液体酸烷基化反应方法及反应系统技术方案

本发明专利技术公开了一种液体酸烷基化反应方法及反应系统，该液体酸烷基化反应方法包括以下步骤：烷基化原料及酸催化剂、循环物料依次通过旋转构件反应器和管式反应器，在旋转构件反应器中采用高耗能混合，停留时间1～4s，管式反应器中低耗能维持混合状态，停留时间1～10min，实现烷基化的完全反应。采用本发明专利技术的液体酸烷基化反应方法及反应系统可在达到同等混合状态及反应效果的情况下，降低混合搅拌需要的功耗，并可以精确控制烷基化反应的停留时间，减少物料返混，提高烷基化反应的选择性，在采用高烷烯比工艺条件下本发明专利技术的液体酸烷基化反应方法及反应系统的有益效果更明显。化反应方法及反应系统的有益效果更明显。化反应方法及反应系统的有益效果更明显。

【技术实现步骤摘要】
液体酸烷基化反应方法及反应系统


[0001]本专利技术涉及石油炼制工艺，具体涉及一种促进与维持烃原料与液体酸催化剂强混合的烷基化反应方法及反应系统。

技术介绍

[0002]烷基化是指引入烷基基团的化学反应过程，在烷基化的各种工业应用中，以异丁烷为基础，C3～C5等各种低碳烯烃为烷基化试剂进行烷基化反应，生产高辛烷值汽油调和组分为目的的异丁烷烷基化是最重要的烷基化工业应用之一。异丁烷烷基化技术发展过程中，主要使用硫酸或氢氟酸两种液体酸作为催化剂，近年来也有离子液、固体酸等作为烷基化催化剂，但技术尚不成熟，还没有大规模应用。由于氢氟酸易挥发，少量即对人体骨骼产生不可逆转的伤害，因此氢氟酸烷基化技术在环保要求日益增高的今天已受到很大的制约，相对而言尽管硫酸烷基化存在废酸处理等问题，但仍为更优的选择。液体酸烷基化反应中，烯烃溶解进入酸催化剂中相对较为容易，而异丁烷在液体酸中的溶解度很低，特别是硫酸为催化剂时，异丁烷在酸中的溶解度极低，反应受到异丁烷的扩散传质制约。如果异丁烷无法及时进入酸烃界面与烯烃反应生成理想的C8组分，则烯烃会自聚生成低辛烷值的副产品，导致最终的烷基化油辛烷值降低。通常的做法是采用很高的异丁烷/烯烃分子比，实际反应区中的烷烯比可以达到数十乃至数百，从而弥补异丁烷的溶解限制，抑制丁烯的副反应，但提高烷烯比直接导致后续异丁烷分离能耗的增加，影响装置的经济效益。
[0003]早年烷基化反应器采用喷嘴式混合方式，将烃原料分散喷入酸中实现混合。因硫酸的粘度较高，混合效果不佳，现仅在氢氟酸中保留该形式反应器。硫酸烷基化主流的反应器是如美国专利US3759318所公开的带导流设置的卧式搅拌釜，其后的改进将机械搅拌设为偏心结构。异丁烷、丁烯及硫酸催化剂在搅拌叶片作用下流向扩散片从而实现液相的分散。杜邦在2007年国际石油炼制年会上报导了其在卧式偏心搅拌釜上的一系列改造，其中包括增设异丁烷和丁烯的预混合，之后再和硫酸混合，从而强化异丁烷向反应界面的传质过程。机械搅拌釜的混合强度受到搅拌功率的限制，而且反应温度一般在10℃左右，更低的温度虽然有利于反应选择性，但低温下硫酸粘度升高，达到同等搅拌程度电机功耗急剧增大。
[0004]中国专利CN201310503472.4，CN201310503477.7等，北京化工大学2017年硕士论文“超重力硫酸法催化C4烷基化新工艺的研究”等公开了使用带有旋转填料的超重力设备来实现烷基化过程的设备及工艺方法，在旋转式床层的作用下，酸烃可达到良好的分散，从而提高产品质量。中国专利CN200880011181.0公开了一种高剪切反应器，用来实现异构烷烃与烯烃在液体酸催化剂下的烷基化反应过程，在高剪切作用下，乳浊液的液滴平均直径大约5μm，强化了混合传质过程。
[0005]分析上述技术方案可知，目前提高烷基化反应效率的一个重要的方向是解决较高粘度的酸催化剂、硫酸或离子液催化剂与烃体系中的混合传质问题，具有旋转结构的超重力反应器或者剪切搅拌器确实可以实现强化混合传质过程，有利于烷基化反应过程。但是，
硫酸催化下的烷基化反应，其反应时间相对氢氟酸过程要长很多，工业使用的卧式搅拌釜内停留时间约10～30min，而旋转、剪切设备中的强混合区的物料停留时间一般小于1s。上述公开技术强化了混合传质过程，但强混区内不能完成全部反应，离开强混区的酸烃乳化液很快分层。混合较差的酸烃乳化液中，易生成重组分，虽然生成量较小但对烷基化油的辛烷值却有较大负面影响。上述公开技术中解决这一问题的方法，都采用了出口物料再循环回反应器继续混合这一技术方案，此方案一方面会降低反应器的加工能力，另一方面，即使采用外循环方式，反应器内的总停留时间仍很低，主要的停留时间是在循环缓冲罐内，其中仍会出现乳化液分层现象。中国专利CN201610857346.2公开了一种技术方案，将超重力反应器与搅拌釜串联，离开超重力反应器的充分混合的酸烃乳液，进入搅拌釜内继续施加搅拌，以维持强混合状态并达到要求的反应时间。由于烷基化停留时间较长，该方案可能导致搅拌釜规模较大，实施强烈搅拌的功耗非常高。因此，输入较高能量实现的强混合乳液，如何在后续较小的能量输入前提下维持较长的反应时间，是使用旋转剪切式反应器应解决的一个重要技术点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种液体酸烷基化反应方法及反应系统，促进反应物料的混合传质，并在反应时间内维持酸烃乳化液的分散状态，从而减少副反应，提高烷基化油产品质量。
[0007]为达上述目的，本专利技术一种液体酸烷基化反应方法，该液体酸烷基化反应方法包括以下步骤：
[0008]S1：将含有异丁烷与烯烃的烷基化原料、酸催化剂通过喷嘴分散进入旋转构件反应器，烷基化原料和酸催化剂在旋转构件反应器中通过高速旋转构件进行混合，形成酸烃乳化液；烷基化原料及酸催化剂通过旋转构件的停留时间为1～4s，出口温度为3
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12℃，压力为50
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150kPa(g)；
[0009]S2：将酸烃乳化液输入管式反应器继续反应，管式反应器包含至少一下行式管道和至少一上行式管道，酸烃乳化液在管式反应器中的流速为0.1
‑
2m/s，停留时间为1～10min；管式反应器的中间段设置至少一个气液分离器，一部分酸烃乳化液气化形成的气相烃经气液分离器顶部进入压缩制冷单元；
[0010]S3：另一部分未气化的酸烃乳化液进入三相沉降分离器，酸烃乳化液经三相沉降分离器形成气相、烃相以及酸相，气相进入压缩制冷单元，烃相进入产品分离单元，酸相返回旋转构件反应器作为酸催化剂循环利用。
[0011]本专利技术的旋转构件反应器为超重力反应器，旋转构件的上部与壳体之间设有集气空间，旋转构件的下部与壳体之间设有集液空间，在烷基化反应过程中，集液空间及集液空间与管式反应器之间的连接管路内的液体为连续相。
[0012]本专利技术的液体酸烷基化反应方法的温度通过烃类汽化制冷的方式进行，旋转构件反应器、管式反应器与气液分离器的温度均为泡点温度，旋转构件反应器、管式反应器与气液分离器的压力通过调节设备的气体出口流量进行控制。
[0013]本专利技术的管式反应器的出口温度比入口温度低2～5℃。
[0014]本专利技术的下行段内还设有至少一内构件，用以改变物料的流动状态。
[0015]本专利技术的步骤S3中酸相的温度为
‑
3～5℃。
[0016]本专利技术的步骤S2中通过气液分离器进入压缩制冷单元的气相烃以及步骤S3中进入压缩制冷单元气相，经压缩制冷单元压缩制冷并返回旋转构件反应器循环利用。
[0017]本专利技术的压缩制冷单元与旋转构件反应器连接，用以将未反应的原料返回旋转构件反应器循环利用。
[0018]本专利技术的压缩制冷单元包括压缩机、冷却器以及闪蒸器依次连接；闪蒸器的顶部与压缩机连接，用以将闪蒸器中的气相返回压缩机重新液化。
[0019]优选地，本专利技术的酸催化剂为浓硫酸，或为浓硫酸和助剂组成的混合物；浓硫酸的质量浓度89.0～9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液体酸烷基化反应方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将含有异丁烷与烯烃的烷基化原料、酸催化剂通过喷嘴分散进入旋转构件反应器，所述烷基化原料和所述酸催化剂在所述旋转构件反应器中通过高速旋转构件进行混合，形成酸烃乳化液；所述烷基化原料及所述酸催化剂通过所述旋转构件的停留时间为1～4s，出口温度为3
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12℃，压力为50
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150kPa(g)；S2：将所述酸烃乳化液输入管式反应器继续反应，所述管式反应器包含至少一下行式管道和至少一上行式管道，所述酸烃乳化液在所述管式反应器中的流速为0.1
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2m/s，停留时间为1～10min；所述管式反应器的中间段设置至少一个气液分离器，一部分所述酸烃乳化液气化形成的气相烃经所述气液分离器顶部进入所述压缩制冷单元；S3：另一部分未气化的所述酸烃乳化液进入三相沉降分离器，所述酸烃乳化液经所述三相沉降分离器形成气相、烃相以及酸相，所述气相进入所述压缩制冷单元，所述烃相进入产品分离单元，所述酸相返回所述旋转构件反应器作为酸催化剂循环利用。2.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述旋转构件反应器为超重力反应器，所述旋转构件的上部与所述壳体之间设有集气空间，所述旋转构件的下部与所述壳体之间设有集液空间，在烷基化反应过程中，所述集液空间及所述集液空间与所述管式反应器之间的连接管路内的液体为连续相。3.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述液体酸烷基化反应方法的温度通过烃类汽化制冷的方式进行，所述旋转构件反应器、所述管式反应器与所述气液分离器的温度均为泡点温度，所述旋转构件反应器、所述管式反应器与所述气液分离器的压力通过调节设备的气体出口流量进行控制。4.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述管式反应器的出口温度比入口温度低2～5℃。5.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述下行段内还设有至少一内构件，用以改变物料的流动状态。6.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，步骤S3中所述酸相的温度为
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3～5℃。7.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，步骤S2中通过所述气液分离器进入所述压缩制冷单元的气相烃以及步骤S3中进入所述压缩制冷单元气相，经所述压缩制冷单元压缩制冷并返回所述旋转构件反应器循环利用。8.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述压缩制冷单元与所述旋转构件反应器连接，用以将未反应的原料返回所述旋转构件反应器循环利用。9.根据权利要求8所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述压缩制冷单元包括压缩机、冷却器以及闪蒸器依次连接；所述闪蒸器的顶部与所述压缩机连接，用以将所述闪蒸器中的气相返回所述压缩机重新液化。10.根据权利要求1所述的液体酸烷基化反应方法，其特征在于，所述酸催化剂为浓硫酸，或为浓硫酸和助剂组成的混合物；所述浓硫酸的质量浓度89.0～99.8％，所述助剂为离子液体或异丁烷，所述助剂的添加量为0.1～2.0wt％。11.根据权利要求1所述的液体酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华群，王若欣，高飞，李应文，何涛波，时文，刘奕隆，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：