CN219849538U - 一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备c4烯烃的设备 - Google Patents
一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备c4烯烃的设备 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于生物质处理技术领域，具体涉及一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃设备，包括生物质甲烷微波转化单元、选择性催化加氢二聚单元、回收单元，通过上述设备将生物质甲烷经微波反应和催化选择性加氢二聚过程有机的耦合起来，直接将生物质甲烷直接转化成碳四烯烃。采用上述设备对生物质甲烷进行转化，扩宽了生物质高值化利用的渠道，为合成橡胶和汽油提供了可再生的原料。
Description
技术领域
本实用新型属于生物质处理技术领域，具体涉及一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃的设备。
背景技术
碳四烯烃作为重要的化工原料，不但广泛的用于合成橡胶原料，也可以用于汽油的添加剂原料，因此越来越受到人们的重视，通常来说碳四烯烃来源于石油炼制过程，属于不可再生能源；而生物质作为可再生资源，其资源化和高附加值被广泛的研究。通常生物质经厌氧发酵或者热化学转化生成甲烷、合成气等直接用于供热、发电等过程，因此附加值不高。如果能进一步将其通过热化学处理转化为碳四烯烃，将扩宽下游的合成橡胶行业和汽油添加剂的来源，实现可再生资源的循环利用，但实际上由于甲烷的热化学转化需要超高的温度，不利于能源的节约。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种生物质转化的设备，以解决现有生物质厌氧发酵中产生的甲烷经济价值低的问题。
为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃工艺和系统，其中工艺包括如下的步骤：
(1)将生物质转化而来的甲烷通过微波等离子反应器，在微波的作用下将甲烷分解成为含有乙炔、乙烯、乙烷、氢气的混合气体；
(2)对步骤(1)得到的混合气体进行分离，去除C3及以上物质；
(3)对剩余混合物进行变压吸附，分别得到氢气和其它气体；
(4)将步骤(3)得到的混合气体和氢气按照一定比例在铜基催化剂的作用下进行选择性加氢二聚反应，生成碳四烯烃；
(5)对步骤(4)得到的反应产物进行分离和纯化得到碳四烯烃。
作为优选方案，所述步骤(5)后回收过量未反应的氢气并重新返回步骤(4)使用，回收未反应的甲烷并重新返回步骤(1)使用。
作为优选方案，为了避免氢气浪费，同时低成本的回收氢气，通过变压吸附回收过量未反应的氢气。
作为优选方案，为了更好的控制选择性加氢二聚反应，生成碳四烯烃，所述步骤(4)反应温度为180-260℃。
作为优选方案，为了更好的控制选择性加氢二聚反应，使混合气体尽量多的生成碳四烯烃，所述步骤(4)中混合气体和氢气的比例为2:1-8:1。
本实用新型提供了一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃的设备，主要包括有生物质甲烷微波转化单元、选择性催化加氢二聚单元、回收单元；其中，
生物质甲烷微波转化单元，包括微波等离子反应器，所述微波等离子反应器，用以将生物质甲烷转化为乙炔、乙烯、乙烷、氢气和其它物质；
选择性催化加氢二聚单元，包括装有铜基催化剂的选择性加氢二聚反应器，用以将生物质甲烷微波转化单元产出的混合气与氢气按照比例在铜基催化剂的作用下进行选择性加氢二聚反应，生成碳四烯烃；
回收单元，包括分离塔，用以回收未反应的甲烷和氢气，并将其它气体焚烧。
所述微波等离子反应器出口依次串接有去除C3及以上物质的第一分离塔、第一缓冲罐、以及变压吸附氢气的第二分离塔，第二分离塔分离出的氢气送入氢气缓冲罐，分离出的其它气体通入混合气缓冲罐，所述氢气缓冲罐和混合气缓冲罐连接选择性加氢二聚反应器。
作为优选方案，所述分离塔采用精馏塔，分离实现原理为按混合物中各组分挥发度不同而将各组分分离。
作为优选方案，所述第一分离塔、第一缓冲罐、第二分离塔均设有连接焚烧系统的应急排气管。
本实用新型将生物质甲烷经微波反应和催化选择性加氢二聚过程有机的耦合起来，直接将生物质甲烷直接转化成碳四烯烃。上述过程不但可以有效的扩宽生物质高值化利用问题，还可以生产出应用广泛的碳四烯烃，为合成橡胶和汽油提供可再生原料，进一步提升生物质的应用价值。其主要优势如下：
(1)本实用新型装备能使得生物质甲烷通过微波反应可以高选择性的转化成乙炔和氢气，然后在催化剂的作用下，乙炔选择性加氢二聚即可生成碳四烯烃，除此之外，生成的乙炔也可以在不同的催化剂作用下得到其它高附加值化学品，如烯烃类、醚类、酮类和醇类等，应用范围广泛。
(2)本实用新型装备采用选择性催化加氢二聚核心催化剂为铜基催化剂，相对来说成本较低，可操作性强。
(3)本实用新型装备可以将所产生未反应和多余的氢气不但可以循环利用，也可以与生物质转化后的其它物质进行反应，做到物质利用的最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例。
图1为本实用新型生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃工艺设备图。
图中包括：R-1:微波等离子反应器；F-1:第一分离塔；H-1:第一缓冲罐；F-2:第二分离塔；H-2:混合气缓冲罐；H-3:氢气缓冲罐；R-2:选择性加氢二聚反应器；F-3:第三分离塔。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
在本实用新型的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
以下实施例中，所用仪器设备等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃工艺和设备，设备包括有生物质甲烷微波转化单元、选择性催化加氢二聚单元、回收单元；其中，
生物质甲烷微波转化单元，包括微波等离子反应器R-1，微波等离子反应器R-1用以将生物质甲烷转化为乙炔、乙烯、乙烷、氢气和其它物质；微波等离子反应器R-1出口依次串接有去除C3及以上物质的第一分离塔F-1、第一缓冲罐H-1、以及变压吸附氢气的第二分离塔F-2，第二分离塔F-2分离出的氢气送入氢气缓冲罐H-3，分离出的其它气体通入混合气缓冲罐H-2；
选择性催化加氢二聚单元，包括装有铜基催化剂的选择性加氢二聚反应器R-2，用以将生物质甲烷微波转化单元产出的混合气与氢气按照比例在铜基催化剂的作用下进行选择性加氢二聚反应，生成碳四烯烃；氢气缓冲罐H-3和混合气缓冲罐H-2连接选择性加氢二聚反应器R-2；
回收系统，包括第三分离塔F-3，用以回收未反应的甲烷和氢气，剩余的其它气体送入焚烧系统进行焚烧，第三分离塔F-3为碳四烯烃的分离装置。第一分离塔F-1、第一缓冲罐H-1、第二分离塔F-2的均设有连接焚烧系统的应急排气管，焚烧系统为常规的焚烧炉或放空火炬。
上述R-1为微波等离子反应器，第一分离塔F-1可以采用精馏塔，H-1为第一缓冲罐，第二分离塔F-2可以采用精馏塔，H-2为混合气缓冲罐，H-3为氢气缓冲罐，选择性加氢二聚反应器R-2可以采用固定床反应器，第三分离塔F-3可以采用精馏塔。
本方法工艺包括如下步骤：
(1)采用厌氧消化的方式对生物质进行处理，得到气体产物；
(2)气体产物经干燥分离得到甲烷；
(3)将生物质转化而来的甲烷通过微波等离子反应器，在微波的作用下将甲烷分解成为含有乙炔、乙烯、乙烷、氢气的混合气体；
(4)对步骤(3)得到的混合气体进行精馏分离，去除C3及以上物质；
(5)对剩余混合物进行变压吸附，分别得到氢气和其它气体；
(6)将步骤(5)得到的混合气体和氢气按照2:1∽8:1的体积比在铜基催化剂(如Cu/MOR、Cu/ZSM-5和Cu/SiO2等)的作用下进行选择性加氢二聚反应，反应温度为180∽260℃，生成碳四烯烃；
(7)对步骤(6)得到的反应产物进行分离和纯化得到碳四烯烃；
(8)对步骤(6)后回收的过量未反应的氢气重新返回步骤(4)使用，对回收未反应的甲烷并重新返回步骤(1)使用。
上述步骤为可选步骤，不一定需要与后续步骤联合使用，即本申请工艺可以直接利用产生的生物质甲烷进行后续步骤。
具体来说将生物质转化而来的甲烷通过微波等离子反应器R-1，甲烷流速为500mL/min，控制微波工作频率2450MHz，功率400W，在微波的作用下将甲烷分解成为乙炔、乙烯、乙烷、氢气和微量的C3等产物，其中甲烷的转化率可达90％以上，产物乙炔的选择性为80％以上。将上述气体进行分离，去除C3及以上物质，剩余混合物经第一缓冲罐H-1进入第二分离塔F-2，在第二分离塔F-2中主要经过变压吸附将氢气提纯并储存在氢气缓冲罐H-3中，将其它气体包括C2和甲烷等存入混合气缓冲罐H-2。将混合气缓冲罐H-2中混合气体和存于氢气缓冲罐H-3中的氢气优选按照4:1的比例，通入装有铜基催化剂的选择性加氢二聚反应器R-2进行反应，
2C2H2+H2＝C4H6
2C2H2+2H2＝C4H8
本实施例催化剂选择Cu/MOR，反应条件选择为空速36000mL/gh、反应温度220℃和反应压力25psig，将乙炔选择性加氢二聚转化成碳四烯烃，选择性可达80％以上，而乙炔的转化率可达100％。然后对反应产物进行分离和纯化即可得到高纯度碳四烯烃。对于未反应的甲烷等气体可以重新返回到微波等离子反应器R-1继续反应，产生少量的其它物质可以通过焚烧处理，而反应产生的过量未反应的氢气经回收可以重新用于乙炔的选择性加氢二聚反应。若反应过程出现异常状况，可以将可燃气体排入到焚烧系统进行发电，尽可能的降低风险。
至于其它反应参数的选择，本领域技术人员可以根据公知常识确定，比如分离塔的分离参数，可以根据需要分离组分的挥发度差异来确定，不在赘述。
以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如简单替换焚烧设备，简单改变分离塔的选择等，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (3)
1.一种基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃的设备，其特征在于：包括有生物质甲烷微波转化单元、选择性催化加氢二聚单元、回收单元；其中，生物质甲烷微波转化单元，包括微波等离子反应器；选择性催化加氢二聚单元，包括装有铜基催化剂的选择性加氢二聚反应器，用以将生物质甲烷微波转化单元产出的混合气与氢气按照比例在铜基催化剂的作用下进行选择性加氢二聚反应，生成碳四烯烃；回收单元，包括第三分离塔，用以回收未反应的甲烷和氢气，并将其它气体送入焚烧系统，同时得到碳四烯烃；所述微波等离子反应器出口依次串接有去除C3以上物质的第一分离塔、第一缓冲罐、以及变压吸附氢气的第二分离塔，第二分离塔分离出的氢气送入氢气缓冲罐，分离出的其它气体通入混合气缓冲罐，所述氢气缓冲罐和混合气缓冲罐连接选择性加氢二聚反应器。
2.根据权利要求1所述的基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃的设备，其特征在于：所述第三分离塔为精馏塔。
3.根据权利要求1所述的基于生物质甲烷耦合微波反应制备C4烯烃的设备，其特征在于：所述第一分离塔、第一缓冲罐、第二分离塔均设有连接焚烧系统的应急排气管。
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