一种C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置论文和设计-谭亚南

全文摘要

本实用新型公开了C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，所述反应装置包括烷基化反应单元和产品分离单元，烷基化反应单元包括设置有第一催化剂床层的反应容器、第一顶部进料管、第一底部出料管和至少1根氢气输出导管，所述至少1根氢气输出导管伸入至反应容器并插入所述第一催化剂床层中，反应容器通过第一顶部进料管与C1源和甲苯源相连并通过第一底部出料管与产品分离单元的第二顶部进料管相连。本实用新型具有高苯乙烯收率、技术经济性较佳、系统运行稳定等优点，提高了C1源和甲苯侧链烷基化制备苯乙烯工艺技术的技术经济性和推广可能性。

主设计要求

1.一种C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述反应装置包括烷基化反应单元和产品分离单元，所述烷基化反应单元包括设置有第一催化剂床层的反应容器、第一顶部进料管、第一底部出料管和至少1根氢气输出导管，所述至少1根氢气输出导管伸入至反应容器并插入所述第一催化剂床层中，反应容器通过第一顶部进料管与C1源和甲苯源相连并通过第一底部出料管与产品分离单元的第二顶部进料管相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述烷基化反应单元还包括至少1根侧部径向C1源进料管，所述至少1根侧部径向C1源进料管从侧部伸入所述反应容器中并且出口位于所述第一催化剂床层的上部或中间，其中，至少1根侧部径向C1源进料管的出口位于所述第一催化剂床层的中间。

3.根据权利要求2所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述侧部径向C1源进料管也与C1源相连，侧部径向C1源进料管的管壁开孔且出口处的开孔数多于入口处的开孔数。

4.根据权利要求1所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述氢气输出导管采用复合金属钯膜材料制成。

5.根据权利要求2所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述产品分离单元包括分离容器、第二顶部进料管、乙苯出料管、苯乙烯出料管、未反应C1源回料管、未反应甲苯回料管和氢气回料管，所述分离容器通过未反应甲苯回料管与所述烷基化反应单元的第一顶部进料管相连、通过未反应C1源回料管与所述烷基化反应单元的至少1根侧部径向C1源进料管相连并且通过氢气回料管与所述氢气输出导管的出口端相连。

6.根据权利要求5所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，其特征在于，所述反应装置还包括乙苯脱氢反应单元，所述产品分离单元通过所述乙苯出料管与所述乙苯脱氢反应单元的第三顶部进料管相连，所述乙苯脱氢反应单元包括设置有第二催化剂床层的脱氢容器、第三顶部进料管和脱氢反应产物出料管，所述脱氢容器通过脱氢反应产物出料管与所述产品分离单元的第二顶部进料管或与烷基化反应单元的第一底部出料管相连。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于化学工程技术领域中的催化反应领域，更具体地讲，涉及一种C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置。

背景技术

在当代化工产业中，苯乙烯作为重要的有机合成原料，被广泛应用于生成聚苯乙烯、丁苯橡胶、离子交换树脂、医药及染料等，其系列化工材料产量仅次于世界高产聚合物的产量，排在世界合成树脂量的前列。传统的苯乙烯生产工艺多用苯和乙烯生产乙苯，再催化脱氢制得苯乙烯产品，该工艺存在路线长、催化剂床层温度高(600～660℃)、能耗高和原料成本高等缺点。

C1源和甲苯通过侧链烷基化反应可制得苯乙烯(联产乙苯)，是近年来研究者们重点关注的新型工艺，特别是甲醇和甲苯侧链烷基化工艺技术，该技术具有原料来源广泛且廉价、工艺流程短、床层温度低、工艺能耗低和产品综合成本低等优点，若能突破催化剂技术瓶颈，其技术经济性尤其显著。如实用新型专利CN103664485A中，开发了甲醇、甲苯侧链烷基化生成苯乙烯、乙苯的工艺方法，解决了甲醇综合收率低的问题，但因该催化反应为酸碱协同催化反应，通常使用X型或Y型低硅铝比类分子筛为催化剂的主要活性组分，如实用新型专利CN103539601A中，实用新型者采用的X型或Y型低硅铝比分子筛为催化剂前驱体，并进行了碱金属离子改性从而使催化剂满足较高的中强碱活性位(影响催化剂催化性能的关键因素之一)，该技术大大提高了甲苯的转化率和乙苯、苯乙烯的总收率，但该催化剂的热稳定性、抗积碳性能仍难以保障，催化剂寿命较短，特别是甲醇活化后生成的氢气极易与活泼的苯乙烯反应生成乙苯，造成主要目标产品苯乙烯收率下降，因此迫切通过抑制苯乙烯加氢反应提高目标产品苯乙烯的收率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中C1源和甲苯侧链烷基化工艺技术对苯乙烯收率低，技术经济性差等难题，提供一种应用于C1源和甲苯侧链烷基化的反应装置。

本实用新型提供了一种C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置，所述反应装置包括烷基化反应单元和产品分离单元，所述烷基化反应单元包括设置有第一催化剂床层的反应容器、第一顶部进料管、第一底部出料管和至少1根氢气输出导管，所述至少1根氢气输出导管伸入至反应容器并插入所述第一催化剂床层中，反应容器通过第一顶部进料管与C1源和甲苯源相连并通过第一底部出料管与产品分离单元的第二顶部进料管相连。

根据本实用新型所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置的一个实施例，所述烷基化反应单元还包括至少1根侧部径向C1源进料管，至少1根侧部径向C1源进料管从侧部伸入所述反应容器中并且出口位于所述第一催化剂床层的上部或中间，其中，至少1根侧部径向C1源进料管的出口位于所述第一催化剂床层的中间。

根据本实用新型所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置的一个实施例，所述侧部径向C1源进料管也与C1源相连，侧部径向C1源进料管的管壁开孔且出口处的开孔数多于入口处的开孔数。

根据本实用新型所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置的一个实施例，所述氢气输出导管采用复合金属钯膜材料制成。

根据本实用新型所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置的一个实施例，所述产品分离单元包括分离容器、第二顶部进料管、乙苯出料管、苯乙烯出料管、未反应C1源回料管、未反应甲苯回料管和氢气回料管，所述分离容器通过未反应甲苯回料管与所述烷基化反应单元的第一顶部进料管相连、通过未反应C1源回料管与所述烷基化反应单元的至少1根侧部径向C1源进料管相连并且通过氢气回料管与所述氢气输出导管的出口端相连。

根据本实用新型所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置的一个实施例，所述反应装置还包括乙苯脱氢反应单元，所述产品分离单元通过所述乙苯出料管与所述乙苯脱氢反应单元的第三顶部进料管相连，所述乙苯脱氢反应单元包括设置有第二催化剂床层的脱氢容器、第三顶部进料管和脱氢反应产物出料管，所述脱氢容器通过脱氢反应产物出料管与所述产品分离单元的第二顶部进料管或与烷基化反应单元的第一底部出料管相连。

与现有技术相比，本实用新型克服了现有侧链烷基化技术苯乙烯收率低、反应系统稳定性、苯乙烯收率低和技术经济性较差的难题，同时可将副产的高附加值氢气分离、提纯并储存或输送到下游工序。本实用新型提供了高苯乙烯收率的C1源和甲苯侧链烷基化反应装置及其配套工艺，具有高苯乙烯收率、技术经济性较佳、系统运行稳定等优点，大大提高了C1源和甲苯侧链烷基化制备苯乙烯工艺技术的技术经济性和推广可能性。

附图说明

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置及工艺流程示意图。

图2示出了根据本实用新型对比例1的C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置及工艺流程示意图。

附图标记说明：

1-烷基化反应单元、11-反应容器、12-氢气输出导管、13-侧部径向C1源进料管、14-第一顶部进料管、15-第一底部出料管、16-第一催化剂床层；

2-产品分离单元、21-分离容器、22-第二顶部进料管、23-乙苯出料管、24- 未反应C1源回料管、25-苯乙烯出料管、26-未反应甲苯回料管、27-氢气回料管；

3-乙苯脱氢反应单元、31-脱氢容器、32-第二催化剂床层、33-第三顶部进料管、34-脱氢反应产物出料管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和\/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

侧链烷基化反应因原料甲醇等C1源首先在反应器催化剂生成甲醛和氢气，甲醛再与活化后的甲苯发生反应，主要有苯乙烯和乙苯两种产物，其中苯乙烯为目标产物，但苯乙烯比较活泼，极易与副产物氢气发生反应生成乙苯，从而导致目标产物苯乙烯的收率大大降低。本实用新型以此为出发点进行了相应的装置结构和工艺改进，提高了烷基化制苯乙烯工艺的技术经济性和该技术工业化的推广可行性。

下面对本实用新型的C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置进行具体说明。本实用新型中所采用的C1源包括但不限于甲醇、甲醛、二甲醚、多聚甲醛、甲缩醛和福尔马林。

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置及工艺流程示意图。

如图1所述，根据本实用新型的示例性实施例，所述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置包括烷基化反应单元1和产品分离单元2，烷基化反应单元1主要用于进行C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的主要反应，产品分离单元2主要用于实现产物的分离。

烷基化反应单元1包括设置有第一催化剂床层16的反应容器11、第一顶部进料管14、第一底部出料管15和至少1根氢气输出导管12，至少1根氢气输出导管12伸入至反应容器11并插入第一催化剂床层16中，反应容器11通过第一顶部进料管14与C1源和甲苯源相连并通过第一底部出料管15与产品分离单元2的第二顶部进料管22相连。

本实用新型主要通过向烷基化反应单元的反应容器11中插入至少1根氢气输出导管12，从反应单元中分离并输出副产氢气，以降低反应系统内氢气的浓度的方法来抑制苯乙烯的加氢反应，从而实现苯乙烯收率的提高，该结构改进提高了反应效率，同时降低了分离装置的规模和产物分离成本，最终提高烷基化制苯乙烯工艺的技术经济性并提高该技术工业化推广可行性。

优选地，本实用新型的氢气输出导管12采用复合金属钯膜材料制成，复合金属钯膜材料具有较强的透氢能力，制成膜材料后可用于氢气的分离和生产，进而得到高纯度的氢气产品。由此可以通过将反应容器11中产生氢气聚集至复合金属钯膜材料制成的氢气输出导管12的管壁，此部分氢气可渗透过管壁通过氢气输出导管12输送至氢气储罐或下游工序。

根据本实用新型的优选实施例，本实用新型的烷基化反应单元1还包括至少1根侧部径向C1源进料管13，该至少1根侧部径向C1源进料管13从侧部伸入反应容器11中并且出口位于第一催化剂床层16的上部或中间，其中，需保证至少1根侧部径向C1源进料管13的出口位于第一催化剂床层16的中间。

其中，侧部径向C1源进料管13也与C1源相连以向反应容器11中供入 C1源，侧部径向C1源进料管13的管壁开孔且出口处的开孔数多于入口处的开孔数。

通过侧部径向C1源进料管13供入的C1源原料为经预热(稍高于反应温度)后进入催化剂床层中的，因烷基化反应为吸热反应，床层温度从顶部到底部逐渐降低，过高的顶部入口温度会导致床层顶部物料裂解并在催化剂表面积碳造成催化剂迅速失活，过低的顶部入口温度无法保证底部催化剂床层达到催化起活温度。而本实用新型通过在增加至少1根侧部径向C1源进料管13，可通过向催化剂床层通入稍过热的C1源原料，并使其与反应器内部物料迅速混合，让催化剂床层的轴向和径向温度分布均匀，消除温度场的阶梯分布，更利于反应器的稳定运行，也为将来工业装置的设计和加工解决了放大效应问题。

除了上述结构改进之外，本实用新型的烷基化反应单元可以采用现有技术中较优的结构和催化剂，本实用新型不对此进行具体限制。

本实用新型中的产品分离单元2包括分离容器21、第二顶部进料管22、乙苯出料管23、苯乙烯出料管25、未反应C1源回料管24和未反应甲苯回料管26，分离容器21通过未反应甲苯回料管26与烷基化反应单元1的第一顶部进料管16相连以将分离得到的未反应甲苯返回进行烷基化生产并提高甲苯利用转化率，分离容器21通过未反应C1源回料管24与烷基化反应单元1的至少1根侧部径向C1源进料管13相连以将未反应C1源物料也通过侧部径向C1源进料管13加入分离容器21中参与反应。此外，产品分离系统2也设置有氢气回料管27，分离容器21通过氢气回料管27与氢气输出导管12的出口端相以将分离出来的氢气也进行储存或进入下游工序。

本实用新型中采用的产品分离单元可以与现有技术中的分离器等设备结构相同，只是本实用新型通过将分离的物料进行进一步循环利用，提高了技术经济性。

根据本实用新型的优选实施例，本实用新型的反应装置还包括乙苯脱氢反应单元3，产品分离单元2通过乙苯出料管23与乙苯脱氢反应单元3的第三顶部进料管33相连，乙苯脱氢反应单元3包括设置有第二催化剂床层32的脱氢容器32、第三顶部进料管33和脱氢反应产物出料管34，脱氢容器31通过脱氢反应产物出料管34与产品分离单元2的第二顶部进料管22相连或与烷基化反应单元1的第一底部出料管15相连。

本实用新型通过在产品分离单元2后添加乙苯脱氢反应单元3，使分离后的乙苯能够进一步发生脱氢反应并副产更多的苯乙烯目标产物，同时因乙苯脱氢反应器的床层温度更高，可以充分利用其脱氢反应产物的余热预热侧链烷基化反应原料，达到原料的综合利用；并且，脱氢反应产物可同时进入侧链烷基化反应的产品分离单元2进行循环分离处理，提高分离系统的利用率和本工艺的整体技术经济性。

本实用新型中采用的乙苯脱氢反应单元可以采用现有技术中较优的结构和催化剂，本实用新型不对此进行具体限制。

根据本实用新型的最优实施例，反应时，甲苯原料从烷基化反应单元1的反应容器11顶部进反应容器11中并与第一催化剂床层16接触，C1原料分别根据反应要求从反应容器11的顶部和侧壁进入反应容器11中并与第一催化剂床层16接触；在反应条件下，甲苯和C1原料在第一催化剂床层反应生成苯乙烯、氢气和乙苯，氢气透过复合金属钯膜进入氢气输出导管12后被收集进入氢气储罐或下游工序，苯乙烯和乙苯经第一底部出料管进入产品分离单元2分离，经分离后的甲苯和甲醇等循环再次进入烷基化反应单元反应，经分离后的苯乙烯则作为产品直接进入苯乙烯产品储罐或下游工序，乙苯则进入乙苯脱氢反应单元副产更多的苯乙烯产品。

采用上述C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯的反应装置进行C1源和甲苯烷基化生产苯乙烯时，具体地，将甲苯和部分C1源从烷基化反应单元1的第一顶部进料管14加入反应容器11中并与第一催化剂床层16接触反应生成苯乙烯、氢气和乙苯，氢气通过至少1根氢气输出导管12导出后进入氢气储罐或下游工序，所苯乙烯和乙苯经第一底部出料管15进入产品分离单元2进行分离，分离所得苯乙烯作为产品直接进入苯乙烯产品储罐或下游工序，其中，C1 源为甲醇、甲醛、二甲醚、多聚甲醛、甲缩醛或福尔马林。

进一步地，当烷基化反应单元1还包括至少1根侧部径向C1源进料管13 时，同时将部分C1源从至少1根侧部径向C1源进料管13加入反应容器11 中参与反应，将产品分离单元2分离得到的未反应C1源也从至少1根侧部径向C1源进料管13加入反应容器11中参与反应，将产品分离单元2分离得到的未反应甲苯从烷基化反应单元1的第一顶部进料管14加入反应容器11中参与反应。提高物料利用率并提高技术经济性的同时，能够让催化剂床层轴向和径向温度分布均匀，消除温度场的阶梯分布且更利于反应器的稳定运行。

更进一步地，当反应装置还包括乙苯脱氢反应单元3时，将分离所得乙苯加入脱氢容器31中进行脱氢副产得到脱氢反应产物，将所得脱氢反应产物返回至产品分离单元2重新分离回收，同时利用所得脱氢反应产物的余热预热进入烷基化反应单元1的原料，有利于提高分离单元的利用率和本工艺的整体技术经济性。

下面结合具体实施例和对比例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

反应装置结构如图1所示，该反应装置主要由烷基化反应单元1、产品分离单元2和乙苯脱氢反应单元3三部分组成。

其中，烷基化反应单元1主要包括反应容器、3根复合金属钯膜氢气输出导管、3根侧部径向C1原料进料管、第一顶部进料管(送入甲苯原料和部分 C1原料)及分布器和第一催化剂床层、第一底部出料管(输出苯乙烯和乙苯)。第一顶部进料管分别与外界C1源和甲苯管线相连，同时还与产品分离单元的未反应甲苯回料管相连，第一底部出料管与产品分离单元的第二顶部进料管相连。烷基化反应单元的反应容器侧壁上设置有3根侧部径向C1侧线进料管道伸入第一催化剂床层的内部，同时与来自产品分离单元的未反应C1源回料管相连；复合金属钯膜的氢气输出导管伸入催化剂床层的内部并与氢气储罐或下游工序相连，同时复合金属钯膜的氢气输出导管与产品分离单元的氢气回料管相连。

产品分离单元的第二顶部进料管与烷基化反应单元的第一底部出料管相连，同时还与乙苯脱氢反应单元的脱氢反应产物出料管相连。产品分离单元采用现有成熟分离技术，分别将氢气、未反应的C1源、未反应的甲苯、苯乙烯、乙苯分离，其中氢气与复合金属钯膜的氢气输出导管相连后一起进入氢气储罐或下游工序，未反应的C1源与新鲜C1源原料混合并预热后通过侧部径向C1 侧线进料管进入第一催化剂床层内部与反应容器内的物料迅速混合均匀，未反应的甲苯与新鲜的甲苯原料混合并预热后通过烷基化反应单元反应容器的第一顶部进料管进入第一催化剂床层发生反应，副产乙苯经乙苯脱氢反应单元的第三顶部进料管进入乙苯脱氢第二催化剂床层发生脱氢反应，所得苯乙烯产品直接进入储罐或下游工序。

乙苯脱氢反应单元的第三顶部进料管与产品分离单元的乙苯出料管相连，乙苯脱氢反应单元的脱氢反应产物出料管与烷基化反应单元的第一底部出料管相连或与产品分离单元的第二顶部进料管相连。

采用上述C1源和甲苯侧链烷基化反应装置进行反应，工艺流程如下：

预先将烷基化反应单元和乙苯脱氢反应单元分别装填满侧链烷基化催化剂和乙苯脱氢催化剂及相应填料，并用压缩氮气将反应装置中的设备和管道吹扫干净，吹扫步骤重复进行，并以系统中的氧气含量<0.2％(wt％)为合格，启动系统中的加热或冷凝设备(图中未图示)，将甲苯和部分C1源原料经预热至>425℃后从烷基化反应单元的顶部进入反应容器的第一催化剂床层发生催化反应，生成氢气、乙苯和苯乙烯等产物。同时，在反应容器的侧壁有3根侧部C1源物料进料管将部分C1源原料送入第一催化剂床层内部或上方，以与反应容器内的物料迅速混合均匀，氢气经插入催化剂床层内部的复合金属钯膜氢气输出导管渗透、收集后进入氢气储罐或下游工序，反应生成的乙苯、苯乙烯、未反应的C1源和未反应的甲苯等产物经烷基化反应单元的第一底部出料管进入后续的产品分离单元，此部分物料取小样经气相色谱分析后结果如表1 所示(反应条件为：苯和甲醇摩尔比5:1、总进料空速2h ^{-1<\/sup>、常压、床层温度控制为440℃)；}

产品分离单元采用现有成熟分离技术，分别将氢气、未反应的C1源、未反应的甲苯、苯乙烯、乙苯分离，其中分离后的氢气与复合金属钯膜氢气输出导管的氢气物料混合后一起进入氢气储罐或下游氢气加工工序，分离后的C1 源与新鲜C1源原料混合后并预热后通过侧部径向C1侧线进料管进入催化剂床层内部与反应容器内物料迅速混合均匀，分离后的甲苯与新鲜的甲苯原料混合并预热后通过烷基化反应单元反应容器的第一顶部进料管进入第一催化剂床层发生反应，分离后的乙苯经乙苯脱氢反应单元的第三顶部进料管进入第二催化剂床层发生脱氢反应副产更多的苯乙烯，而苯乙烯产品经分离后直接进入苯乙烯储罐或下游苯乙烯加工工序。

未反应的乙苯经乙苯脱氢反应单元脱氢后从脱氢反应产物出料管与烷基化反应单元输出的产物物料迅速混合后一起进入产品分离单元进行产品分离，各产物经分离后分别进入相应储罐或下游工序，各物料以此方式循环。

对比例1：

本对比例采用的反应装置和工艺流程如图2所示，该反应装置由烷基化反应单元1和产品分离单元2两部分组成。

其中，烷基化反应单元1主要包括反应容器、顶部进料管(送入甲苯原料和部分C1原料)及分布器和催化剂床层、底部出料管(输出苯乙烯和乙苯)。顶部进料管分别与外界C1源和甲苯管线相连，同时还与产品分离单元的未反应甲苯回料管相连，底部出料管与产品分离单元的顶部进料管相连，其中底部出料管取小样后经气相色谱分析后结果如表1所示(反应条件为：苯和甲醇摩尔比5:1、总进料空速2h^{-1<\/sup>、常压、床层温度控制为440℃)。}

产品分离单元的顶部进料管与烷基化反应单元的底部出料管相连，产品分离单元采用现有成熟分离技术，分别将氢气、未反应的C1源、未反应的甲苯、苯乙烯、乙苯分离，其中氢气进入氢气储罐或下游工序，未反应的C1源与新鲜C1源原料混合并预热后通过烷基化反应器的顶部进料管进入催化剂床层内部与反应容器内的物料迅速混合均匀，未反应的甲苯与新鲜的甲苯原料混合并预热后通过烷基化反应单元反应容器的顶部进料管进入催化剂床层发生反应，所得苯乙烯产品直接进入储罐或下游工序。

表1实施例和对比例的烷基化反应器底部物料分析后反应数据

设计图

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