CN115430367A - 一种脱氢系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脱氢系统及方法。该系统包括：脱氢反应器、导热介质轴流泵和导热介质管路；导热介质管路包括输入管路、输出管路和介质流通管路，介质流通管路环绕设置于脱氢反应器，输入管路与导热介质轴流泵的出口连通，输出管路与介质流通管路的输出口连通；脱氢反应器内的列管中装载有脱氢催化剂和惰性金属导热材料。该方法包括：被加热后的反应物进入反应器，在催化剂作用下反应并吸收热量；导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流通管路的输入口，为脱氢反应器提供热量后，导热介质从介质流通管路的输出口进入输出管路；产物和氢气从反应器出口流出。本发明提供的脱氢系统及方法能够加强热量的导入，确保脱氢反应的正常进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱氢系统及方法，属于储氢介质脱氢技术领域。
背景技术
有机液态储氢技术(LOHC，Liquid Organic Hydrogen Carriers)将烯烃、炔烃或芳香烃等特定有机不饱和化合物(储油)与氢气在催化剂作用下发生可逆化学反应生成烷烃类化合物(氢油)来实现氢的储存和释放。储油和氢油在常温常压下均为液态，与以石油为基础的储运设施完全匹配，可大大降低氢气运输成本，并提高氢气储运的安全性，在一些场景下，可有效地破解当前氢能产业储运面临的难题，发展前景广阔。
液态有机氢化物中环己烷、甲基环己烷(Methylcyclohexane，MCH)、十氢化萘等环烷作为储氢介质的报道较为常见。甲基环己烷脱氢后的产物甲苯较环己烷脱氢产物苯对人体伤害相对要小得多，并且十氢化萘沸点(194.6℃，顺式；185℃，反式)较高，使用时需额外加入热量使其液化，且选择性相对较低。因此，甲基环己烷作为储氢介质相较于其他几种环烷更具优势。
甲基环己烷脱氢过程是液态储氢过程的一个重要环节，其反应为强吸热反应，反应较难进行。尤其是工业化过程的供热问题，尚需要解决。因甲基环己烷脱氢为强吸热反应，若不能及时供热，反应将停止进行，影响反应的转化率。所以需要快速地提供大量热量。尤其是在工业化装置中，以5000吨/年的甲基环己烷脱氢装置为例，控制热油的进出口温差为5℃，则需要3000m3/h的热油循环量。
因此，研发出一种新型的脱氢系统及方法，成为了本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种脱氢系统及方法。该脱氢系统及方法能够加强热量的导入，确保脱氢反应的正常进行。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种脱氢系统，其至少包括：脱氢反应器、导热介质轴流泵和导热介质管路；其中，所述导热介质管路包括输入管路、输出管路以及介质流通管路，所述介质流通管路环绕设置于所述脱氢反应器，所述输入管路的一端与所述介质流通管路的输入口连通，所述输入管路的另一端与导热介质轴流泵的出口连通，所述输出管路与所述介质流通管路的输出口连通；所述脱氢反应器内的列管中装载有脱氢催化剂和惰性金属导热材料；所述脱氢反应器的顶部设置有反应器进口，底部设置有反应器出口。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流通管路包括介质流入管路和介质流出管路，所述介质流通管路的输入口设置于所述介质流入管路，所述介质流通管路的输出口设置于所述介质流出管路。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流入管路的数量为1根或2根以上，当所述介质流入管路的数量为2根以上时，2根以上的介质流入管路在所述脱氢反应器的高度方向上分布。更优选地，当所述介质流入管路的数量为1根时，其环绕设置于所述脱氢反应器外部的下段；当所述介质流入管路的数量为2根以上时，其环绕设置于所述脱氢反应器外部的下段和中段。本发明的介质流入管路可以采用一段式环形管路或几段式环形管路。几段式环形管路的段数可以根据脱氢反应器的长度确定，分别设置于脱氢反应器的中段和下段，能够利于稳定反应器温度。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流出管路的数量为1根或2根以上。更优选地，所述介质流出管路环绕设置于所述脱氢反应器外部的上段。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流入管路设置1个或2个以上与所述输入管路连通的输入口。本领域技术人员应该理解，当所述介质流入管路的数量为2根以上时，每根介质流入管路均可以设置1个或2个以上与所述输入管路连通的输入口。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流出管路设置1个或2个以上与所述输出管路连通的输出口。本领域技术人员应该理解，当所述介质流入管路的数量为2根以上时，每根介质流出管路均可以设置1个或2个以上与所述输出管路连通的输出口。
在上述脱氢系统中，优选地，所述介质流通管路与所述脱氢反应器一体成型。更具体地，所述介质流入管路和所述介质流出管路与所述脱氢反应器一体成型。
在上述脱氢系统中，优选地，所述输入管路与所述介质流通管路的输入口连通的方式为法兰连接或焊接。
在上述脱氢系统中，优选地，所述输出管路与所述介质流通管路的输出口连通的方式为法兰连接或焊接。
根据本发明的具体实施方式，优选地，所述脱氢系统还可以进一步包括加热装置，所述输出管路的一端与所述介质流通管路的输出口连通，另一端连通于所述加热装置。
在上述脱氢系统中，优选地，所述脱氢反应器为圆柱状或长方体状，所述介质流通管路环绕设置于所述脱氢反应器，与所述脱氢反应器的形状相同或相近。
在上述脱氢系统中，优选地，被所述介质流通管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质入口和若干个导热介质出口。
在上述脱氢系统中，优选地，被所述介质流入管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质入口，以1根所述介质流入管路计，所述导热介质入口的数量为6～50个，它们围绕所述脱氢反应器的壳侧一周分布。本领域技术人员应当理解，当本发明的介质流入管路的数量为2根以上时，在被每根介质流入管路所环绕的脱氢反应器的壳侧上，均设置6～50个所述导热介质入口。在本发明中，导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流入管路的输入口，进入到脱氢反应器的外部环形空间中，然后通过脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质入口进入脱氢反应器，为脱氢反应器提供热量，这些导热介质入口起到分布器的作用，能够解决在工业化装置中因供热不及时造成的催化转化效率降低的问题。
在上述脱氢系统中，优选地，所述导热介质入口的形状为圆形和/或方形，更优选为圆形。本发明在被所述介质流入管路环绕的脱氢反应器的壳侧设置有圆形或者方形小孔，优选圆形小孔，作为导热介质的流入通道(即，导热介质入口)，为了保持各个小孔导热介质流量一致，各个孔道的尺寸不一致，具体大小与距离导热介质轴流泵出口的位置相关。更优选地，所述导热介质入口的直径为40mm～100mm。
在上述脱氢系统中，优选地，被所述介质流出管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质出口，以1根所述介质流出管路计，所述导热介质出口的数量为6～50个，它们围绕所述脱氢反应器的壳侧一周分布。本领域技术人员应当理解，当本发明的介质流出管路的数量为2根以上时，在被每根介质流出管路所环绕的脱氢反应器的壳侧上，均设置6～50个所述导热介质出口。在本发明中，导热介质自下向上为脱氢反应器列管提供热量后，先从脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质出口流出，汇集到脱氢反应器外部的环形空间中，这些导热介质出口起到分布器的作用，再通过介质流出管路的输出口进入输出管路。
在上述脱氢系统中，优选地，所述导热介质出口的形状为圆形和/或方形，更优选为圆形。更优选地，所述导热介质出口的直径为40mm～100mm。
在上述脱氢系统中，优选地，所述导热介质包括热油和/或热水等。
在上述脱氢系统中，优选地，所述惰性金属导热材料包括银、铜、铝和铁等中的一种或几种的组合。更优选地，所述惰性金属导热材料为球形，其粒径为0.2mm～2cm。本发明采用的惰性金属导热材料能够更好地导热。
在上述脱氢系统中，优选地，所述惰性金属导热材料与所述脱氢催化剂的质量比为(0.1～10)：1。所述的脱氢催化剂可以为脱氢技术中常规使用的脱氢催化剂。
在上述脱氢系统中，优选地，所述脱氢催化剂和所述惰性金属导热材料混合均匀后，装载于所述列管内；或者，在所述列管内，所述脱氢催化剂和所述惰性金属导热材料分层装配。在本发明中，脱氢催化剂可以通过加入惰性金属导热材料的方式稀释，并装入到反应器的列管中；而且惰性金属导热材料不仅可以和催化剂掺混，也可以与催化剂分层装载于列管内。
本发明第二方面提供了一种脱氢方法，其采用上述的脱氢系统进行，所述方法包括以下步骤：
(1)被加热后的脱氢反应物从脱氢反应器顶部的反应器进口进入到脱氢反应器中，在脱氢催化剂的作用下进行脱氢反应，同时吸收大量的热量；
(2)导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流通管路的输入口，为脱氢反应器提供热量后，导热介质从介质流通管路的输出口进入输出管路；
(3)脱氢后的产物和氢气从脱氢反应器底部的反应器出口流出。
根据本发明的具体实施方式，优选地，所述脱氢方法包括以下步骤：
(1)被加热后的脱氢反应物从脱氢反应器顶部的反应器进口进入到脱氢反应器中，在脱氢催化剂的作用下进行脱氢反应，同时吸收大量的热量；
(2)导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流入管路的输入口，然后通过脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质入口进入脱氢反应器，为脱氢反应器提供热量后，导热介质从脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质出口流出，再通过介质流出管路的输出口进入输出管路；
(3)脱氢后的产物和氢气从脱氢反应器底部的反应器出口流出。
根据本发明的具体实施方式，优选地，上述脱氢方法还包括以下步骤：将从输出管路流出的导热介质送至加热装置进行加热。
在上述方法中，优选地，所述被加热后的脱氢反应物包括被加热后的甲基环己烷。更优选地，所述被加热后的甲基环己烷的温度为300-380℃。更优选地，所述脱氢反应的反应压力为0.2～1.0MPaG。
本发明提供了一种脱氢系统及方法。该系统在连续的工业化装置中，将脱氢反应器、导热介质轴流泵和导热介质管路集成为一体，更高效地为反应器提供了热量，解决了在工业化装置中因供热不及时造成的催化转化效率降低的问题。并且，本发明的介质流通管路采用环管的方式围绕在脱氢反应器周围，并通过在脱氢反应器壳侧开设不同大小孔道的方式保持各个导热介质入口的导热介质流量一致，能够稳定地为反应器提供热源。同时，本发明通过在脱氢反应器的列管中加入惰性金属导热材料，和只加入普通的惰性非金属材料相比，加强了热量的传导。以上这些改进均能够加强热量的导入，确保脱氢反应的正常进行，减少了因剧烈吸热后床层降低导致不能反应完全而加入过量催化剂的投资。
附图说明
图1为实施例1提供的脱氢系统的剖面结构示意图。
图2为实施例1提供的系统中的介质流通管路与脱氢反应器的结构关系示意图。
主要组件符号说明：脱氢反应器1，导热介质轴流泵2，输入管路3，输出管路4，第一介质流入管路5，第一输入口6，第二介质流入管路7，第二输入口8，介质流出管路9，输出口10，反应器进口11，反应器出口12。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种脱氢系统，如图1和图2所示，其包括：脱氢反应器1、导热介质轴流泵2和导热介质管路；
其中，所述导热介质管路包括输入管路3、输出管路4以及介质流通管路；
所述介质流通管路包括介质流入管路和介质流出管路9，所述介质流入管路包括第一介质流入管路5和第二介质流入管路7，所述第一介质流入管路5、第二介质流入管路7和介质流出管路9均环绕设置于所述脱氢反应器1，并且，所述第一介质流入管路5环绕设置于所述脱氢反应器1外部的下段，所述第二介质流入管路7环绕设置于所述脱氢反应器1外部的中段，所述介质流出管路9环绕设置于所述脱氢反应器1外部的上段，所述脱氢反应器1分别和所述第一介质流入管路5、所述第二介质流入管路7、所述介质流出管路9之间形成环形空间；所述第一介质流入管路5、所述第二介质流入管路7、所述介质流出管路9和所述脱氢反应器1一体成型；
所述第一介质流入管路5上设置有第一输入口6，所述第二介质流入管路7上设置有第二输入口8，所述介质流出管路9上设置有输出口10；
所述导热介质轴流泵2的出口通过所述输入管路3焊接于所述第一介质流入管路5上的第一输入口6和所述第二介质流入管路7上的第二输入口8；
所述输出管路4焊接于所述介质流出管路9上的输出口10；
本实施例的脱氢反应器1、导热介质轴流泵2、输入管路3、输出管路4、第一介质流入管路5、第二介质流入管路7和介质流出管路9集成一体；
被所述第一介质流入管路5环绕的脱氢反应器1的壳侧设置有16个导热介质入口，它们围绕所述脱氢反应器1的壳侧一周分布；被所述第二介质流入管路7环绕的脱氢反应器1的壳侧设置有16个导热介质入口，它们围绕所述脱氢反应器1的壳侧一周分布；被所述介质流出管路9环绕的脱氢反应器1的壳侧设置有16个导热介质出口，它们围绕所述脱氢反应器1的壳侧一周分布；所述导热介质入口的形状均为圆形，其直径为50mm～80mm不等，以使每个导热介质入口的导热介质流量一致；所述导热介质出口的形状均为圆形，其直径为50mm～80mm不等；
所述脱氢反应器1为圆柱状，所述第一介质流入管路5、第二介质流入管路7和介质流出管路9分别环绕设置于所述脱氢反应器1，与所述脱氢反应器1的形状相同或相近；
所述导热介质包括热油和/或热水等；
所述脱氢反应器1内的列管中装载有脱氢催化剂和惰性金属导热材料，所述脱氢反应器的顶部设置有反应器进口11，底部设置有反应器出口12；
所述惰性金属导热材料为直径为3mm的钢球；所述惰性金属导热材料与所述脱氢催化剂的质量比为2：1；所述的脱氢催化剂为脱氢技术中常规使用的脱氢催化剂；所述脱氢催化剂和所述惰性金属导热材料混合均匀后，装载于所述列管内。
本实施例的脱氢系统还可以进一步包括加热装置，所述输出管路4的一端焊接于所述介质流出管路9上的输出口10，另一端连通于所述加热装置。
实施例2
本实施例提供了一种甲基环己烷脱氢的方法，该方法采用实施例1提供的脱氢系统进行，该方法包括以下步骤：
(1)被加热到350℃的甲基环己烷从脱氢反应器1顶部的反应器进口11进入到脱氢反应器1中，进料量为520kg/h，在脱氢催化剂的作用下进行脱氢反应，同时吸收大量的热量；
(2)从外界来的热油送至导热介质轴流泵2的进口，导热介质轴流泵2将导热油通过输入管路3分别送至第一介质流入管路5上的第一输入口6以及第二介质流入管路7上的第二输入口8，导热介质轴流泵2的流量为120m3/h，导热油进入脱氢反应器1外部的环形空间中，然后通过脱氢反应器1壳侧上开设的导热介质入口进入脱氢反应器1，每个导热介质入口的导热油流量均为7.5m3/h；导热油自下向上为脱氢反应器1提供热量后形成冷油，先从脱氢反应器1壳侧上开设的导热介质出口流出，汇集到脱氢反应器1外部的环形空间中，再通过介质流出管路9上的输出口10进入输出管路4，冷油通过输出管路4送至加热装置进行加热；
(3)脱氢后的产物和氢气从脱氢反应器1底部的反应器出口12流出。
在本实施例中，以处理200吨/年的甲基环己烷脱氢设备为例，甲基环己烷的进料量为520kg/h，控制导热油轴流泵2的热油的进出口温差为5℃，导热油的循环量为120m3/h，惰性金属导热材料与脱氢催化剂的质量比为2：1。催化剂床层在离顶部1m处由入口时的350℃降低至320℃，且反应器出口转化率稳定在99％以上。
对比例1
本对比例提供了一种甲基环己烷脱氢的方法，其与实施例2基本相同，不同之处在于：所述脱氢反应器1内的列管中装载有脱氢催化剂和非金属惰性材料Al2O3瓷球，非金属惰性材料Al2O3瓷球和脱氢催化剂的质量比为2：1。
在不采用本发明的惰性金属导热材料情况下，加入非金属惰性材料，催化剂床层在离顶部1m处由入口时的350℃降低至250℃，反应转化率不稳定。
Claims (10)
1.一种脱氢系统，其特征在于，包括：脱氢反应器、导热介质轴流泵和导热介质管路；其中，所述导热介质管路包括输入管路、输出管路以及介质流通管路，所述介质流通管路环绕设置于所述脱氢反应器，所述输入管路的一端与所述介质流通管路的输入口连通，所述输入管路的另一端与导热介质轴流泵的出口连通，所述输出管路与所述介质流通管路的输出口连通；所述脱氢反应器内的列管中装载有脱氢催化剂和惰性金属导热材料；所述脱氢反应器的顶部设置有反应器进口，底部设置有反应器出口。
2.根据权利要求1所述的脱氢系统，其中，所述介质流通管路包括介质流入管路和介质流出管路，所述介质流通管路的输入口设置于所述介质流入管路，所述介质流通管路的输出口设置于所述介质流出管路；
优选地，所述介质流入管路的数量为1根或2根以上，当所述介质流入管路的数量为2根以上时，2根以上的介质流入管路在所述脱氢反应器的高度方向上分布；
优选地，所述介质流出管路的数量为1根或2根以上。
3.根据权利要求2所述的脱氢系统，其中，所述介质流入管路设置1个或2个以上与所述输入管路连通的输入口；
优选地，所述介质流出管路设置1个或2个以上与所述输出管路连通的输出口。
4.根据权利要求1所述的脱氢系统，其中，所述介质流通管路与所述脱氢反应器一体成型；
优选地，所述输入管路与所述介质流通管路的输入口连通的方式为法兰连接或焊接；
优选地，所述输出管路与所述介质流通管路的输出口连通的方式为法兰连接或焊接。
5.根据权利要求1所述的脱氢系统，其中，所述脱氢反应器为圆柱状或长方体状，所述介质流通管路环绕设置于所述脱氢反应器，与所述脱氢反应器的形状相同或相近。
6.根据权利要求1所述的脱氢系统，其中，被所述介质流通管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质入口和若干个导热介质出口。
7.根据权利要求2或6所述的脱氢系统，其中，被所述介质流入管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质入口，以1根所述介质流入管路计，所述导热介质入口的数量为6～50个，它们围绕所述脱氢反应器的壳侧一周分布；
优选地，所述导热介质入口的形状为圆形和/或方形，更优选为圆形；
优选地，所述导热介质入口的直径为40mm～100mm；
优选地，被所述介质流出管路环绕的所述脱氢反应器的壳侧设置有若干个导热介质出口，以1根所述介质流出管路计，所述导热介质出口的数量为6～50个，它们围绕所述脱氢反应器的壳侧一周分布；
优选地，所述导热介质出口的形状为圆形和/或方形，更优选为圆形；
优选地，所述导热介质出口的直径为40mm～100mm。
8.根据权利要求1所述的脱氢系统，其中，所述惰性金属导热材料包括银、铜、铝和铁中的一种或几种的组合；优选地，所述惰性金属导热材料为球形，其粒径为0.2mm～2cm；
优选地，所述惰性金属导热材料与所述脱氢催化剂的质量比为(0.1～10)：1；
优选地，所述脱氢催化剂和所述惰性金属导热材料混合均匀后，装载于所述列管内；或者，在所述列管内，所述脱氢催化剂和所述惰性金属导热材料分层装配。
9.一种脱氢方法，其采用权利要求1-8中任一项所述的脱氢系统进行，其中，所述方法包括以下步骤：
(1)被加热后的脱氢反应物从脱氢反应器顶部的反应器进口进入到脱氢反应器中，在脱氢催化剂的作用下进行脱氢反应，同时吸收大量的热量；
(2)导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流通管路的输入口，为脱氢反应器提供热量后，导热介质从介质流通管路的输出口进入输出管路；
(3)脱氢后的产物和氢气从脱氢反应器底部的反应器出口流出；
优选地，所述方法包括以下步骤：
(1)被加热后的脱氢反应物从脱氢反应器顶部的反应器进口进入到脱氢反应器中，在脱氢催化剂的作用下进行脱氢反应，同时吸收大量的热量；
(2)导热介质轴流泵将导热介质通过输入管路送至介质流入管路的输入口，然后通过脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质入口进入脱氢反应器，为脱氢反应器提供热量后，导热介质从脱氢反应器壳侧上开设的若干个导热介质出口流出，再通过介质流出管路的输出口进入输出管路；
(3)脱氢后的产物和氢气从脱氢反应器底部的反应器出口流出。
10.根据权利要求9所述的脱氢方法，其中，所述被加热后的脱氢反应物包括被加热后的甲基环己烷；
优选地，所述被加热后的甲基环己烷的温度为300-380℃；
优选地，所述脱氢反应的反应压力为0.2～1.0MPaG。
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