CN117695948A - 一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法，通过在列管式固定床反应器内设置独立的气体预热管和催化剂装填管，利用合成气制备烯烃反应产生的热量将合成气预热到反应温度，避免高温气流的通入，减少对催化剂的影响；通过在催化剂装填管内壁设置螺旋状翅片，以减少内壁表面的气体边界层厚度，强化换热介质的热传导；并在催化剂装填管的中部装填金属规整填料，可避免出现中部催化剂飞温，控制难度大的劣势；通过在气体预热管内装填金属规整填料和吸附剂，以使合成气成分均匀，增强换热效果，增加催化剂的寿命。通过上述设置，最终实现催化剂装填管的出口和入口间的温差不超过5℃，有效提升催化剂的稳定性，增加其寿命，降低反应成本。
Description
技术领域
本发明涉及化工反应装备制造技术领域，尤其涉及一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法。
背景技术
合成气一步法制备烯烃是一种新兴的催化过程，可以利用煤、天然气、生物质和柴油等原料，生成合成气，再通过多功能催化剂一步生成烯烃。该流程比传统的合成气制备甲醇，甲醇再制备烯烃的流程大大简化，具有设备数量少，投资低，排放少的优点。然而，合成气一步法制备烯烃，相当于把两个强放热反应(合成气制备甲醇，甲醇再制备烯烃)合并在一个反应器中进行，这导致反应器工程移热的挑战急剧增加。而合成气制备烯烃是一个催化剂结构与成分非常敏感的反应，只要温度超温，会导致催化剂性能下降，以及产品选择性显著变化。
另外，进料气体常常处于温度较低的状态，一般需要换热来升温，但反应过程中又需要撤热控温。总体上也是不太合理的。
虽然多段绝热式反应器结合段间气体冷激的形式，也可以有效控制反应器的最高热点温度，但同时温度差也会导致催化剂产生热应力，从而容易粉碎。目前，还没有关于合成气制备烯烃的等温反应器的报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种将合成气制备烯烃的反应装置，所述装置为列管式固定床反应器，所述列管式固定床反应器包括：分隔板，所述分隔板设置于所述列管式固定床反应器的上下两端，并将所述列管式固定床反应器内部分隔形成上封头区域、中部区域以及下封头区域；
气体预热管，所述气体预热管贯穿所述下封头区域，并沿轴向设置于所述中部区域的中间；
若干催化剂装填管，沿轴向均匀分布在所述中部区域的气体预热管的两侧及周边；
壳程，位于所述中部区域的若干所述催化剂装填管周边，作为换热介质通道；
其中，所述上封头区域，与所述气体预热管的气体出口，以及若干所述催化剂装填管的入口连通，以引导气流均匀进入催化剂装填管；
所述下封头区域，与若干所述催化剂装填管的出口连通，以收集产品气体。
可选地，所述气体预热管内填充有体积比为8-9：1-2的金属规整填料与吸附剂，以使合成气成分均匀，并除去其中的液体；
所述吸附剂位于所述气体预热管的顶部。
可选地，所述催化剂装填管中部填充有金属规整填料，以强化反应气体分配，并分散管内的热量；
所述催化剂装填管的上端和下端填充有催化剂，以使流经催化剂装填管的合成气催化转化为烯烃；
所述催化剂与所述金属规整填料的体积比为70-85：15-30。
可选地，所述催化剂装填管内壁设置有螺旋状翅片，用于减少所述内壁表面的气体边界层厚度，以强化换热介质的热传导。
可选地，所述螺旋状翅片的表面积占所述催化剂装填管的5-10％。
可选地，所述气体预热管的底端为气体入口；所述下封头区域的底部设置有产品气体出口。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种将合成气制备烯烃的方法，应用于上述任一项所述的装置，包括：
惰性气体经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，将催化剂加热至400-450℃，再将氢气经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，对催化剂进行还原3-6h；
将预热到200-280℃的合成气经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，在催化剂的作用下，使合成气直接发生反应，获得含有烃、水和CO2的产品气体，反应放出的热量将催化剂装填管加热至320-360℃；所述产品气体在下封头区域汇集，经下封头区域的产品气体出口排出；
所述将合成气制备烯烃的过程中，将换热介质通入壳程内，在其中循环流通，以控制催化剂装填管的温度保持在320-360℃。
可选地，所述催化剂装填管的入口与出口的温差小于5℃，管程压力为2-6MPa，管程压降为0.03-0.05MPa。
可选地，所述催化剂为铁基、钴基、氧化镓与分子筛型、氧化铬与分子筛型和锌铁尖晶石型催化剂中的任一种。
可选地，所述换热介质为饱和水蒸汽、丙酮、乙醇、水中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本申请实施例提供的一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法，通过在列管式固定床反应器内设置独立的气体预热管和催化剂装填管，利用催化剂装填管中合成气制备烯烃反应产生的热量，通过换热介质将自气体预热管通入的合成气加热到反应温度，避免高温气流的通入，减少了对催化剂性能的影响；并严格控制催化剂装填管内的温度，确保其入口与出口的温差控制在5℃以下，进一步减小温度对催化剂性能的影响，提升了催化剂的稳定性，显著提高了催化剂的寿命。此外，避免了设置加压用的预热器，减少了密封环节，可以减少制造成本3-5％和维修成本3-5％。
(2)在列管式固定床中心设置填充有金属规整填料和吸附剂的气体预热管，能使合成气成分均匀，增强换热效果，还能完全避免合成气中夹带的液态物质，并避免液态物质对催化剂的冲击(包括温度差导致的热冲击，局部瞬间汽化的机械冲击，以及大量液体直接导致的催化剂板结)。该设置能延长催化剂寿命10-20％。
(3)在催化剂装填管的中部填充有金属规整填料，将上端和下端的催化剂装填段分隔，可以有效避免全部催化剂装填时出现的中部催化剂飞温，控制难度大的劣势，可以有效保护催化剂内部的温度不超温，延长催化剂寿命10-20％。
(4)针对合成气制备烯烃反应的强放热过程，在催化剂装填管内壁设置螺旋状翅片，可以显著提高换热系数，避免管壁温度比催化剂低很多而形成热应力，对催化剂造成损害，可以延长催化剂寿命3-5％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的将合成气制备烯烃的反应装置结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的将合成气制备烯烃的方法流程图。
附图标记说明：
1-分隔板，2-上封头区域，3-中部区域，4-下封头区域，5-气体预热管，6-催化剂装填管，7-壳程，8-气体入口，9-产品气体出口，10-填料段，11-吸附剂段，12-换热介质入口，13-换热介质出口，14-壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。以及，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于现有技术用合成气制备烯烃时，反应放热剧烈，反应体系内温度急剧升高，导致催化剂的催化性能下降，产品选择性发生显著变化，而合成气在反应时需要换热升温，两者对温度的需求相矛盾。此外，催化剂区的温度差也会损坏催化剂。因此，亟需一种换热效率高、能实现催化剂反应区等温的反应器。本发明实施例提供了一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法，通过在列管式固定床反应器内设置独立的气体预热管5和催化剂装填管6，利用合成气制备烯烃反应产生的热量将合成气预热到反应温度，避免直接通入高温的合成气，减少对催化剂的影响；通过在催化剂装填管6内壁设置螺旋状翅片，并在催化剂装填管6和气体预热管5内装填金属规整填料，以强化换热效率，最终实现催化剂装填管6的出口和入口之间的温差不超过5℃，有效提升了催化剂的稳定性，增加了催化剂的寿命。具体的实施方式如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种将合成气制备烯烃的反应装置，所述反应装置的结构示意图如图1所示，该装置为列管式固定床反应器，所述列管式固定床反应器包括：
分隔板1，所述分隔板1设置于所述列管式固定床反应器的上下两端，并将所述列管式固定床反应器内部分隔形成上封头区域2、中部区域3以及下封头区域4；
气体预热管5，所述气体预热管5贯穿所述下封头区域4，并沿轴向设置于所述中部区域3的中间；所述气体预热管5内从下至上分别填充有体积比为8-9：1-2的金属规整填料与吸附剂，以使合成气成分均匀，并除去其中的液体；所述吸附剂位于所述气体预热管5顶部的吸附剂段11；所述吸附剂为碳材质、氧化铝材质、分子筛材质中的任一种；
若干催化剂装填管6，沿轴向均匀分布在所述中部区域3的气体预热管5的两侧及周边，所述催化剂装填管6的内部空间为管程，所述催化剂装填管6内的填料段10填充有金属规整填料，以强化反应气体分配，并分散管内的热量；所述催化剂装填管6的上端和下端填充有催化剂，以使流经催化剂装填管6的合成气催化转化为烯烃；所述催化剂与所述金属规整填料的体积比为70-85：15-30；所述催化剂装填管6内壁设置有螺旋状翅片，用于减少所述内壁表面的气体边界层厚度，以强化换热介质的热传导；所述螺旋状翅片的表面积占所述催化剂装填管6的5-10％；
壳程7，在壳体14的内部空间中，位于所述中部区域3的若干所述催化剂装填管6和气体预热管5周边，作为换热介质通道；
其中，所述上封头区域2，与所述气体预热管5的气体出口，以及若干所述催化剂装填管6的入口连通，以引导气流均匀进入催化剂装填管6；
所述下封头区域4，与若干所述催化剂装填管6的出口连通，以收集产品气体；所述气体预热管5的底端为气体入口8；所述下封头区域4的底部设置有产品气体出口9。
第二方面，本发明提供了一种将合成气制备烯烃的方法，图2示出了本发明实施例提供的将合成气制备烯烃的方法流程图，如图2所示，包括：
S1、惰性气体经气体预热管5的气体入口8、气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，将催化剂加热至400-450℃，再将氢气经气体预热管5的气体入口8、气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，对催化剂进行还原3-6h。
具体实施时，先将惰性气体气体预热管5的气体入口8、气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，对催化剂加热至400-450℃，然后将氢气经气体预热管5的气体入口8、气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，对催化剂进行还原3-6h。
S2、将预热到200-280℃的合成气经气体预热管5的气体入口8、气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，在催化剂的作用下，使合成气直接发生反应，获得含有烃、水和CO2的产品气体，反应放出的热量将催化剂装填管6加热至320-360℃；所述产品气体在下封头区域4汇集，经下封头区域4的产品气体出口9排出；
所述将合成气制备烯烃的过程中，将换热介质通入壳程7内，在其中循环流通，以控制催化剂装填管6的温度保持在320-360℃。
具体实施时，将预热到200-280℃的合成气经气体预热管5的气体入口8通入气体预热管5中，在壳程内的换热介质作用下，将合成气进一步加热到反应温度320-360℃，然后合成气经气体预热管5和上封头区域2通入催化剂装填管6中，管程压力为2-6MPa，管程压降为0.03-0.05MPa，在催化剂的作用下，使合成气直接发生反应，获得含有烃、水和CO2的产品气体，反应放出的热量将催化剂装填管6加热至320-360℃，并将经气体预热管5的气体入口8通入的预热到200-280℃的合成气进一步升温至反应温度；所述产品气体在下封头区域4汇集，经下封头区域4的产品气体出口9排出。所使用的催化剂为铁基、钴基、氧化镓与分子筛型、氧化铬与分子筛型和锌铁尖晶石型催化剂中的任一种。在将合成气制备烯烃的过程中，将换热介质经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内，进行循环流通，以控制催化剂装填管6的温度保持在320-360℃，并确保合成气保持在反应温度，使反应顺利进行，由此有效加强了换热效果，使得催化剂装填管6内的放热与撤热性能平衡，催化剂装填管6的入口和出口的温差小于5℃，近于等温，解决了反应器的催化剂装填管温度梯度大的问题，提升了催化剂的寿命，显著降低了催化剂单耗。所使用的换热介质为饱和水蒸汽、丙酮、乙醇、水中的一种或多种，最终通过换热介质出口13排出。
本申请提供的一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法，通过在列管式固定床反应器内设置独立的气体预热管5和催化剂装填管6，利用合成气制备烯烃反应产生的热量将合成气加热到反应温度，使得反应的热点温度较快降低，不会对催化剂的性能造成影响，且不需再设置加压用的预热器；通过在催化剂装填管6内壁设置螺旋状翅片，并在催化剂装填管6和气体预热管5内装填金属规整填料，以强化换热效率，最终实现催化剂装填管6的出口和入口之间的温差不超过5℃，有效提升了催化剂的稳定性，增加了催化剂的寿命，降低了反应成本。
为使本领域技术人员更加清楚地理解本发明，现通过以下实施例对本发明所述的一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法进行详细说明。
实施例1
采用图1所示的列管式固定床反应器，将气体预热管5、催化剂装填管6(管内壁设置螺旋状翅片，翅片表面积占管内表面积的5％)、分隔板1和壳体14进行焊接，形成独立的可装催化剂、吸附剂和金属规整填料的气体预热管5、催化剂装填管6和通换热介质的壳程7区域。使气体进入气体预热管5的方向、气体与催化剂的接触走向相反，将气体预热管5的气体入口8与产品气体出口9设置在装置下封头区域4的同一侧。
在气体预热管5中装填金属规整填料(体积占比80％，填料段的空隙率为80％)；在气体预热管5中的吸附剂段11装填吸附剂(体积占比20％，碳材质，其孔容在1.0ml/g,吸附剂段的空隙率为40％)；在催化剂装填管6中装填催化剂(钴基催化剂，体积占比70％)；在催化剂装填管6的填料段10装填金属规整填料(体积占比30％)。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入惰性气体(氮气)，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6，并逐渐使催化剂区升温到400-450℃。然后通入H2，将催化剂还原3-6小时。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入预热到200℃的合成气，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6中，控制管程的操作压力为4MPa下，管程压降为0.04MPa，使合成气和催化剂进行反应，生成烃类(以烯烃为主)、水和CO2等产物，反应放出大量的热量，使催化剂区域的温度达到320℃。
在合成气制备烯烃的反应过程中，将换热介质(饱和水蒸气)经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内循环流通，进行换热，使催化剂装填管6内的温度恒定在320℃，催化剂装填管6的入口与出口间的温差小于5℃。最后，换热介质从换热介质出口13出装置。
产品气体从催化剂装填管6出来，到达下封头区域4汇合后，从产品气体出口9出反应装置。
实施例2
采用图1所示的列管式固定床反应器，将气体预热管5、催化剂装填管6(管内壁设置螺旋状翅片，翅片表面积占管内表面积的10％)、分隔板1和壳体14进行焊接，形成独立的可装催化剂、吸附剂和金属规整填料的气体预热管5、催化剂装填管6和通换热介质的壳程7区域。使气体进入气体预热管5的方向、气体与催化剂的接触走向相反，将气体预热管5的气体入口8与产品气体出口9设置在装置下封头区域4的同一侧。
在气体预热管5中装填金属规整填料(体积占比90％，填料段的空隙率为70％)；在气体预热管5中的吸附剂段11装填吸附剂(体积占比10％，分子筛材质，其孔容在1.2ml/g,吸附剂段的空隙率为60％)；在催化剂装填管6中装填催化剂(铁基催化剂，体积占比82％)；在催化剂装填管6的填料段10装填金属规整填料(体积占比18％)。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入惰性气体(氮气)，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6，并逐渐使催化剂区升温到450℃。然后通入H2，将催化剂还原5小时。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入预热到300℃的合成气，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6中，控制管程的操作压力为2MPa下，管程压降为0.03MPa，使合成气和催化剂进行反应，生成烃类(以烯烃为主)、水和CO2等产物，反应放出大量的热量，使催化剂区域的温度达到340℃。
在合成气制备烯烃的反应过程中，将换热介质(饱和水蒸气)经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内循环流通，进行换热，使催化剂装填管6内的温度恒定在340℃，催化剂装填管6的入口与出口间的温差小于5℃。最后，换热介质从换热介质出口13出装置。
产品气体从催化剂装填管6出来，到达下封头区域4汇合后，从产品气体出口9出反应装置。
实施例3
采用图1所示的列管式固定床反应器，将气体预热管5、催化剂装填管6(管内壁设置螺旋状翅片，翅片表面积占管内表面积的6％)、分隔板1和壳体14进行焊接，形成独立的可装催化剂、吸附剂和金属规整填料的气体预热管5、催化剂装填管6和通换热介质的壳程7区域。使气体进入气体预热管5的方向、气体与催化剂的接触走向相反，将气体预热管5的气体入口8与产品气体出口9设置在装置下封头区域4的同一侧。
在气体预热管5中装填金属规整填料(体积占比86％，填料段的空隙率为80％)；在气体预热管5中的吸附剂段11装填吸附剂(体积占比14％，氧化铝材质，其孔容在0.5ml/g,吸附剂段的空隙率为70％)；在催化剂装填管6中装填催化剂(氧化镓与分子筛型催化剂，体积占比85％)；在催化剂装填管6的填料段10装填金属规整填料(体积占比15％)。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入惰性气体(氮气)，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6，并逐渐使催化剂区升温到450℃。然后通入H2，将催化剂还原6小时。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入预热到240℃的合成气，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6中，控制管程的操作压力为6MPa下，管程压降为0.05MPa，使合成气和催化剂进行反应，生成烃类(以烯烃为主)、水和CO2等产物，反应放出大量的热量，使催化剂区域的温度达到360℃。
在合成气制备烯烃的反应过程中，将换热介质(丙酮)经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内循环流通，进行换热，使催化剂装填管6内的温度恒定在360℃，催化剂装填管6的入口与出口间的温差小于5℃。最后，换热介质从换热介质出口13出装置。
产品气体从催化剂装填管6出来，到达下封头区域4汇合后，从产品气体出口9出反应装置。
实施例4
采用图1所示的列管式固定床反应器，将气体预热管5、催化剂装填管6(管内壁设置螺旋状翅片，翅片表面积占管内表面积的8％)、分隔板1和壳体14进行焊接，形成独立的可装催化剂、吸附剂和金属规整填料的气体预热管5、催化剂装填管6和通换热介质的壳程7区域。使气体进入气体预热管5的方向、气体与催化剂的接触走向相反，将气体入口8与产品气体出口9设置在装置下封头区域4的同一侧。
在气体预热管5中装填金属规整填料(体积占比85％，填料段的空隙率为80％)；在气体预热管5中的吸附剂段11装填吸附剂(体积占比15％，碳材质，其孔容在1.5ml/g,吸附剂段的空隙率为70％)；在催化剂装填管6中装填催化剂(氧化铬与分子筛型催化剂，体积占比70％)；在催化剂装填管6的填料段10装填金属规整填料(体积占比30％)。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入惰性气体(氮气)，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6，并逐渐使催化剂区升温到400℃。然后通入H2，将催化剂还原3小时。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入预热到250℃的合成气，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6中，控制管程的操作压力为5MPa下，管程压降为0.04MPa，使合成气和催化剂进行反应，生成烃类(以烯烃为主)、水和CO2等产物，反应放出大量的热量，使催化剂区域的温度达到350℃。
在合成气制备烯烃的反应过程中，将换热介质(乙醇)经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内循环流通，进行换热，使催化剂装填管6内的温度恒定在350℃，催化剂装填管6的入口与出口间的温差小于5℃。最后，换热介质从换热介质出口13出装置。
产品气体从催化剂装填管6出来，到达下封头区域4汇合后，从产品气体出口9出反应装置。
实施例5
采用图1所示的列管式固定床反应器，将气体预热管5、催化剂装填管6(管内壁设置螺旋状翅片，翅片表面积占管内表面积的7％)、分隔板1和壳体14进行焊接，形成独立的可装催化剂、吸附剂和金属规整填料的气体预热管5、催化剂装填管6和通换热介质的壳程7区域。使气体进入气体预热管5的方向、气体与催化剂的接触走向相反，将气体入口8与产品气体出口9设置在装置下封头区域4的同一侧。
在气体预热管5中装填金属规整填料(体积占比84％，填料段的空隙率为80％)；在气体预热管5中的吸附剂段11装填吸附剂(体积占比16％，碳材质，其孔容在1.1ml/g,吸附剂段的空隙率为65％)；在催化剂装填管6中装填催化剂(锌铁尖晶石型催化剂，体积占比80％)；在催化剂装填管6的填料段10装填金属规整填料(体积占比20％)。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入惰性气体(氮气)，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6，并逐渐使催化剂区升温到420℃。然后通入H2，将催化剂还原4小时。
从气体预热管5的气体入口8向反应器通入预热到200℃的合成气，经气体预热管5和上封头区域2进入催化剂装填管6中，控制管程的操作压力为3MPa下，管程压降为0.05MPa，使合成气和催化剂进行反应，生成烃类(以烯烃为主)、水和CO2等产物，反应放出大量的热量，使催化剂区域的温度达到330℃。
在合成气制备烯烃的反应过程中，将换热介质(水)经换热介质入口12通入气体预热管5和催化剂装填管6周边的壳程7区域内循环流通，进行换热，使催化剂装填管6内的温度恒定在330℃，催化剂装填管6的入口与出口间的温差小于5℃。最后，换热介质从换热介质出口13出装置。
产品气体从催化剂装填管6出来，到达下封头区域4汇合后，从产品气体出口9出反应装置。
本申请提供的一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法，通过在列管式固定床反应器内设置独立的气体预热管5和催化剂装填管6，利用合成气制备烯烃反应产生的热量将合成气预热到反应温度，使得反应的热点温度较快降低，不会对催化剂的性能造成影响，且不需再设置加压用的预热器；通过在催化剂装填管6内壁设置螺旋状翅片，以减少内壁表面的气体边界层厚度，强化换热介质的热传导；并在催化剂装填管6内的中部装填金属规整填料，将催化剂装填区域分隔，可以有效避免全部催化剂装填时出现的中部催化剂飞温，控制难度大的劣势；通过在气体预热管5内装填金属规整填料和吸附剂，以使合成气成分均匀，增强换热效果，并且能除去合成气中夹带的液体，减少度催化剂的冲击，增加催化剂的寿命。通过上述设置，最终实现催化剂装填管6的出口和入口之间的温差不超过5℃，有效提升了催化剂的稳定性，增加了催化剂的寿命，降低了反应成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种将合成气制备烯烃的反应装置与方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种将合成气制备烯烃的反应装置，所述装置为列管式固定床反应器，其特征在于，所述列管式固定床反应器包括：分隔板，所述分隔板设置于所述列管式固定床反应器的上下两端，并将所述列管式固定床反应器内部分隔形成上封头区域、中部区域以及下封头区域；
气体预热管，所述气体预热管贯穿所述下封头区域，并沿轴向设置于所述中部区域的中间；
若干催化剂装填管，沿轴向均匀分布在所述中部区域的气体预热管的两侧及周边；
壳程，位于所述中部区域的若干所述催化剂装填管和气体预热管周边，作为换热介质通道；
其中，所述上封头区域，与所述气体预热管的气体出口，以及若干所述催化剂装填管的入口连通，以引导气流均匀进入催化剂装填管；
所述下封头区域，与若干所述催化剂装填管的出口连通，以收集产品气体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体预热管内填充有体积比为8-9：1-2的金属规整填料与吸附剂，以使合成气成分均匀，并除去其中的液体；
所述吸附剂位于所述气体预热管的顶部。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂装填管中部填充有金属规整填料，以强化反应气体分配，并分散管内的热量；
所述催化剂装填管的上端和下端填充有催化剂，以使流经催化剂装填管的合成气催化转化为烯烃；
所述催化剂与所述金属规整填料的体积比为70-85：15-30。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂装填管内壁设置有螺旋状翅片，用于减少所述内壁表面的气体边界层厚度，以强化换热介质的热传导。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述螺旋状翅片的表面积占所述催化剂装填管的5-10％。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体预热管的底端为气体入口；所述下封头区域的底部设置有产品气体出口。
7.一种将合成气制备烯烃的方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，包括：
惰性气体经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，将催化剂加热至400-450℃，再将氢气经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，对催化剂进行还原3-6h；
将预热到200-280℃的合成气经气体预热管的气体入口、气体预热管和上封头区域通入催化剂装填管中，在催化剂的作用下，使合成气直接发生反应，获得含有烃、水和CO2的产品气体，反应放出的热量将催化剂装填管加热至320-360℃；所述产品气体在下封头区域汇集，经下封头区域的产品气体出口排出；
所述将合成气制备烯烃的过程中，将换热介质通入壳程内，在其中循环流通，以控制催化剂装填管的温度保持在320-360℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述催化剂装填管3的入口与出口的温差小于5℃，管程压力为2-6MPa，管程压降为0.03-0.05MPa。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述催化剂为铁基、钴基、氧化镓与分子筛型、氧化铬与分子筛型和锌铁尖晶石型催化剂中的任一种。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换热介质为饱和水蒸汽、丙酮、乙醇、水中的一种或多种。
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