本發(fā)明總地涉及乙烯的制備領(lǐng)域，具體涉及一種乙炔制乙烯的反應(yīng)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著石油資源日益枯竭，發(fā)展煤化工為原料的化工過程成為替代石油化工路線的重要過程，該技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，并取得了快速發(fā)展。
在煤化工技術(shù)中，以煤為原料通過電石工藝制取乙炔，已廣泛應(yīng)用。再以乙炔為原料，在選擇性加氫催化劑作用下，通過加氫制備乙烯產(chǎn)品，可進(jìn)一步拓展煤化工路線。且近些年來乙炔主要的下游產(chǎn)品聚氯乙烯(PVC)已經(jīng)供大于求，PVC產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)不高，急需拓展乙炔下游產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈；乙烯是石油化工中最重要的基礎(chǔ)原料，被稱為“石化工業(yè)之母”。廣泛用于塑料、潤(rùn)滑油、聚合物以及一些中間體，目前主要由石油或低碳烷烴通過裂解制取。乙烯下游產(chǎn)品如乙二醇，丁二醇、丙烯酸、聚乙烯醇等也有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，開發(fā)乙炔加氫制乙烯的新工藝技術(shù)可以為乙烯工業(yè)提供一種新原料來源，并降低乙烯對(duì)石油資源的依賴程度及乙烯的生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
雖然乙炔選擇加氫是當(dāng)前的關(guān)注熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的報(bào)道也比較多，但其研究?jī)?nèi)容主要應(yīng)用于除去石油烴裂解制備乙烯工藝過程中微量的乙炔(0.01-5體積％)，而對(duì)于專門以高濃度乙炔為原料的催化選擇加氫制乙烯技術(shù)則少有探索，相應(yīng)的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用更是未見報(bào)道。
現(xiàn)有一種采用傳統(tǒng)固定床催化加氫的工藝。該技術(shù)所用固體催化劑一般采用浸漬法制備，活性金屬均勻分布于催化劑表面。該技術(shù)主要反應(yīng)為氣固接觸反應(yīng)，然而乙炔加氫為強(qiáng)放熱反應(yīng)，固定床裝置及所用催化劑移熱困難，無法控制乙炔加氫反應(yīng)的深度。大量的反應(yīng)熱會(huì)使鈀催化劑積碳失活。又由于其活性很高，在反應(yīng)時(shí)乙炔聚合生成綠油，并覆蓋在催化劑表面導(dǎo)致催化劑迅速失活。并且由于該技術(shù)無法控制反應(yīng)深度，因此會(huì)造成乙炔的深度加氫生成乙烷，從而降低反應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物乙烯的收率。
還有一種采用漿態(tài)床進(jìn)行加氫反應(yīng)的工藝，可以移出反應(yīng)放出的熱量，但是由于氣體的鼓入，催化劑和溶劑在其帶動(dòng)下一直處于流動(dòng)狀態(tài)，易造成催化劑的磨損，催化劑磨損之后又容易被氣液攜帶而造成損失，以及存在漿態(tài)床所用固體催化劑難回收難再生等問題。
因此，為了避免催化劑表面溫升過大，造成床層飛溫，避免乙炔自聚、乙烯進(jìn)一步加氫等副反應(yīng)的發(fā)生，及催化劑活性失活、綠油浪費(fèi)的問題，有必要發(fā)明一種新的乙炔制乙烯的反應(yīng)系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種乙炔制乙烯的反應(yīng)系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)制備乙烯使得內(nèi)部熱量不易傳出、反應(yīng)深度不可控、催化劑失活、綠油浪費(fèi)的問題。
本發(fā)明提供一種乙炔制乙烯的反應(yīng)系統(tǒng)，其包括：加氫反應(yīng)器、換熱器、氣液分離器、提氫裝置、再生塔，所述加氫反應(yīng)器的數(shù)量為兩個(gè)，該兩個(gè)加氫反應(yīng)器交替使用，當(dāng)其中一個(gè)用于加氫反應(yīng)時(shí)，另一個(gè)用于催化劑的再生；其中，所述加氫反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有催化劑層，其包括反應(yīng)物入口和反應(yīng)物出口；所述提氫裝置包括氣體入口、氫氣出口和乙烯出口；所述再生塔包括物料入口、溶劑出口和綠油出口；用于加氫反應(yīng)的所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物出口連接所述換熱器的入口，所述換熱器的出口連接所述氣液分離器的入口；所述氣液分離器的氣體出口連接所述提氫裝置的氣體入口，所述氣液分離器的液體出口連接所述再生塔的物料入口；用于催化劑再生的所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物出口連接所述換熱器的入口。
進(jìn)一步地，上述的系統(tǒng)中所述再生塔的溶劑出口可連接所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物入口。
進(jìn)一步地，上述的系統(tǒng)中所述提氫裝置的氫氣出口可連接所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物入口。
上述的系統(tǒng)，所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物入口設(shè)有霧化噴嘴。
上述的系統(tǒng)，所述加氫反應(yīng)器的催化劑層可旋轉(zhuǎn)。
上述的系統(tǒng)，所述加氫反應(yīng)器之前可設(shè)有溶劑泵與溶液儲(chǔ)罐。
本發(fā)明提供一種利用上述系統(tǒng)制備乙烯的方法，所述方法包括步驟：將氫氣、乙炔和液相溶劑送入用于加氫反應(yīng)的所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)；將加氫反應(yīng)后的反應(yīng)物送入所述換熱器后再送入所述氣液分離器進(jìn)行分離，得到氣體與液體；將分離得到的所述氣體送入所述提氫裝置進(jìn)行提氫處理，得到乙烯產(chǎn)品；將分離得到的所述液體送入所述再生塔進(jìn)行溶劑再生；將液相溶劑送入反應(yīng)完且排除了反應(yīng)物的加氫反應(yīng)器進(jìn)行催化劑再生；將催化劑再生后的產(chǎn)物送入所述換熱器換熱之后，進(jìn)入氣液分離器分離，得到分離溶液；將所述分離溶液送入所述再生塔進(jìn)行溶劑再生，并得到綠油產(chǎn)品。
上述的方法，所述方法還可包括步驟：將提氫處理提取的氫氣返回所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)；將再生得到的溶劑返回所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)利用；將再生后的溶劑送入加氫反應(yīng)后的反應(yīng)物中進(jìn)行換熱處理，使所述反應(yīng)物溫度降溫。
進(jìn)一步地，上述的方法中所述溶劑包括N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、吡啶、咪唑、喹啉中的一種或幾種。
本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明提出了一種新的乙炔制乙烯的反應(yīng)系統(tǒng)及方法，該反應(yīng)系統(tǒng)及方法簡(jiǎn)單易操作，該乙炔加氫制乙烯工藝的主要過程溫度都可以控制在250℃以下進(jìn)行操作，因而催化劑再生過程為低溫再生，從而避免了高溫焙燒再生過程的高能耗以及燒除有機(jī)物帶來的煙氣排放，避免出現(xiàn)催化劑高溫引發(fā)的床層飛溫、乙炔自聚、乙烯進(jìn)一步加氫等副反應(yīng)的發(fā)生。
本發(fā)明的加氫裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)加氫和催化劑再生兩種功能，該工藝過程能夠最大程度回收乙炔加氫反應(yīng)過程中的副產(chǎn)物綠油，避免了綠油損失和浪費(fèi)，而且降低了催化劑再生的能耗，簡(jiǎn)化了再生過程。
附圖說明
圖1為本發(fā)明乙炔制乙烯工藝過程的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
如圖1是本實(shí)施方式中乙炔制乙烯工藝過程的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明采用高濃度乙炔加氫制乙烯的工藝主要包括以下幾個(gè)裝置：兩個(gè)乙炔加氫反應(yīng)器I、II，其中加氫反應(yīng)器I處于工作狀態(tài)則另一個(gè)加氫反應(yīng)器II處于催化劑再生狀態(tài)，反之亦然；換熱器，用于反應(yīng)及再生之后的溶液之間進(jìn)行換熱；氣液分離器，用于將加氫反應(yīng)器中反應(yīng)后的氣液混合物進(jìn)行氣液的分離；再生塔，用于再生溶解綠油的溶劑，再生后得到的溶劑可進(jìn)行循環(huán)利用，再生后得到的綠油進(jìn)行回收；提氫裝置，氣液分離后的氣體進(jìn)行提氫處理，氫氣可作為反應(yīng)氣循環(huán)使用，乙烯為所要獲得的氣體產(chǎn)品。
所述加氫反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有催化劑層，其包括反應(yīng)物入口和反應(yīng)物出口。
所述提氫裝置包括氣體入口、氫氣出口和乙烯出口。
所述再生塔包括物料入口、溶劑出口和綠油出口。
在用于加氫反應(yīng)的所述加氫反應(yīng)器及用于催化再生的加氫反應(yīng)器與所述氣液分離器之間設(shè)有換熱器，用于反應(yīng)及再生之后的溶液之間進(jìn)行換熱。換熱之后溶液冷卻到100℃左右，經(jīng)氣液分離后液體進(jìn)入溶劑再生塔。溶劑再生塔塔底溫度控制在140-240℃。
用于加氫反應(yīng)的所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物出口連接換熱器后再連接氣液分離器的入口，所述氣液分離器的氣體出口連接所述提氫裝置的氣體入口，所述氣液分離器的液體出口連接所述再生塔的物料入口。
用于催化劑再生的所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物出口連接換熱器后也連接所述氣液分離器的入口。
為了溶劑的循環(huán)利用，可將所述再生塔的溶劑出口連接所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物入口。
同樣，為了氫氣的回收利用，可將所述提氫裝置的氫氣出口連接所述加氫反應(yīng)器的反應(yīng)物入口。
具體地，本發(fā)明中的兩個(gè)加氫反應(yīng)器，其中一個(gè)加氫另一個(gè)處于再生階段。再生完成的反應(yīng)器處于備用狀態(tài)，當(dāng)反應(yīng)器催化劑失活后，則該反應(yīng)器進(jìn)行再生，另一個(gè)進(jìn)行反應(yīng)。
當(dāng)加氫反應(yīng)器處于加氫狀態(tài)時(shí)，該裝置進(jìn)料分為兩相，三股原料，液相為有機(jī)溶劑，氣相為氫氣和乙炔的混合氣體。反應(yīng)后的氣液混合物換熱后再進(jìn)入氣液分離器。
乙炔加氫裝置反應(yīng)壓力為0.1-0.4MPa，反應(yīng)溫度控制在100-200℃之間。
氫氣和液相溶劑一起進(jìn)入乙炔加氫裝置的反應(yīng)物入口之后可經(jīng)霧化噴嘴進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。
氫氣、乙炔和溶劑的體積比為30-900：7-250:1。
乙炔加氫裝置為處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的催化劑床層，轉(zhuǎn)速為50-1000rpm。
乙炔加氫裝置的催化劑為以分子篩、氧化鋁、二氧化硅、高嶺土和蒙脫土等為載體負(fù)載Pd活性金屬及Ag助劑，Pd和Ag的質(zhì)量比為1:1-5。
當(dāng)加氫反應(yīng)器處于再生狀態(tài)時(shí)，該裝置進(jìn)料則為液相單獨(dú)進(jìn)料。液相有機(jī)溶劑溶解覆蓋在催化劑表面的綠油，并帶出反應(yīng)器，之后換熱后進(jìn)入氣液分離器，液體再進(jìn)入再生塔進(jìn)行再生處理，生成綠油產(chǎn)品。再生后的有機(jī)溶劑可進(jìn)行循環(huán)使用。此時(shí)，該裝置催化劑床層仍然處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為50-1000rpm。再生萃取時(shí)，催化劑床層溫度控制在40-100℃之間。
氣液分離后的氣體經(jīng)過提氫裝置處理之后，乙烯氣體作為產(chǎn)品，回收的氫氣作為加氫原料返回處于加氫工作狀態(tài)的加氫裝置。
本發(fā)明所述的再生方法為溶劑再生法，也就是，萃取溶劑流過反應(yīng)床層之后將催化劑表面覆蓋的綠油溶解并帶出反應(yīng)器。
本發(fā)明所述的催化劑萃取再生溶液可以和加氫反應(yīng)有機(jī)溶液共用一套有機(jī)溶劑再生系統(tǒng)。
本發(fā)明所述的有機(jī)溶劑主要包括：N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、吡啶、咪唑、喹啉等，可為它們中的一種或幾種的混合物。
本發(fā)明制乙烯的方法，主要包括以下步驟：
將氫氣、乙炔和液相溶劑送入用于加氫反應(yīng)的所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)后生成氣體和液體混合物。
將加氫反應(yīng)后的反應(yīng)物換熱后送入所述氣液分離器進(jìn)行分離，得到氣體與液體。
將分離得到的所述氣體送入所述提氫裝置進(jìn)行提氫處理，得到乙烯產(chǎn)品與氫氣。
將分離得到的液體送入溶劑再生塔進(jìn)行溶劑再生，以便溶劑的循環(huán)利用。
將液相有機(jī)溶劑送入反應(yīng)完且排除了反應(yīng)物的加氫反應(yīng)器進(jìn)行催化劑再生。
將催化劑再生后的產(chǎn)物換熱后送入氣液分離器進(jìn)行分離，得到分離溶液。
將分離溶液送入再生塔進(jìn)行溶劑再生，并得到綠油產(chǎn)品。
當(dāng)然，上述方法也可包含以下步驟：
將提氫處理提取的氫氣返回所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，形成循環(huán)利用。
將再生得到的溶劑返回所述加氫反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)利用，可以用作催化萃取劑也可用作加氫反應(yīng)溶劑。
也可將再生后的溶劑送入加氫反應(yīng)后的反應(yīng)物中進(jìn)行換熱處理，使所述反應(yīng)物溫度降溫。
本發(fā)明的反應(yīng)系統(tǒng)不同于固定床傳統(tǒng)的氣固接觸反應(yīng)，主要反應(yīng)為固態(tài)催化劑和氣液膜接觸反應(yīng)。非極性有機(jī)溶劑、乙炔和氫氣經(jīng)過噴霧裝置進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的催化劑床層中，進(jìn)行選擇性加氫反應(yīng)。加氫過程中釋放出的熱量使得溶解乙炔的液體發(fā)生相變換，部分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，移出反應(yīng)熱，從而避免催化劑表面溫升過大，造成床層飛溫，能夠避免乙炔自聚、乙烯進(jìn)一步加氫等副反應(yīng)的大量發(fā)生。
乙炔加氫反應(yīng)器床層中的催化劑長(zhǎng)期使用會(huì)造成綠油覆蓋在催化劑表面，從而造成催化劑活性中心無法與反應(yīng)物接觸而導(dǎo)致失活。本工藝中催化劑的再生方法與傳統(tǒng)催化劑再生方法不同，不僅能夠充分回收利用催化劑表面上的綠油，而且降低了催化劑再生的能耗，簡(jiǎn)化了再生過程。
實(shí)施例1
采用實(shí)施方式中的用于乙炔制乙烯的系統(tǒng)如圖1所示。
加氫裝置乙炔原料氣的壓力為0.3MPa，乙炔的流量為6Nm3/h；氫氣的原料氣壓力為0.3MPa，氫氣流量為30Nm3/h。有機(jī)溶劑通過泵打入乙炔加氫反應(yīng)器中，泵的出口壓力為0.3MPa，流量為0.8m3/h。
催化劑床層溫度控制在150℃，通過轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)控制催化劑床層的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為500rpm。
催化劑床層采用的催化劑為а-Al2O3小球，粒徑分布范圍為2-5mm，負(fù)載活性金屬Pd和Ag。Pd的負(fù)載量為0.03％(wt)，Ag的負(fù)載量為0.07％(wt)。
加氫裝置的催化劑處于再生狀態(tài)時(shí)，再生壓力為常壓，有機(jī)溶劑流量為0.4m3/h，催化劑床層溫度控制在60℃。
將反應(yīng)產(chǎn)物換熱冷卻到25℃后，使其進(jìn)入到氣液分離器，分離后的氣體進(jìn)入提氫裝置提取循環(huán)氫氣，液相產(chǎn)物則進(jìn)入到溶劑再生塔進(jìn)行再生處理。
再生塔處理量為1.2m3/h，控制再生塔塔底溫度為220℃，再生后的有機(jī)溶劑從塔頂流出，進(jìn)行循環(huán)利用，綠油則由塔底流出作為產(chǎn)品。
氣液分離器分離出的氣體進(jìn)入提氫裝置后進(jìn)行提氫處理，氫氣作為原料氣循環(huán)使用，乙烯氣體作為產(chǎn)品輸出。
當(dāng)加氫裝置中催化劑由于綠油覆蓋失活之后，系統(tǒng)切換進(jìn)入再生狀態(tài)操作，再生好催化劑后再進(jìn)行加氫操作。
有機(jī)溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、吡啶、咪唑、喹啉的混合物。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的乙炔加氫制乙烯的系統(tǒng)及操作步驟如實(shí)施例1，不同在于所用有機(jī)溶劑不同，其為N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和吡啶的混合物。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的乙炔加氫制乙烯的系統(tǒng)及操作步驟如實(shí)施例1，不同在于所用有機(jī)溶劑不同，其為N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和咪唑的混合物。
實(shí)施例4
本實(shí)施例的乙炔加氫制乙烯的系統(tǒng)及操作步驟如實(shí)施例1，不同在于所用有機(jī)溶劑不同，其為N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和喹啉的混合物。
實(shí)施例5
本實(shí)施例的乙炔加氫制乙烯的系統(tǒng)及操作步驟如實(shí)施例1，不同在于所用有機(jī)溶劑不同，其為N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
由于本發(fā)明中有機(jī)溶劑的組合較多，可為它們中的任一種或多種的混合物，因而在此不再一一列舉，對(duì)于普通技術(shù)人員來說都應(yīng)該明白所有的組合方式皆可行。
最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。