实施例1~3
采用如图1所示结构的反应器，以硫酸为催化剂，进行烷基化反应。
异丁烷和烯烃的摩尔比为3~10:1；酸烃体积比为0.5~2:1；反应物料在反应器内的停留时间为1~30 min。反应器反应产物（催化剂）收集管压力为0~0.05 MPa，反应器压降为0~0.4 MPa。反应温度维持在-3~3 ℃。
反应器结构为：取热框6块，厚度均为5~50mm；间壁板10块，厚度均为1~10mm；反应框5块，厚度均为5~50mm。
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采用纤维模块微通道反应器，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。
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，都在发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种板式等温烷基化反应器，其特征在于：包括反应原料分布管（9）、换热介质分布管（10）、拉杆（2）、支架（3）、双层压紧板（4）、取热框（5）、间壁板（7）、反应框（8）、反应物产物收集管（1）、换热介质收集管（11）及碳化硅泡沫；所述取热框（5）与反应框（8）交替置于支架（3）之上，且平行设于双层压紧板（4）内；所述间壁板（7）固定设于取热框（5）与反应框（8）之间；所述双层压紧板（4）、取热框（5）、间壁板（7）及反应框（8）经拉杆（2）固接成一体，从而依次交替形成热交换腔室及反应腔室；所述碳化硅泡沫分别置于热交换腔室及反应腔室之内；所述反应原料分布管（9）的端口与反应框（8）的反应原料入口（8-3）相通；所述换热介质分布管（10）的端口与取热框（5）的换热介质入口（5-3）相通；所述反应物产物收集管（1）的端口与反应框（8）的反应物产物出口（8-1）相通；所述换热介质收集管（11）的端口与取热框（5）的换热介质出口（5-1）相通。
2.根据权利要求1所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：在所述双层压紧板（4）四周设置压紧密封凸台（4-3）；在双层压紧板（4）上横向设有压紧填料支撑筋（4-2）；在所述取热框（5）上四周对应压紧密封凸台（4-3）位置设置取热密封凹槽（5-4）；在所述取热框（5）内横向设有取热填料支撑板（5-5）；在所述间壁板（7）上对应取热密封凹槽（5-4）位置设置密封凸台（7-3）；在所述反应框（8）上对应密封凸台（7-3）位置设置反应密封凹槽（8-5）；在所述反应框（8）内横向设有反应填料支撑板（8-6）。
3.根据权利要求2所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：在所述取热框（5）与间壁板（7）之间以及间壁板（7）与反应框（8）之间分别设有密封垫片（6）。
4.根据权利要求3所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述拉杆（2）采用螺栓螺母；所述螺栓螺母与压紧板（4）上设置螺孔（4-1）紧固配合。
5.根据权利要求4所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述碳化硅泡沫由常压烧结高纯碳化硅规整填料构成，比表面积为300~3000 m2/m3；空隙率为0.35~0.9。
6.根据权利要求5所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述取热框（5）由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述取热框（5）上设置取热支耳（5-2）；所述取热框（5）经取热支耳（5-2）置于板框支撑筋（3-3）之上。
7.根据权利要求6所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述间壁板（7）由碳化硅材质构成，其厚度为1~10mm；所述间壁板（7）上设置支耳（7-2）；所述间壁板（7）经支耳（7-2）置于板框支撑筋（3-3）之上。
8.根据权利要求7所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述反应框（8）由碳化硅或碳钢材质构成，其厚度为5~50mm；所述反应框（8）上设置反应支耳（8-2）；所述反应框（8）经反应支耳（8-2）置于板框支撑筋（3-3）之上。
9.根据权利要求8所述的板式等温烷基化反应器，其特征在于：所述双层压紧板（4）包括静压紧板（4-4）及动压紧板（4-5）；所述静压紧板（4-4）及动压紧板（4-5）分别垂直设于支架（3）的两端；所述动压紧板（4-5）与支架（3）中的板框支撑筋（3-3）水平活动相接；所述静压紧板（4-4）与支架（3）固定相接。
10.一种如权利要求1～9任一所述板式等温烷基化反应器的使用方法，其特征在于：以异丁烷和C3~C5烯烃为原料，以液体硫酸为催化剂，进行烷基化反应；所述异丁烷与烯烃的摩尔比为3~10:1；所述液体酸与烯烃的体积比为0.5~2:1；烯烃停留时间为1~30min，反应温度为-3~3℃；反应压力为0.1~0.4MPa。
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