CN214863413U - 一种低碳烷烃脱氢反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低碳烷烃脱氢反应器，特别地涉及一种带有高温热介质供热管的反应器，属于石油化工生产技术领域。在本实用新型中，所述反应器外壳为中空式金属结构，通过法兰连接端盖和筒体；反应器带有内衬和外保温层，内衬为耐高温涂层和/或耐高温填料；外壳里在支撑空间的上方装填有催化剂和发热材料，构成脱氢反应催化剂床层，所述的高温热介质供热管布置于催化剂床层中，并在端盖区集总后由进、出口管线连接到反应器外；高温热介质选用气体、熔盐或苛性碱中的一种。本实用新型的反应器便于维护，以多元化供热方式提供反应所需热量，使烷烃的催化脱氢反应效率更高，单段循环周期内的稳定反应时间更长，更有利于装置的长周期运行。

Description

一种低碳烷烃脱氢反应器

技术领域

本实用新型涉及一种低碳烷烃脱氢反应器；特别地涉及一种带有催化剂床层中高温热介质供热管的反应器，适用于低碳烷烃的催化脱氢反应，属于石油化工生产装备技术领域。

背景技术

低碳烷烃脱氢反应是将量大价廉的低碳烷烃转变为市场紧缺的高附加值的相应烯烃的过程，具有重要的研究意义和经济价值。

由于低碳烷烃脱氢反应是一个强吸热反应，反应过程中需要外界提供大量的热量，因此供热是低碳烷烃脱氢工艺上的关键，在大多数已知的脱氢工艺和生产装置中，脱氢反应所需要的热量由反应器前的反应原料和再生空气的加热器产生，并从加热器引入到反应气体中，再将热量带入反应器中。

为获得工业生产时所需的转化率，加热器的温度会比脱氢反应的温度更高，不仅能耗很高，还容易导致低碳烷烃在加热器中大幅度热裂解，造成脱氢反应转化过程和生产装置的效能低下。因此，必须在避免加热器温度过高的同时，还要给催化剂床层补充足够的热量；并且，还要尽可能地避免生产装置和反应器内焦炭的大量生成。

在已经工业化的工艺技术和生产装置中，Lummus公司的Catofin技术非常有代表性，其采用固定床反应器和传统的胡德利工艺转化方式，通过间歇反应-再生过程转化低碳烷烃。

例如，以丙烷为原料时，首先将丙烷加热到590～620℃后进入反应器中转化，反应十分钟后催化剂床层温度即迅速下降40～50℃；因此，需要停止反应，用热空气对催化剂床层进行再生；在用高温热空气将催化剂床层再生加热到650℃后，反应器进行除氧，再通入590～620℃的丙烷原料气进入下一个循环的反应，每个循环的周期是20～22分钟。

在这个工艺生产过程中，现有技术的反应器转化效率很低，设备庞大，控制阀门频繁开关动作，导致寿命大为缩短。并且，经常出现局部高温情况下，反应器中常用的内衬耐火材料极易出现热震损坏、开裂、脱落等问题，极易造成经常性的停产维修，严重影响了装置的长周期运转。

Phillips公司的STAR工艺以及Linde AG公司的Linde工艺也是一种有代表性的低碳烷烃生产工艺技术，其采用列管式固定床反应器，将催化剂装填在反应器中的列管内，使用烟道气等热载体对列管加热；但该工艺的整个过程热损失较大，导致转化过程的能耗较高，且反应器的造价也较高。

虽然固定床反应器具有结构相对简单的优点，但其普遍存在的突出问题就是反应过程中供热不足，并极易出现局部高温区而导致催化剂积炭严重，导致转化效率和收率降低，生产成本提高，并使得操作条件趋于苛刻，大规模工业化生产过程中的困难增加。

发明内容

针对现有技术反应器中所存在的问题，本实用新型的目的在于公开一种改进了的，能够提高低碳烷烃脱氢反应转化性能和效率，延长单段转化反应时间和装置长周期运转的反应器。

本实用新型是在本发明人已公开和授权的中国发明专利ZL 201911306207.0(一种低碳烷烃脱氢工艺的方法、装置和反应系统)基础上所做的一种进一步的改进和补充。

具体地说，为了达到本实用新型的目的，采用的技术方案和发明内容如下：

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，反应器以多元化供热方式提供脱氢反应所需的热量；反应器包括外壳和布置于外壳中的催化剂反应床层；外壳为中空式金属结构，通过法兰连接端盖和筒体，并带有外保温层和耐高温内衬；在筒体内的支撑空间上方，装填有催化剂和发热材料构成的催化剂床层；床层中布置有电热偶和高温热介质供热管，供热管在端盖区集总后由进、出口管线连接到反应器外；物料入口从上方与反应器连接，物料出口从下方与反应器连接。

名词“集总”为技术术语，通俗来说就是多跟管线相互连接汇总连接到一根孔径更大的管线上，一般是较多的管线连接汇总到一根管线时常用；名词“汇集”有相似意思，但多用在较少的管线连接汇总到一根管线时常用。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，中空式金属结构的外壳为不锈钢外壳结构；其外部包覆有保温材料防止热量散失；不锈钢金属外壳的内壁为耐高温内衬，采用耐高温陶瓷材料涂层和/或耐火砖材料构成的填料；优选的是采用耐高温陶瓷材料涂层；更优选的是采用纳米耐高温陶瓷材料涂层。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，在筒体内的支撑空间中，由支撑内构件和/或装填惰性瓷球构成对上方的催化剂床层的支撑结构；所述的支撑内构件为催化剂床层支撑板和催化剂床层支撑柱构成。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的物料入口为低碳烷烃原料入口，热空气入口，高温蒸汽-工艺气-还原气的汇集入口，从反应器上方与反应器连接；所述的高温蒸汽、工艺气-还原气入口，在反应器的上方连接后，再连接到与反应器相连接的物料入口管路上。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，进入反应器的物料入口的下端连接有物料分布用的导流板。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的物料出口为烃类产物出口，废热空气和抽空-应急出口的汇集出口，并从反应器的下方与反应器连接。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质供热管在催化剂床层中布置2～4层；每层各供热管距离为10～100厘米；供热管的数量、长度和管径根据反应器的热负荷多少计算确定。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质选自耐高温气体、耐高温熔盐、熔融苛性碱中的一种；温度范围为550～900℃。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质的耐高温气体选自二氧化碳、水蒸气和氮气中的一种或多种，优选的是二氧化碳。

本实用新型所公开的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质的耐高温熔盐为选自硝酸盐、氯化物盐中的一种或多种。

本实用新型的优点和所取得的有益效果在于：根据高温热介质供热管的特点，本实用新型设计和使用了一种在催化剂床层内置高温热介质供热管的卧式固定床反应器。为了维护和修理时的方便，设计了连接的端盖，并通过法兰和反应器筒体连接；并且，将结构较为复杂的供热管汇集区和集总进、出口管设计在端盖区；为了更为方便的维护和修理，还可以在筒体上预留有人孔，并通过法兰和盖板连接。

本实用新型在低碳烷烃的脱氢转化过程中，发热材料、反应气体和再生气体加热器和内置高温热介质供热管的固定床反应器多元化方式供热，为脱氢吸热反应提供所需的热量，减少了催化剂床层在强吸热的脱氢反应中产生的温降，提高了反应转化效率。

本实用新型利用高温热介质供热管的导热性良好，温度分布均匀和等温性的特点，以及高温热介质供热管通过高温热介质循环泵(例如熔盐泵或气体循环压缩机)流量调节带来的控温作用，还有助于防止催化剂床层局部温度过高，阻止焦炭的迅速形成和堆积。并且高温热介质供热管还降低了反应器前的加热器的热负荷，减少了低碳烷烃在加热器中的热裂解，使工艺整体上更经济，操作更为简单、可控。

本实用新型采用常规的镍铬不锈钢制造反应器、内构件、进出管线和高温热介质供热管，可使得反应器的造价降低，并且，结构上的设计使得维护和修理更加方便。

结合本实用新型采用的不锈钢金属外壳内壁涂覆耐高温、抗热震的陶瓷材料涂层内衬结构，特别是选用纳米陶瓷材料涂层内衬时，还可以有效避免现有技术中经常性的停产维修，有助于装置的长周期稳定运转，也更有利于整个反应器的保温。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的截面结构示意图。

图中：1为催化剂反应床层；2为高温热介质供热管；3为高温热空气入口；4为热电偶口和热电偶；5为低碳烷烃原料气入口；6为高温蒸汽-工艺气-还原气入口；7为烃类产物出口；8为废热空气出口；9为抽空-应急出口；10为不锈钢反应器外壳；11为耐高温内衬；12为外保温包覆层；13为支撑空间；14为高温热介质进入反应器的集总入口；15为高温热介质流出反应器的集总出口。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。以下仅为本实用新型的较佳实施例，不能以此限定本实用新型的范围。即凡是依据本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

具体实施方式

本实用新型发明的一种低碳烷烃脱氢反应器，反应器在使用转化过程中包括了以下操作流程：

在图1的低碳烷烃脱氢反应器中，催化剂反应床层1布置于反应器不锈钢外壳10中，外壳为中空式金属结构并带有外保温层12和耐高温的内衬11；在筒体内的支撑空间13上方装填有催化剂和发热材料，催化剂床层1中布置有电热偶4和2～4层高温热介质供热管2，供热管的数量、长度和管径根据反应器的负荷大小来确定；在支撑空间13中由支撑板和催化剂床层支撑柱构成的支撑内构件和/或装填惰性瓷球构成对上方的催化剂床层的支撑。

在脱氢反应阶段，使丙烷和/或异丁烷等低碳烷烃原料、工艺气经预热后经物料入口5从上方和入口下端的导流板进入反应器，并和催化剂床层1中的脱氢催化剂和发热材料接触，以及筒体内支撑空间13中蓄热了的支撑用惰性氧化铝瓷球接触(在使用瓷球做支撑体的情况下)；催化剂床层1中的内置高温热介质供热管2同时供热，高温热介质从加热炉通过循环泵(例如熔盐泵或高温气体循环压缩机)，经高温热介质集总入口14进入反应器催化剂床层1中的供热管2中，为反应过程提供所需的热量，并利用热偶4和循环泵(例如熔盐泵或高温气体循环压缩机)的流量调节来达到部分控温的目的，供热管中流出的降低了温度的高温热介质，经集总出口15返回到加热炉重再次加热；反应后的烃类产物经与反应器下方的物料出口7离开反应器，并进入后续分离设备进行分离和提纯。

在再生阶段，停止进料后，从反应器顶部经入口6通入高温蒸汽吹扫，吹扫后由反应器顶部经入口3，通入高温热空气对催化剂床层1进行再生，并加热提高催化剂床层温度；废热再生气体从反应器底部出口8排出，并经抽空-应急出口9对反应器内进行抽空后，进入下一个循环反应-再生周期。

实施例

采用图1的低碳烷烃脱氢反应器对丙烷和/或异丁烷进行脱氢反应转化，外部包覆有保温材料防止热量散失；不锈钢金属外壳的内壁涂覆耐高温、抗热震的纳米陶瓷材料(GN—201K和/或GN—207E型，最高耐温1300℃，广州亦纳新材料科技有限公司)涂层结构作为内衬。

催化剂床层中布置有热电偶和2～4层高温热介质供热管，每层的各个供热管的距离为10～100厘米,并按预知量的反应器负荷大小确定供热管的数量、长度和管径，以及循环泵(如熔盐泵或高温气体循环压缩机)的功率和流量控制范围。

在催化剂床层中布置按本申请人授权的中国发明专利ZL 201911306207.0(一种低碳烷烃脱氢工艺的方法、装置和反应系统)中所公开的Cr-Ce-Cl/Al₂O₃脱氢催化剂(含有18m％～30m％的Cr₂O₃、0.1m％～3m％的CeO₂、67m％～80m％的Al₂O₃)，以及Cu-Ce-Cl/Al₂O₃发热材料(含有5m％～30m％的CuO、0.1m％～3m％的CeO₂、10m％～35m％的CaO、0.1m％～1m％的Cl和50m％～80m％的Al₂O₃)。

在丙脱氢反应过程中，控制催化剂床层温度在优选情况不超过660℃，在更宽反应条件下可控制其不超过760℃；在异丁烷脱氢反应过程中，控制催化剂床层温度优选情况下不超过640℃，在更宽反应条件下可控制其不超过740℃。

作为与常规的现有技术的固定床反应器相对比，在反应过程中，本实用新型的内置高温热介质供热管反应器，结合高温热空气对催化剂床层再生时的供热，催化剂床层中发热材料在反应过程所提供的热量，以多元化供热方式提供了脱氢反应所需的热量，在优选的条件情况下，其加热器比传统的固定床反应器的加热器温度低20～60℃，在更宽范围条件下可低5～100℃；结合上述脱氢催化剂使反应器内的生焦量降低20％；并使单段周期内循环时间延长了30％～50％，反应时间占比由40％提高到60％以上；所采用的外覆保温材料和耐高温纳米陶瓷材料内衬的不锈钢外壳，由于不易像现有技术的传统固定床反应器那样，会经常由于局部高温而出现内衬开裂、脱落和损坏，使外壳温度由经常性的200℃下降到50℃，热量损失大为减少；在降低能耗的同时，还极大程度上避免了开工期内的停车维修，保证了装置长周期的稳定运转；并且，装置的固定投资额也下降了约30％。

Claims (6)

1.一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述反应器包括外壳和布置于外壳中的催化剂反应床层；外壳为中空式金属结构，通过法兰连接端盖和筒体；并

带有外保温层和耐高温内衬；在筒体内的支撑空间上方，装填有催化剂和发热材料构成的催化剂床层；床层中布置有电热偶和高温热介质供热管，供热管在端盖区集总后由进、出口管线连接到反应器外；该反应器以多元化供热方式提供脱氢反应所需的热量；物料入口从上方与反应器连接，物料出口从下方与反应器连接。

2.根据权利要求1所述的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，中空式金属结构的外壳为不锈钢外壳结构；在筒体内的支撑空间中，由支撑内构件和/或装填惰性瓷球构成对上方的催化剂床层的支撑结构；支撑内构件为催化剂床层支撑板和催化剂床层支撑柱构成。

3.根据权利要求1所述的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的物料入口为低碳烷烃原料入口，热空气入口，以及高温蒸汽-工艺气-还原气的汇集入口，从反应器上方与反应器连接；并且，进入反应器的物料入口的下端连接有物料分布用的导流板。

4.根据权利要求1所述的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的物料出口为烃类产物出口，废热空气和抽空-应急出口的汇集出口，并从反应器的下方与反应器连接。

5.根据权利要求1所述的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质供热管在催化剂床层中布置2～4层；每层的各个供热管的距离为10～100厘米。

6.根据权利要求1所述的一种低碳烷烃脱氢反应器，其特征在于，所述的高温热介质的耐高温气体为二氧化碳。

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