CN217614673U - 聚合微反应器和合成气生产聚α烯烃的反应系统 - Google Patents

Abstract

聚合微反应器和合成气生产聚α烯烃的反应系统，所述的聚合微反应器包括第一进料入口(11)、预混合单元和反应单元，所述的反应单元包括顺序连通的分布室(45)、多条平行反应通道(47)和收集室(48)，其中，第一进料入口连通所述的分布室，所述的收集室设有出口(12)；所述的预混合单元包括预混合室和分别与所述的预混合室相通的至少两个进料入口，所述的预混合室的出口连通于第一进料入口。本实用新型提供的聚合微反应器通过在换热介质通道后方设置换热强化构件，解决换热介质在各通道中流量分布的不均匀的问题，从而提高对反应通道中的移热能力，提高产品质量。

Description

聚合微反应器和合成气生产聚α烯烃的反应系统

技术领域

本实用新型涉及一种反应设备，更具体地说，涉及一种微反应器以及一种合成气生产聚α烯烃基础油的反应系统。

背景技术

微通道反应器由于空间特征尺寸小，具有比表面积大、优秀的混合和传质传热效果、精确控制反应时间和温度等优势，已经开始应用于聚α烯烃合成、液化气脱硫、费托合成等诸多石油化工体系之中，有极大的工业化潜力。

微反应器在传质和换热能力的上强大优势，使其可以更好地解决强放热或强吸热体系的反应问题，通过更好地控制反应温度及快速高效混合，达到控制转化率和选择性的目的。但随着微通道反应器通道数量增大，中试和工业尺度微通道反应器中的换热效率下降、换热能力不均匀、多相物料混合质量差等问题便愈加突显。

CN108003938A公开一种费托微反应器，具有三维孔道结构，n个平行反应通道构成单个反应通道层，m个平行流体通道构成单个流体通道层，x个反应通道层和y个流体通道层组成交错的三维通道结构。该反应器的通道分配方式适用于气相反应体系，在换热结构中，当分配介质为液体且通道数量较大时，流体难以较均匀地分配至各通道中。

CN106635117A公开了一种微反应器结构，气经流体分散结构分散为气泡后，进入混合器中与含有催化剂的催化液充分混合，混合均匀后的反应物流经物流入口进入微反应器的反应微通道中，进行反应生成产物，反应生成的热量通过与换热微通道内的换热介质进行换热释放。这种结构适用于反应速度相对较低的体系，若反应物和催化剂一旦混合即开始快速反应，反应流体混合后流至分布室及分配构件所需时间相对较长，而这段结构中相对较差的混合效果，直接影响产品质量。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供聚合微反应器，以及采用该聚合微反应器的一种反应系统，该反应系统用于合成气经费托反应生产聚α烯烃基础油的方法。

第一方面，本实用新型提供一种聚合微反应器，包括第一进料入口11、预混合单元和反应单元，所述的反应单元包括顺序连通的分布室45、多条平行反应通道47和收集室48，其中，第一进料入口连通所述的分布室，所述的收集室设有产物出口12；所述的预混合单元包括预混合室和分别与所述的预混合室相通的至少两个进料入口，所述的预混合室的出口连通于第一进料入口。

第二方面，本实用新型提供一种合成气生产聚α烯烃的反应系统，包括依次相连通的费托微反应器1、烷烃分离设备2、烯烃分离设备3、聚合微反应器4、催化剂分离设备5、基础油分离设备6，所述的费托微反应器设有合成气入口8，所述的基础油分离设备设有产品出口14，所述的聚合微反应器采用上述的聚合微反应器。

与现有技术相比，本实用新型提供的聚合微反应器的有益效果为：

本实用新型提供的聚合微反应器通过在换热介质通道后方设置换热强化构件，解决换热介质在各通道中流量分布的不均匀的问题，从而提高对反应通道的移热能力，提高产品质量。在同一反应器内完成多种物料的有效混合，有效减少反应设备，减少设备投资。通过多种强化混合构件的使用，实现物料的高效混合，并使微通道体系中气相保持微气泡状态，提高反应效率。微反应器体系结构紧凑、占地小，可节省大量的前期投资，并降低操作费用。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

本实用新型提供的合成气生产聚α烯烃的反应系统的有益效果为：

采用聚合微反应器和费托微反应器为主要反应设备，实现合成气经费托反应生产聚α烯烃的连续流生产。同时，两种微反应器的结构和形式便于其数增放大，混合效果好，具有换热效率高、目标产物选择性高等特点。微反应器体系结构紧凑、占地小，可节省大量的前期投资，并降低操作费用。微反应器体系内存液量低，降低安全风险。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型的聚合微反应器的结构示意图。

图2为本实用新型的合成气生产聚α烯烃的反应系统的流程示意图。

图3为费托微反应器的结构示意图。

附图标记说明：

1-费托微反应器 2-烷烃分离设备 3-烯烃分离设备

4-聚合微反应器 5-催化剂分离设备 6-基础油分离设备

7-第四进料入口 8-合成气入口 9-费托粗产物出口

10、13-管线 11-第一进料入口 12-产物出口

14-产物出口

101-费托换热介质入口 102-换热强化构件 103-换热通道

104-费托换热介质出口 105-费托反应通道 106-微反应器外壳

107-费托换热介质分布室 108-费托换热介质收集室

41-第二进料入口 42-第三进料入口 43、44、46、412-混合构件

45-分布室 47-反应通道 48-收集室

49-换热介质入口 410-换热介质出口 411-微反应器外壳

413-补充催化剂预混室 414-预混合室

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

第一方面，本实用新型提供一种聚合微反应器，包括第一进料入口11、预混合单元和反应单元，所述的反应单元包括顺序连通的分布室45、多条平行反应通道47和收集室48，其中，第一进料入口连通所述的分布室，所述的收集室设有产物出口12；所述的预混合单元由预混合室和分别与所述的预混合室相通的至少两个进料入口组成，所述的预混合室的出口连通于第一进料入口。

可选地，所述的反应单元还包括换热层，所述的换热层围绕所述的分布室、反应通道和收集室，所述的换热层设置换热介质入口和换热介质出口，使得由换热介质入口进入的换热介质充满整个换热层后由换热介质出口排出。

优选地，所述的预混合室设有第二进料入口、第三进料入口、第四进料入口，所述的第二进料入口、第三进料入口、第四进料入口、预混合室出口设有混合构件；所述的混合构件为多孔介质结构。

优选地，所述的混合构件为泡沫金属或烧结金属，厚度为0.5mm-20mm，孔径为5-300μm。

优选地，所述的分布室与所述的反应通道之间设有混合构件；所述的混合构件为多孔介质结构。

优选地，所述的分布室与所述的反应通道之间的混合构件为泡沫金属或烧结金属，厚度为0.5mm-20mm，孔径为5-300μm。

本实用新型提供的聚合微反应器中，所述的反应通道的流道横截面积为为0.01mm²-10mm²，内径与长度之比为1：100-30000。

本实用新型提供的聚合微反应器用于气液、气液液等多相混合反应过程。

本实用新型提供的聚合微反应器中，通过设置在各进料入口、出口处设置混合构件，实现各进料的预先高效混合，同时使气相物质形成微气泡、液相物质形成液滴。

所述的分布室为圆柱形、球形、椭球形等任意形状，其上下两边缘的距离为0.1～10cm。在所述的分布室与各反应通道入口之间设置强化混合构件，实现反应流体通道进入聚合反应通道前再次强化混合，并形成微气泡。

优选地，所述的预混合室出口的混合构件伸入第一进料入口下游通道管线中，且插入深度不大于管径1/2。

本实用新型提供的聚合微反应器，应用于合成聚α烯烃的反应，气相催化剂由第二进料入口引入，进入预混合室，在优选实施方式下，再经过混合构件与预混合室内催化剂流体混合后，再通过设置于预混合室出口的混合构件，与第一进料入口进入的烯烃原料混合后，进入分布室。在优选的实施方式下，分布室内设置混合构件将流体均匀分配至各平行的反应通道之中，在反应通道内反应后进入收集室，经出口引出聚合微反应器。

通过设置预混合室及第二进料入口、第三进料入口、第四进料入口，实现补充催化剂、催化助剂与回用催化剂的高效混合。聚α烯烃合成过程中，具有催化活性的物质为助剂与气相催化剂反应形成的络合物，可以在高效混合的前提下，精准控制催化活性物质的形成。

第二方面，本实用新型提供一种合成气生产聚α烯烃的反应系统，包括依次相连通的费托微反应器1、烷烃分离设备2、烯烃分离设备3、聚合微反应器4、催化剂分离设备5、基础油分离设备6，所述的费托微反应器设有合成气入口8，所述的基础油分离设备设有产品出口14，所述的聚合微反应器采用上述的聚合微反应器。

可选地，所述的催化剂分离设备5经第四进料入口7连通所述的聚合微反应器4。

优选地，所述的费托微反应器包括反应单元和换热单元，反应单元由依次相通的入口、分布室、多条平行的费托反应通道、收集室和出口组成，所述的换热单元由依次相通的费托换热介质入口、费托换热介质分布室、多条平行的换热通道、费托换热介质收集室和费托换热介质出口组成，其中，所述的费托反应通道和所述的费托换热通道交错设置。

优选地，所述的费托换热介质入口下游设有换热强化构件，所述的换热强化构件为多向分布板，使得费托换热介质由费托换热介质入口进入后产生多方向流动分布。所述的多向分布板为多孔介质结构或其表面上分布小孔结构，其微孔或小孔分布于除入口管道一侧外的其他方向。

本实用新型提供的合成气生产聚α烯烃的反应系统的应用方法，将合成气引入至所述费托微反应器进行费托反应获得费托粗产物，粗产物通过烷烃分离设备，获得C8～C12任意碳数烷烃，C8～C12任意碳数烷烃混合物再经过烯烃分离设备得到C8～C12任意碳数烯烃，作为聚合微反应器原料；以及将催化助剂、补充催化剂及回用催化剂分别经第二进料入口、第三进料入口和第四进料入口引入聚合微反应器中发生聚合反应，聚合反应粗产物经过催化剂分离设备，将催化助剂和催化剂的混合物分离出来，经第四进料入口返回聚合微反应器中。所余溶液进一步通过基础油分离设备，获得不用粘度的基础油产品。

本实用新型提供的合成气生产聚α烯烃的反应系统中，费托微反应器及聚合微反应器放大方式采用增加反应及换热通道的方法。对于费托微反应器而言，增加反应及换热通道数量后，液相换热介质如何在各换热通道中均匀分配成为难点。

在费托微反应器设置不少于两个费托换热介质入口通道，并在换热介质通道后方设置换热强化构件，改变换热介质流动方向，使其沿与换热介质通道入口相垂直方向呈现180角度分布，解决换热介质在各通道中流量分布不均匀的问题。

合成气生产聚α烯烃的反应中，所述催化助剂为碳数为4～8的醇类化合物和 /或碳数为4～8的烷酯类化合物。以所述聚合单体的用量为基准，所述催化助剂用量为0.01-5.0重量％。所述气相催化剂为BF₃。以所述聚合单体的用量为基准，所述气相催化剂的用量为0.01-5重量％。

以下结合附图说明本实用新型提供的聚合微反应器和合成气生产聚α烯烃的系统的具体实施方式。

附图1为本实用新型的聚合微反应器的结构示意图。如附图1所示，聚合微反应器4包括多条平行反应通道47，且与第一进料入口11、第四进料入口7、第二进料入口41、第三进料入口42、产物出口12相连通。所述第二进料入口41和所述第四进料入口7下游设置初静混构件，一方面使回用催化剂中的气相重新破裂成微气泡，另一方面，使回用催化剂和催化助剂均匀分配至中间通道内混合均匀。所述第三进料入口42引入气相催化剂，首先进入补充催化剂预混室413，再经过补充催化剂初静混构件412均匀地以微气泡形式与中间通道内催化剂流体混合，再通过催化剂静混构件44进行二次流体强化混合，最后与第一进料入口11物料进行混合，进入聚合分布室45。聚合分布室45内流体由于体积突然膨胀，将产生气泡聚并。其内混合流体，通过反应流强化混合构件46进一步破裂成微气泡，并均匀分配至各聚合反应通道47之中。

聚合微反应器通过设置反应流强化混合构件46，实现反应流体进入聚合反应通道47前再次强化混合，并形成微气泡。优选情况下，所述初静混构件43、催化剂静混构件44、补充催化剂初静412混构件和反应流强化混合构件46带有筛孔、条缝等结构，也可以设置为泡沫金属或烧结金属。更优选情况下，所述构件空隙率为0-50μm，更优选为5-300μm。

附图2为本实用新型的合成气生产聚α烯烃的反应系统的流程示意图。由附图2所示，包括依次相连通的为费托微反应器1、烷烃分离设备2、烯烃分离设备3、聚合微反应器4、催化剂分离设备5、基础油分离设备6中实施。其中，所述费托微反应器1内设置具有三维通道的结构，包括相互交叉的费托反应通道105和费托换热通道103，以及分别与其相连通的合成气入口8、费托粗产物出口9、费托换热介质入口101和费托换热介质出口104。所述费托换热介质入口101下游设置费托换热强化构件102，使换热介质沿与换热介质通道入口相垂直方向呈现180角度分布。

附图3为费托微反应器的结构示意图。如附图3所示，所述费托微反应器1 不少于两个费托换热介质入口101，且在换热介质通道后方设置换热强化构件 102。所述费托换热流体强化构件102伸入费托换热介质分布室107中，所述费托换热流体强化构件102一端与费托换热介质入口101相连通，其余表面可以产生微小气泡，使换热介质可以与换热介质通道入口101相垂直方向呈现180 角度分布。更优选地，所述费托微反应器1具备不少于两个费托换热介质出口通道104。

以下通过实施例对本实用新型技术方案的效果进行详细描述。

实例中的产品分布和转化率分析采用离线色谱分析方法，采用安捷仑公司的GC6890-SCD仪器进行测定。

实例中所发生过程为聚α烯烃合成过程，所使用聚合原料为1-癸烯，催化助剂为1-丁醇，催化剂为BF₃。

转化率的计算方法为：将产物冷却至室温转移至分液漏斗内，加入NaOH溶液及少量蒸馏水后，摇匀静止。待有水层析出后，用pH试纸检测水层pH值。反复操作，直至水层pH值为7，静止一段时间。待水全部析出后，分离，直接进行液相色谱分析。原料的转化率＝1－产品中1-癸烯浓度/原料中1-癸烯浓度。

选择性的计算方法为：将产物冷却至室温转移至分液漏斗内，加入NaOH溶液及少量蒸馏水后，摇匀静止。待有水层析出后，用pH试纸检测水层pH值。反复操作，直至水层pH值为7，静止一段时间。待水全部析出后，分离，直接进行液相色谱分析，分别测量产物中单体、二聚体、三聚体、四聚体的浓度。每种产物(N聚体)的选择性＝产品中N聚体的质量分数/原料转化率。

对比例1

试验方法：用氮气吹扫反应釜，于不锈刚搅拌釜式反应器中，加入20mL 的1-癸烯，滴加0.2mL的正丁醇，通入BF₃气体，使之在液面形成鼓泡。在30℃反应4h，反应压力维持0.4MPa，终止反应。

反应的转化率和产品分布如表1所示。

实施例1

本实施例说明本实用新型提供聚合微反应器进行合成聚α烯烃的效果。

采用附图3所示的聚合微反应器。在聚合微反应器中，预混合单元由预混合室414和与预混合室相通的第二进料入口41、第三进料入口42和第四进料入口7，所述的第二进料入口、第三进料入口、第四进料入口、预混合室出口设有混合构件，混合构件为泡沫金属结构，厚度为3mm，平均孔径为15μm。预混合室主体截面长边20mm，短边10mm，高20mm。补充催化剂BF3经第二进料入口引入，入口混合构件长度为15mm，催化剂1-丁醇经第三进料入口引入，入口混合构件长度为15mm。回收分离的循环催化剂经第四进料入口引入，入口混合构件长度为15mm，预混合室出口的混合构件为烧结金属板，伸入第一进料入口的管道中，介入长度为管道内径的1/4。反应单元包括顺序连通的分布室45、8 条平行反应通道47和收集室48，单条反应通道的截面积为1mm²。分布室为底面直径110mm，高15mm的圆柱筒。分布室与反应通道之间设有混合构件。混合构件为泡沫金属结构，厚度为3mm，平均孔径为15μm。

1-癸烯由第一进料入口引入，与混合后的BF3、1-丁醇和循环催化剂混合进入微通道反应器中发生聚合反应，获得的反应产物自产物出口引出。

本实施例涉及的试验方法中的反应温度与对比例1中基本相同，反应压力为2.5MPa。并且本实施例中1-癸烯的进料速度为10mL/min，正丁醇的进料速度为0.08mL/min，BF₃的进料速度为32mL/min，回收分离催化剂为8ml/min。反应物开始进料10min后，即得到稳定的产品出料，产物性质表1所示。

表1

通过表1的结果可以看出，与常规的间歇釜式反应器相比，采用本实用新型提供的聚合微反应器能够得到更高的原料转化率，并且产物中三聚体和四聚体的选择性明显优于间歇釜技术。除此外，能够将反应时间由4h降低至10min，实现了聚α烯烃的连续流生产。

实施例2和对比例2说明费托微反应器换热结构的技术效果。

实施例2

采用如附图2所示的费托微反应器。单根反应通道为直线型通道，长 1800mm，截面为10mm*1mm。每85根通道组成一个平层，共有25个平层组成整个反应通道。在各反应平层之间，设置换热层。换热层中，各换热通道结构和布置与各反应层一致，差别在于，反应层与换热层中的通道呈垂直交叉排列。换热介质分布室为半球体形状。费托换热介质分为三个入口通道与换热介质分布室相连。三个入口通道下游分别设置费托换热强化构件。该强化构件为表面为圆柱形的带有筛孔的材料。通过测量不同换热介质总流量时，各通道内换热流体的流量数值，按照总体标准偏差公式计算换热流体分布标准偏差值 (σ²)，得到换热流体分配的均匀程度，试验结果见表2。

对比例2

对比例2采用的费托微反应器与实施例2中的费托微反应器不同的是：三个入口通道下游不设置换热强化构件。测量不同换热介质总流量时各通道内换热流体分布的标准偏差值，试验结果见表2。

表2

	对比例2	实施例2
			流量，m<sup>3</sup>/h	换热流体分布标准偏差σ<sup>2</sup>	换热流体分布标准偏差σ<sup>2</sup>
20	0.066	0.049
			30	0.077	0.051
40	0.079	0.052
			50	0.082	0.057
60	0.091	0.06

由表2可知，本实用新型提供的合成气生产聚α烯烃的反应系统中，费托微反应器中的换热介质在各通道内的分配效果得到明显改善，从而使反应通道内的热量得到及时的除出，从而提高产品转化率和选择性。

Claims (11)

1.一种聚合微反应器，其特征在于，包括第一进料通道(11)、预混合单元和反应单元，所述的反应单元包括顺序连通的分布室(45)、多条平行反应通道(47)和收集室(48)，其中，第一进料通道连通所述的分布室，所述的收集室设有产物出口(12)；所述的预混合单元包括预混合室(414)和与所述的预混合室相通的至少两个进料入口，所述的预混合室的出口连通于第一进料入口。

2.按照权利要求1所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的反应单元还包括换热层，所述的换热层围绕所述的分布室、反应通道和收集室，所述的换热层设置换热介质入口和换热介质出口，使得由换热介质入口进入的换热介质充满整个换热层后由换热介质出口排出。

3.按照权利要求1或2所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的预混合室设有第二进料入口(41)、第三进料入口(42)和第四进料入口(7)，所述的第二进料入口、第三进料入口、第四进料入口、预混合室出口设有混合构件；所述的混合构件为多孔介质结构。

4.按照权利要求3所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的混合构件为泡沫金属或烧结金属，厚度为0.5mm-20mm，孔径为5-300μm。

5.按照权利要求1或2所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的分布室与所述的反应通道之间设有混合构件；所述的混合构件为多孔介质结构。

6.按照权利要求5所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的分布室与所述的反应通道之间的混合构件为泡沫金属或烧结金属，厚度为0.5mm-20mm，孔径为5-300μm。

7.按照权利要求1或2所述的聚合微反应器，其特征在于，所述的单条反应通道的流道横截面积为0.01mm²-10mm²，内径与长度之比为1：100-30000。

8.一种合成气生产聚α烯烃的反应系统，包括依次相连通的费托微反应器(1)、烷烃分离设备(2)、烯烃分离设备(3)、聚合微反应器(4)、催化剂分离设备(5)、基础油分离设备(6)，所述的费托微反应器设有合成气入口(8)，所述的基础油分离设备设有产品出口(14)，所述的聚合微反应器采用权利要求1-7中任一种所述的聚合微反应器。

9.按照权利要求8所述的合成气生产聚α烯烃的反应系统，其特征在于，所述的催化剂分离设备(5)的催化剂出口经第四进料入口(7)连通所述的聚合微反应器(4)。

10.按照权利要求8所述的合成气生产聚α烯烃的反应系统，其特征在于，所述的费托微反应器包括反应单元和换热单元，反应单元由依次相通的入口、分布室、多条平行的费托反应通道、收集室和出口组成，所述的换热单元由依次相通的费托换热介质入口、费托换热介质分布室、多条平行的换热通道、费托换热介质收集室和费托换热介质出口组成，其中，所述的费托反应通道和所述的换热通道交错设置。

11.按照权利要求10所述的合成气生产聚α烯烃的反应系统，其特征在于，所述的费托换热介质入口下游设有换热强化构件，所述的换热强化构件为多向分布板，使得换热介质由费托换热介质入口进入后产生多方向流动分布。

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