CN111589406A - 烷基化反应装置、反应系统和液体酸催化的烷基化反应方法 - Google Patents

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Abstract

一种烷基化反应装置，其特征在于包括n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。

Description

烷基化反应装置、反应系统和液体酸催化的烷基化反应方法
技术领域
本发明涉及反应装置、反应系统和烷基化反应方法，特别是涉及一种烷基化反应装置、反应系统和液体酸催化的烷基化反应方法。
背景技术
异构烷烃与烯烃的烷基化反应，主要是指异丁烷与丁烯的烷基化反应，其反应的实质是在酸性催化剂的存在下，把烷烃分子加到烯烃分子上的有机加成反应。烷基化反应是石化工业中一个重要的工艺过程。异丁烷与丁烯在强酸催化剂作用下反应生成的异构C8烷烃，称为烷基化油。烷基化油具有高辛烷值(RON94～96)和低Reid蒸汽压，硫含量、烯烃含量极低，无苯和芳烃，是优良的汽油调和组分。采用新配方汽油作为汽油发动机的燃料，将会大大缓和由于汽车尾气排放造成的城市空气污染。就此意义而言，烷基化油是一种环境友好的石油化工产品。
目前工业上烷基化反应所采用的催化剂主要为浓硫酸或氢氟酸等液体强酸。典型的烷基化反应工艺仍采用卧式搅拌釜反应器，而异丁烷和丁烯烷基化反应是典型的双液相反应，相间传质速率决定了宏观反应速率。此类反应体系中，在两相充分分散混合的情况下，烯烃能够很快实现完全转化，如果反应时间过长，开始形成的具有高辛烷值的三甲基戊烷(TMP)就会和强酸性的催化剂继续接触，会引起TMP向低辛烷值的DMH的异构化。因此，采用常规搅拌反应釜难以实现在获得高转化率的同时获得高辛烷值的产品。
异构烷烃与烯烃的烷基化反应属于不互溶液-液两相反应，不互溶液-液两相的混合效果对液-液反应的转化率和选择性具有重要影响。目前已有的液-液两相混合反应器主要有搅拌釜、静态混合器、撞击流混合器以及喷射式混合器等。
CN2790575Y公开了一种硫酸法烷基化工艺中的卧式反应器，主体是一个卧式压力容器，有一个内循环套筒、一个列管式取热管束、一个封头处的螺旋搅拌桨。反应进料和循环酸进入搅拌桨的吸入侧，在搅拌桨的驱动下，反应物料迅速扩散并与酸形成乳化液，乳化液在反应器内不停地高速循环并发生反应。在反应器的排出侧，一部分乳化液排出到酸沉降罐，进行酸的分离。酸由于比重较大而沉入沉降罐底部，然后返回到搅拌桨的吸入侧。反应物混合过程在整个卧式反应器中完成，混合的空间尺寸为整个反应器，时间适度在20-30分钟，属于宏观混合的范畴。这种反应器内的返混较大，不利于提高反应的选择性。
US6194625B1公开了一种分段进料的烷基化反应器，反应区被分隔成几个串联的区段，将新鲜原料分割成几股分别引入每个反应区段，而循环使用的酸烃乳液则是串流式的，每个反应区段内采用机械搅拌的方式进行混合。这种结构虽然克服了返混较大的问题，但结构过于复杂。另外，这两种反应器都采用了固定电机驱动搅拌桨，很容易因密封不严而反生泄漏。
CN100348559C提出了一种离子液体催化烷基化反应方法即反应器装置，是在超重力旋转装置中完成离子液体催化异构烷烃与烯烃的液-液相烷基化反应。该发明提供的旋转床反应器装置包括：反应器壳体，壳体上有加料口及出料口，反应器壳体内装有由转子、填料层组成的旋转填充床，其中有进料管、料液喷头，旋转填充床位于壳体上部，壳体下部为储液罐，在反应器中心装有搅拌装置，可对储液罐的反应物料进行搅拌，储液罐与料液循环泵连接构成旋转床循环反应器，循环泵的吸入管入口处连有混合器，在混合器上开有烷烯料液吸入口和离子液体进口，反应后的部分料液和离子液体在混合器混合，循环泵的出料口连接旋转填充床的进料管，循环泵把混合后的料液送至旋转填充床进行循环反应，在储液罐上装有液位控制计，控制料液的停留时间。这种结构的反应器能够强化反应物与酸烃乳液间的混合，但结构仍过于复杂，不容易扩大生产规模。
US3281213提出了一种立式烷基化反应器，其主体是一根提升管，提升管与一个卧式罐相连接，卧式罐内装有酸烃乳液，参与反应的异构烷烃和烯烃通过提升管底部的喷嘴喷入，喷射造成的引力带动着卧式罐中的酸烃乳液一起进入提升管，反应即在这根提升管反应器中进行。提升管顶端连接有一个分离罐，用于反应产物的分离。分离后的酸烃乳液循环进入提升管底部的卧式罐。这种结构没有采用机械传动构件，解决了内置搅拌桨带来的一系列问题。但是，提升管中酸烃乳液与其他反应物的混合并不能令人满意，另外，整个反应器系统采用了一个提升管、两个卧式罐和一根下降管，设备庞大、结构也不够紧凑。
发明内容
本发明的目的之一是依据液体酸催化异构烷烃与烯烃反应时烯烃反应快和氢转移反应慢的特点，提供一种强化了烯烃初始反应时在酸烃乳液中的分散强度，强化异构烷烃在液体酸中的溶解度，加快了氢转移反应的烷基化反应装置。
本发明的目的之二是提供基于反应装置的一种反应系统。
本发明的目的之三是提供基于反应装置的液体酸催化的烷基化反应方法。
本发明的目的之一通过以下技术方案实现的：
一种烷基化反应装置，其特征在于包括n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
一种烷基化反应系统，包括烷基化反应单元、压缩制冷单元、反应流出物精制单元、产品分馏单元，其特征在于，所述的烷基化反应单元包括进行烷基化反应的n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。。
本发明的目的之三是通过以下技术方案实现的：
一种液体酸催化的烷基化反应方法，其特征在于异丁烷与C3-C5烯烃馏分的烷基化反应在n个反应器中进行，第一反应器入口温度为-10℃～20℃，在所述的n个反应器中有包括第一反应器在内的m个反应器均设置有三个反应区，为x反应区、y反应区、z反应区；烷基化反应原料分配到所述的m个反应器中；在设置了三个反应区的m个反应器中，烷基化反应原料从x反应区进入并顺序流经y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m；反应物料在x反应区、y反应区停留0.01～10秒后进入反应区z停留0.1～15分钟。
本发明依据液体酸催化异构烷烃与烯烃反应时烯烃反应快和氢转移反应慢的特点，提供一种多反应区的组合反应器，首先强化了烯烃初始反应时在酸烃乳液中的分散强度，而后加快了氢转移反应，加快了宏观上的烷基化反应速率，从而提高了反应转化率以及反应产物的选择性，同时该反应器更适合工业规模的反应过程。
本发明中，x、y与z反应区中控制温度不同、混合强度不同，进一步降低了动力消耗和冷剂使用量，从而降低了装置能耗。
附图说明
图1本发明的反应装置的一种具体实施方式示意图。
图2本发明的反应装置的一种具体实施方式示意图。
图3是本发明提供的以三个反应器为例的烷基化反应系统示意图。图中，1为第一反应器，2为第二反应器，3为第三反应器，4为原料混合器，5为自气化分离器，6为聚结内件、7为酸烃均相器、8为精密聚结器、9为酸烃粗分器，10为脱异丁烷塔。
具体实施方式
一种烷基化反应装置，其特征在于包括n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。
本发明中，可以以反应器中反应物平均液滴直径来体现混合强度的大小，平均液滴直径越小则混合强度越大。平均液滴直径的测定方法见“叶楚宝等，‘SMV型Sulzer静态混合器分散性能的研究’，化学工程，1983，第1期，P51～57”。
本发明的烷基化反应装置中，所述的n优选为2、3、4、5、6、7、8；更优选的n为3、4、5、6，最有选的n为3或4，m为2或3。
所述的设置有三个反应区的反应器，内径尺寸为z反应区＞x反应区＞y反应区；优选的，所述的z反应区、x反应区和y反应区的内径比值，x:y:z＝(1.1～1.6)：1：(2～3)。在满足内径尺寸比例关系的情况下，所述x反应区的内径可以为50～2000mm、优选为100～1500mm，y反应区内径可以为50～2000mm、优选为100～1500mm；z反应区内径可以为200～3000mm、优选为500～2000mm。
所述的x、y、z反应区中设置有内扰流件。所述的内扰流件为静态扰流件或者动态扰流件。所述的静态扰流件选自Kenics、SMX、SV、SMV、SH、SK、SX、SL、东利Hi型中的一种或几种的组合。
本发明的烷基化反应装置中，也可以将所述的n个反应器视为一个大的反应器中的n个反应段，每个反应段中设置有三个反应区。
所述的n个反应器之间为串联和/或并联。在优选的实施方式中，n＝3时，m＝3或2，反应器呈N型串联排列；或者，n＝4时，m4或3或2，反应器呈M型串联排列。
本发明还提供了一种烷基化反应系统，包括烷基化反应单元、压缩制冷单元、反应流出物精制单元、产品分馏单元，其特征在于，所述的烷基化反应单元包括进行烷基化反应的n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。
所述的烷基化反应系统，其中，原料与所述的压缩制冷单元得到冷剂异丁烷、产品分馏单元得到的循环异丁烷以及反应流出物精制单元得到的循环烃混合降温；所述的反应流出物精制单元的流出物进行酸烃相初步分离出烃相，其中大部分作为循环烃；所述的产品分馏单元包括至少一个脱异丁烷塔，将反应流出物烃相中的异丁烷脱除，在脱异丁烷塔的塔顶、塔中上部、塔釜分别得到循环异丁烷、正丁烷和烷基化产物。
所述的流出物精制单元包括自汽化分离器和酸烃粗分器，所述的自汽化分离器，上部有聚结内件提供丁烷气化以及反应产物与酸相分离场所，下部设置酸烃均相器使得装置稳定操作；所述的酸烃粗分器进行酸烃相的初步分离，分离出的烃相大部分返回，小部分烃相在设定的一个或多个精密聚结器中进行进一步聚结脱酸分离。
所述的烷基化反应系统，还可以包括有烷基化反应原料预处理单元，对烷基化反应原料进行脱丁二烯、轻烃、含氧化合物和水的操作。
本发明进一步提供了一种液体酸催化的烷基化反应方法，其特征在于异丁烷与C3-C5烯烃馏分的烷基化反应在n个反应器中进行，第一反应器入口温度为-10℃～20℃，在所述的n个反应器中有包括第一反应器在内的m个反应器均设置有三个反应区，为x反应区、y反应区、z反应区；烷基化反应稀释原料分配到所述的m个反应器中；在设置了三个反应区的m个反应器中，烷基化反应原料从x反应区进入并顺序流经y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m；反应物料在x反应区、y反应区停留0.01～10秒后进入反应区z停留0.1～15分钟。
所述的烷基化反应稀释原料由循环异丁烷、冷剂异丁烷、经预处理的反应原料、循环烃组成，其烷烯摩尔比为10～300:1、优选为30～150:1、更优选为40～100:1。
烷基化反应稀释原料分配到所述的m个反应器中，优选的，所述的烷基化反应稀释原料均等分配到所述的m个反应器中，或者按反应器中反应物流顺序依次减少。
本发明根据不同反应的需要设置不同混合强度的反应区，可以控制适宜的反应强度及反应时间，从而节省装置投资和装置能耗。反应区y的混合强度大于反应区x，可以使进料烯烃在较短时间内快速分散快速反应完全。所述的混合强度以平均液滴直径考察，平均液滴直径的测定方法见“叶楚宝等，‘SMV型Sulzer静态混合器分散性能的研究’，化学工程，1983，第1期，P51～57”。在满足反应区y和反应区x中均设置内扰流件且使设置了内扰流件的反应区y的混合强度大于设置了内扰流件的反应区x的混合强度、所述的反应区z中也设置内扰流件且z的混合强度小于反应区x的混合强度的前提下，在所述的y反应区中，单独可控制平均液滴直径在10～1000μm、优选50～500μm。所述的x反应区中，单独可控制平均液滴直径在100～5000μm、优选200～1000μm。所述的z反应区中，单独可控制平均液滴直径在500～10000μm、优选600～3000μm。
所述的烷基化反应方法，进一步包括，第n反应器出口得到的流出物经过自气化分离器中聚结内件减压至0.005～0.18MPa，使其中的部分碳四烷烃汽化并带走反应热；分离出的气相组分经压缩制冷得到冷剂异丁烷，剩余的酸烃混合物在自气化分离器下部分成酸烃两相，分离出的酸相循环回到第一反应器的x反应区，分离出的烃相的大部分进入原料混合器，小部分进入可选的精密聚结器，进一步脱除烃相中微小酸滴和酸酯；在脱异丁烷塔，将反应流出物烃相中的异丁烷脱除，在脱异丁烷塔的塔顶、塔中上部、塔釜分别得到循环异丁烷、正丁烷和烷基化产物。
通常，多数烷基化方法的目的是将异构烷烃(或芳烃)和轻烯烃与酸性催化剂紧密接触，反应生成烷基化产物。在石油炼制工业中，脂肪烃与烯烃的酸催化烷基化是众所周知的方法。本发明所指烷基化是指异构烷烃与烯烃在强酸催化下，产生如辛烷值高于原料、沸程为汽油范围馏分的加工过程。本发明所涉及的烷基化一般为异丁烷与C3-C5烯烃馏分的反应，特别适用于异丁烷与碳四烯烃的反应。
本发明的烷基化反应方法，第一反应器入口温度为-10～20℃、优选为-2～10℃。x反应区、y反应区中的反应压降和z反应区中的反应压降不同，在x反应区和y反应区中，内件压降控制在0.05～0.5MPa、优选0.1～0.3MPa，在z反应区中，内件压降控制在0.001～0.1MPa、优选0.002～0.05MPa。。
所说的x反应区和y反应区反应物料总的混合接触时间为0.01～10s、优选为0.1～3s。z反应区混合接触反应0.1～15min、优选为0.5～5min。在烷基化反应方法中，酸烃体积比0.8～1.5:1，优选为0.85～1.2:1，更优选为0.9～1.1:1。
所述的液体酸优选为浓硫酸或以浓硫酸为主的混合酸，更优选采用浓度为90％～99.2％的浓硫酸和以浓硫酸为主的混合酸。
所述的液体酸催化剂优选还包括助剂。助剂的加入强化了异构烷烃在液体酸中的溶解度，加快了氢转移反应，加快了宏观上的烷基化反应速率，从而提高了反应转化率以及反应产物的选择性。
所述的助剂为硫酸低碳酯，优选所述的助剂选自硫酸乙酯、亚硫酸丙酯、硫酸丁酯和硫酸己酯中的一种或多种。更有选所述的助剂选自硫酸丁酯与硫酸己酯质量比为1：(0.5～2)的复配物。所述的助剂加入量为烯烃进料浓度的0.001～0.1质量％、优选0.01～0.05质量％。助剂可以单独加入反应器，也可以与液体酸混合后加入反应器。
本发明的烷基化反应方法，进一步包括，第n反应器出口得到的酸烃混合物在0.005～0.18MPa下使其中的部分碳四烷烃汽化并带走反应热；分离出的气相组分经压缩制冷得到冷剂异丁烷，剩余的酸烃混合物在分离器下部分成酸烃两相，分离出的酸相循环回到第一反应器的x反应区；分离出的烃相组分大部分与烷基化反应原料混合，小部分进入流出物精制单元，进一步脱除微小酸滴和酸酯。
在自汽化分离器正常控制液面以下设置反应酸相排出口，设在分离器底部，烃相排出口优选在液面中上部，经分离烃相采出线与酸烃粗分器连接。自汽化分离器下部酸相经循环酸泵，通过循环酸管线进入第一反应器的x反应区。
自汽化分离器的气体组分经压缩机压缩冷凝后并入反应进料预混器。自汽化上部有聚结内件提供丁烷气化以及反应产物与酸相分离场所，自汽化下部设置酸烃均相器使得装置稳定操作。
酸烃粗分器下部的酸相返回循环酸泵入口，最终进入烷基化反应单元。酸烃粗分器中上部经聚结烃相大部分经循环烃泵增压后与反应进料线连接，用于稀释反应原料并控制反应原料温度。酸烃粗分器顶部分离出的小部分烃相经一个或多个精密聚结器后送入脱异丁烷塔。脱异丁烷塔塔顶分出的气相异丁烷冷凝后作为循环异丁烷；塔中上部采出正丁烷；塔釜采出烷基化产物。
本发明依据液体酸催化异构烷烃与烯烃反应时烯烃反应快和氢转移反应慢的特点，在x、y反应区强化了烯烃初始反应时在酸烃乳液中的分散强度，在z反应区加快氢转移反应，加快了宏观上的烷基化反应速率，抑制烷基化副反应的进行，从而在保证反应后产品具有高辛烷值的前提下降低了进入物料中的异丁烷的循环量，降低装置的能耗，具有很强的工业实用性。
下面结合附图对本发明的装置和烷基化反应方法进行具体说明，但并不因此而限制本发明的内容。
实施例中含有烯烃的烷基化反应原料(即碳四液化气)采用MTBE醚后碳四烷烃混合气，混合原料中质量百分含量为：丙烷0.098％、异丁烷39.36％、正丁烷13.51％、异丁烯1.39％、1-丁烯14.70％、顺丁烯14.92％、反丁烯16.0％、戊烷0.022％。
实施例1
本实施例说明以浓硫酸为烷基化催化剂的烷基化方法和装置。
烷基化反应在串联的三个反应器中进行，设置示意图见图1。在第一反应器中设置x、y、z三个反应区：其中，x反应区内径40mm，静态扰流件采用Kenics型；y反应区内径25mm，静态扰流件采用SV型；z反应区内径100mm，静态扰流件采用SX型；在第二、第三反应器中均不设分割的反应区，内径为50mm。在介质温度2℃，循环酸流量为1.2m3/h条件下，x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、98μm、1558μm。
烷基化催化剂浓硫酸(浓度为98.5％，下同)和循环酸经循环酸泵打入第一反应器x反应区的的主流道，循环烃经循环烃泵返回到与烷基化反应原料、冷剂异丁烷、循环异丁烷返回原料混合器进行充分混合，烷烯摩尔配比为50:1，分别进入第一反应器的x反应区、第二反应器，第一反应器温度为2℃。混合物料在第一反应器1中x反应区和y反应区中共停留2秒使进料中的烯烃反应完全；z反应区反应停留反应1.5分钟，顺序经过第二、第三反应器，第三反应器流出物减压进入自气化分离器，自气化分离器中部分汽化的丁烷蒸发及时取走反应热。自气化分离器中分离出的大部分酸相打回第一反应器x反应区主流道。自气化分离器上部气相组分(主要为异丁烷)经压缩冷凝后作为循环异丁烷。控制分离器压力在0.025MPa左右，自气化分离器中分离出的烃相进入酸烃粗分器。酸烃粗分器下部的酸相返回到第一反应器的x反应区，酸烃粗分器中上部的大部分烃相返回到原料混合器。酸烃粗分器上部分离出的小部分烃相经进一步精密聚结后进入脱异丁烷塔，分别得到循环异丁烷、烷基化产物。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点195℃，RON值96.5、MON值93.1。
对比例1
本对比例说明一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
同实施例1，区别在于y反应区内径、扰流件不同。
y反应区内径40mm、静态扰流件采用Kenics型。
x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、275μm、1558μm，即x和y反应区采用相同的混合强度。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点198℃，RON值95.5、MON值92.2。
对比例2
本对比例说明一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
同实施例1，区别在于y反应区的混合强度小于x反应区的混合强度。
y反应区内径45mm，静态扰流件采用Kenics型，x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、325μm、1558μm。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点199℃，RON值95.0、MON值92.0。
对比例3
本对比例说明一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
同实施例1，区别在于z反应区不设置内扰流件。
x反应区、y反应区混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、98μm。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点198℃，RON值95.6、MON值92.3。
对比例4
本对比例说明一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
同实施例1，区别在于x反应区设置内扰流件、但混合强度大于x反应区的混合强度。
z反应区内径40mm，静态扰流件采用SX型，x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、98μm、210μm。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点197℃，RON值95.7、MON值92.5。
实施例2
本实施例提供的一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
烷基化反应在串联的三个反应器中进行，三个反应器之间呈N型设置，在三个反应器中均设置x、y、z三个反应区(反应器设置示意图见图2，反应系统示意图见图3)。
每个反应器的x反应区内径40mm，静态扰流件采用SK型；
每个反应器的y反应区内径25mm，静态扰流件采用东利Hi型；
每个反应器的z反应区内径100mm，静态扰流件采用SL型；
第一反应器入口温度-1.0℃，循环酸流量为1.2m3/h条件下，每一个反应器的x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为175μm、88μm、1228μm。
烷基化催化剂浓硫酸和循环酸经循环酸泵打入第一反应器的x反应区的主流道与反应原料混合，入口在-1.0℃，在第一反应器x、y反应区中酸烃相发生强烈混合作用，混合物料在x、y反应区中停留1.5秒使进料中的烯烃快速分散反应。反应后的物料进入z反应区，停留反应3.0分钟。顺序流经第二、第三反应器，从第三反应器的z反应区中反应流出物进入自汽化分离器，自汽化分离器中上部设置有聚结内件提供丁烷气化以及反应产物与酸相分离场所，反应流出物流经聚结填料时压力逐渐降低，部分异丁烷汽化及时取走反应热；自汽化分离器下部设置酸烃均相器使得装置稳定操作。自汽化分离器中分离出的大部分酸相由循环酸泵打回第一反应器的x反应区主流道。自汽化分离器上部排出的气相组分(主要为异丁烷)经压缩冷凝后作为冷剂异丁烷。控制分离器压力在0.02MPa左右，自汽化分离器中分离出的烃相进入酸烃粗分器。酸烃粗分器下部的酸相返回到第一反应器x反应区；酸烃粗分器中上部的大部分烃相作为循环烃返回到原料混合器；酸烃粗分器顶部分离出的一小部分烃相经进一步精密聚结后进入脱异丁烷塔，塔顶分出的气相异丁烷冷凝后返回反应原料混合器，塔中上部采出正丁烷，塔釜采出烷基化产物。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点189℃，RON值96.8，MON值93.4。
实施例3
本实施例提供以浓硫酸和三氟甲磺酸为烷基化催化剂的方法和装置。
本实施例同实施例2，即烷基化反应也在串联的三个反应器中进行，在三个反应器中均设置x、y、z三个反应区。区别在于，以浓硫酸和三氟甲磺酸为烷基化催化剂；
每个反应器的x反应区内径40mm、静态扰流件采用SV型；
每个反应器的y反应区内径30mm静态扰流件采用SV型；
每个反应器的z反应区内径100mm、静态扰流件采用SK型；
每一个反应器的x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为275μm、182μm、1367μm。
烷基化催化剂为浓硫酸和三氟甲磺酸(浓硫酸：三氟甲磺酸＝3:1)
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点196℃，RON值96.3，MON值93.0。
实施例4～6
实施例4～6同实施例2的混合反应器设置和反应参数，区别在于加入的催化剂助剂的种类不同。
本实施例同实施例2，即烷基化反应也在串联的三个反应器中进行，在三个反应器中均设置x、y、z三个反应区。
每个反应器的x反应区内径40mm、静态扰流件采用SK型；
每个反应器的y反应区内径25mm、静态扰流件采用东利Hi型；
每个反应器的z反应区内径100mm、静态扰流件采用SL型；
每一个反应器的x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为175μm、88μm、1228μm。
助剂分别为硫酸丁酯与硫酸己酯(质量比1:2)、硫酸丁酯与硫酸己酯(质量比1:1)、亚硫酸丙酯，助剂占烯烃进料浓度的0.025％。
实施例4～6得到的烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油性能见表1，表1中同时列出没有助剂参与的实施例2的烷基化油的性质。
表1
Figure BDA0001974597910000131
由表1可以看出，采用浓硫酸和硫酸丁酯与硫酸己酯(质量比1:1)复配物的反应结果优于浓硫酸和硫酸丁酯与硫酸己酯(质量比1:2)复配物，浓硫酸和硫酸丁酯与硫酸己酯(质量比1:2)复配物优于浓硫酸和亚硫酸丙酯助剂，浓硫酸和亚硫酸丙酯助剂优于不添加助剂的浓硫酸。
实施例7
本实施例提供的一种以浓硫酸为烷基化催化剂的方法和装置。
烷基化反应在串联的四个反应器中进行，四个反应器之间呈M型设置，在四个反应器中均设置x、y、z三个反应区。
每个反应器的x反应区内径40mm，静态扰流件采用SK型，；
每个反应器的y反应区内径25mm，静态扰流件采用东利Hi型，；
每个反应器的z反应区内径100mm，静态扰流件采用SL型；
在介质温度-1.0℃，循环酸流量为1.2m3/h条件下，每一个反应器的x反应区、y反应区、z反应区的混合强度以平均液滴直径考察，分别为175μm、88μm、1228μm。
烷基化催化剂浓硫酸和循环酸经循环酸泵打入第一反应器的x反应区的主流道与反应原料混合，反应温度控制在-1.0℃，在第一反应器x、y反应区中酸烃相发生强烈混合作用，混合物料在x、y反应区中停留1.5秒使进料中的烯烃快速分散反应。反应后的物料进入z反应区，停留反应3.0分钟，反应温度控制在-1℃。顺序流经第二、第三反应器、第四反应器，从第四反应器的z反应区中反应流出物进入自汽化分离器，自汽化分离器中上部设置有聚结内件提供丁烷气化以及反应产物与酸相分离场所，反应流出物流经聚结填料时压力逐渐降低，部分异丁烷汽化及时取走反应热，自汽化分离器下部设置酸烃均相器使得装置稳定操作。自汽化分离器中分离出的大部分酸相由循环酸泵打回第一反应器的x反应区主流道。分离器上部排出的气相组分(主要为异丁烷)经压缩冷凝后作为冷剂异丁烷。控制分离器压力在0.02MPa左右，分离器中分离出的烃相进入酸烃粗分器。酸烃粗分器下部的酸相返回到第一反应器x反应区，酸烃粗分器中上部的大部分烃相作为循环烃返回到原料混合器。酸烃粗分器顶部分离出的一小部分烃相经进一步精密聚结后进入脱异丁烷塔，塔顶分出的气相异丁烷冷凝后返回反应原料混合器，塔中上部采出正丁烷，塔釜采出烷基化产物。
烷基化反应产物经过蒸馏脱除碳四组分，获得的烷基化油干点188℃，RON值96.9，MON值93.5。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (26)

1.一种烷基化反应装置，其特征在于包括n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。
2.按照权利要求1的装置，其中，所述的n为2、3、4、5、6、7、8；优选的n为3、4、5、6；更优选的n为3或4，m＝2或3。
3.按照权利要求1的装置，其中,所述的设置有三个反应区的反应器，内径尺寸为z反应区＞x反应区＞y反应区。
4.按照权利要求1的装置，其中，所述的z反应区、x反应区和y反应区的内径比值，x:y:z＝(1.1～1.8)：1：(2～5)。
5.按照权利要求1的装置，其中，所述的x、y、z反应区中设置有内扰流件。
6.按照权利要求5的装置，其中，所述的内扰流件为静态扰流件或者动态扰流件。
7.按照权利要求6的装置，其中，所述的静态扰流件选自Kenics、SMX、SV、SMV、SH、SK、SX、SL、东利Hi型中的一种或者几种的组合。
8.按照权利要求1的装置，其中，所述的n个反应器之间为串联和/或并联。
9.按照权利要求1的装置，其中，n＝3时，m＝3或2，反应器呈N型串联排列；或者，n＝4时，m＝4或3或2，反应器呈M型串联排列。
10.一种烷基化反应系统，包括烷基化反应单元、压缩制冷单元、反应流出物精制单元、产品分馏单元，其特征在于，所述的烷基化反应单元包括进行烷基化反应的n个反应器，所述的n个反应器中，设置有3个反应区的反应器为包括第一反应器在内的m个反应器，以烷基化反应物料流向顺序，所述的3个反应区分别为x反应区、y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m。
11.按照权利要求10的反应系统，其中，反应原料与所述的压缩制冷单元得到冷剂异丁烷、产品分馏单元得到的循环异丁烷以及反应流出物精制单元得到的循环烃混合降温作为烷基化反应稀释原料；所述的反应流出物精制单元的流出物进行酸烃相初步分离出烃相，其中大部分作为循环烃；所述的产品分馏单元包括至少一个脱异丁烷塔，将反应流出物烃相中的异丁烷脱除，在脱异丁烷塔的塔顶、塔中上部、塔釜分别得到循环异丁烷、正丁烷和烷基化产物。
12.按照权利要求11的反应系统，其中，所述的流出物精制单元包括自汽化分离器和酸烃粗分器，所述的自汽化分离器，上部有聚结内件提供丁烷气化以及反应产物与酸相分离场所，下部设置酸烃均相器使得装置稳定操作；所述的酸烃粗分器进行酸烃相的初步分离，分离出的烃相大部分返回，小部分烃相在设定的一个或多个精密聚结器中进行进一步的聚结脱酸分离。
13.按照权利要求10的反应系统，还包括有烷基化反应原料预处理单元，对烷基化反应原料进行脱丁二烯、轻烃、含氧化合物和水的操作。
14.一种液体酸催化的烷基化反应方法，其特征在于异丁烷与C3-C5烯烃馏分的烷基化反应在n个反应器中进行，第一反应器入口温度为-10℃～20℃，在所述的n个反应器中有包括第一反应器在内的m个反应器均设置有三个反应区，为x反应区、y反应区、z反应区；烷基化反应稀释原料分配到所述的m个反应器中；在设置了三个反应区的m个反应器中，烷基化反应稀释原料从x反应区进入并顺序流经y反应区、z反应区，以混合强度计，y反应区＞x反应区＞z反应区，其中，n≥1且n≥m；反应物料在x反应区、y反应区停留0.01～10秒后进入反应区z停留0.1～15分钟。
15.按照权利要求14的反应方法，其中，所述的烷基化反应稀释原料由循环异丁烷、冷剂异丁烷、经预处理的反应原料、循环烃组成，其烷烯摩尔比为10～300:1、优选为30～150:1、更优选为40～100:1。
16.按照权利要求14或15的反应方法，其中，所述的烷基化反应稀释原料均等分配到所述的m个反应器中，或者按反应器中反应物流顺序依次减少。
17.按照权利要求14的反应方法，进一步包括，第n反应器出口得到的流出物经过自气化分离器中聚结内件减压至0.005～0.18MPa，使其中的部分碳四烷烃汽化并带走反应热；分离出的气相组分经压缩制冷得到冷剂异丁烷，剩余的酸烃混合物在自气化分离器下部分成酸烃两相，分离出的酸相循环回到第一反应器的x反应区，分离出的烃相的大部分进入原料混合器，小部分进入可选的精密聚结器，进一步脱除烃相中微小酸滴和酸酯；在脱异丁烷塔，将反应流出物烃相中的异丁烷脱除，在脱异丁烷塔的塔顶、塔中上部、塔釜分别得到循环异丁烷、正丁烷和烷基化产物。
18.按照权利要求14的方法，适用于异丁烷与碳四烯烃的烷基化反应。
19.按照权利要求14的方法，其中，所述的第一反应器入口温度为-3～10℃。
20.按照权利要求14的方法，其中，在x反应区和y反应区中，压降为0.05～0.5MPa、优选0.1～0.3MPa，在z反应区中，压降为0.001～0.1MPa、优选0.002～0.05MPa。
21.按照权利要求14的方法，其中，所说的液体酸为浓硫酸或以浓硫酸为主的混合酸。
22.按照权利要求14的方法，其中，所述的液体酸还包括助剂。
23.按照权利要求22的方法，其中，所述的助剂为硫酸低碳酯。
24.按照权利要求22的方法，其中，所述的助剂选自硫酸乙酯、亚硫酸丙酯、硫酸丁酯和硫酸己酯中的一种或多种。
25.按照权利要求24的方法，其中，所述的助剂选自硫酸丁酯与硫酸己酯质量比为1：(0.5～2)的复配物。
26.按照权利要求22的方法，其中，所述的助剂加入量为烯烃进料浓度的0.001～0.1质量％。
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