具氢分离机制的热管-列管式固定床丙烷脱氢反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种具氢分离机制的热管

【技术实现步骤摘要】
具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器


[0001]本专利技术涉及一种反应器，具体涉及一种具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器。

技术介绍

[0002]轻烃脱氢反应的体系是典型的气固相反应体系，常用的催化剂为金属催化剂或具有酸中心的分子筛催化剂，该催化反应体系通常选用固定床反应器和流化床反应器。丙烷作为石油伴生气的主要组成部分，储量丰富，但是因其分子结构相对稳定，目前主要作为气体燃料和重整制合成气的原料。如将丙烷催化脱氢，可同时获得丙烯和氢气，能在同时获得两种重要的工业原料的同时能显著提升丙烷利用时的经济附加值。丙烷脱氢的反应方程式如下所示：
[0003]C3H8＝C3H6+H2ΔH0＝129.4kJ/mol,ΔG0＝100.4kJ/mol
[0004]从热力学的角度分析，丙烷脱氢是典型的吸热反应，热力学计算结果表明这一过程受热力学限制，其平衡转化率偏低。下图1是在常压下不同反应温度下的平衡转化率，可以发现，在常用的反应温度(450～650℃)区间，丙烷的热力学平衡转化率低于30％。这意味着使用普通反应器时，其单程和总体转化率都会偏低。为了提升丙烷的总体转化率，在单程转化后，产物与未反应的丙烷出反应系统，经冷却分离等工艺后将氢气与丙烯分离出，再将未转化的丙烷送入反应器进行脱氢反应。这一过程中宽范围的温度变化和气体分离所需的能耗(高温高压)非常高，导致生产成本的上升和更多的CO2排放。
[0005]从反应工程的角度来看，如果能在反应的同时将氢气移出反应器，改变热力学对反应深度的限制，则可以将丙烷的转化率提升至较高水平，从而减少了循环和下游分离要求，避免上述分离循环设计中的高能耗和高碳排。而通过膜分离技术将丙烷催化脱氢产物中的一种实时分离处理，能够改变此反应的平衡转化率，从而实现丙烷脱氢反应在反应器内实现高转化率。
[0006]质子膜分离是近年来发展起来用于氢气分离的技术，对反应系统引入管式质子膜后，膜反应器可以实现在反应的同时将H2实时移出反应器，以推高原料的转化率。但是引入管式质子膜后，膜的两侧都被工艺物料占据，这意味着固定床反应器中原有的两个独立的密闭空间均被反应物料占据，原先用于热交换的密闭空间将不复存在，这对反应器的设计提出了很大的挑战。
[0007]固定床反应器中，如能实现等温操作的列管式固定床反应器，反应器的结构决定了反应器通常只能提供两个独立的密闭空间，其中一个用于反应侧(用于催化剂装填和反应物的通过)，另一个用于公用工程侧(在放热反应体系中移去反应热，在吸热反应体系中提供热量用于反应吸热)。当需要将质子膜引入反应器中在线移出H2时，意味着在反应器中需要为反应侧提供两个独立密闭的空间，与公用工程侧(供热或移热)共同构成三个独立空间，这三个密闭的空间需要分别与外界进行物质交换。这从反应器的构造设计和建造上都增加了很大的难度与成本。
[0008]目前关于质子膜反应器的公开文献，都忽略了这一问题。常见的关于质子膜脱氢反应器中，管式膜的一侧为装填有催化剂的反应通道，膜的另一侧为分离后的氢气的通道，部分文献也显示对反应管内的加热过程，但在实际中，普通的设计无法容纳同时出现的两个反应侧通道和一个为反应提供热量的公用工程侧通道。
[0009]当原有的两个独立密闭空间被反应侧和氢气分离侧所占据时，在反应器的构建中，需创造出一个额外的独立密闭空间，用于提供脱氢反应所需的反应吸热。这一空间的建立，可以在反应管的几何中心增加供热管，各反应管内的供热管汇聚后，在反应管上方和下方构建换热介质的汇集器，再将换热介质送出反应器外，以达到循环供热的目的。但是这一设计的直接后果是反应器无法装填或更换催化剂，原因在于供热的实现需要通过持续不断地向反应器内送入和移出换热介质，而通过换热介质将热量持续移出反应器或送入反应器是工程实践中常用且标准的方法。为了避免集热器等内件的设置，则需不依赖于换热介质的交换来实现移热或供热。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器。
[0011]本专利技术采用的技术方案为：一种具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器，包括反应器本体、若干反应管和若干热管；所述反应器本体内布置有水平的隔板、上管板和下管板，上下管板将反应器分隔为自下而上的加热池、进料区、反应区和出料区；所述反应器本体上开设有与进料区连通的反应物进口、与反应区连通的吹扫气入口和氢气出口，以及与出料区连通的产品出口；所述若干反应管竖向间隔安装在上下管板上，反应管的下端与进料区连通，反应管的上端与出料区连通；每根反应管的中部穿过一根热管，反应管内壁与热管外壁之间充填催化剂床层；所述热管两端封闭，其内装有相变介质；热管的下端伸入加热池内。
[0012]按上述方案，所述反应管由氢气可穿过的质子膜制作，质子膜采用金属
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陶瓷双相质子传导膜材料或者陶瓷
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陶瓷双相质子传导膜材料。
[0013]按上述方案，所述热管包括热管上段和热管下段，热管上段位于反应管内，且延伸至反应管的顶部；热管下段位于进料区和加热池内；热管下段的长度热管上段长度的1/5～1/3。
[0014]按上述方案，所述热管整体呈圆柱形，热管内表面为开设有齿状的导流凹槽。
[0015]按上述方案，所述热管内填充的相变介质为液体金属Na或K。
[0016]按上述方案，催化剂床层采用铬系催化剂或铂系催化剂制作。
[0017]按上述方案，所述反应管在反应器本体内间隔错位布置；所述反应管与其内部的热管同轴。
[0018]按上述方案，所述反应物进口安装有进料分布器，进料分布器位于进料区内。
[0019]按上述方案，所述反应器本体上开设有与加热池连通的氮气入口和氮气出口。
[0020]按上述方案，所述反应器本体包括筒状的壳体、固定于壳体底部的下封头，以及固定于壳体顶部的上封头。
[0021]按上述方案，所述氢气出口通过管道与负压抽气泵相连；所述吹扫气入口与惰性
气体供应管道连通。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]1、本专利技术中反应器的反应区设有三个独立密闭的空间，以满足反应侧、氢气移出侧、供热侧的物料交换的要求，反应侧、氢气移出侧分别用于反应和氢气的移出，供热侧的密闭独立空间用于供热。
[0024]2、本专利技术中反应管采用金属
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陶瓷双相质子传导膜或陶瓷
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陶瓷双相质子传导膜制作，管内装填有催化剂，可在反应的同时，实时分离出丙烷脱氢生成的氢气，反应与分离耦合，突破该反应过程中热力转化深度限制，提高丙烷脱氢反应的平衡转化率，推升丙烷单程转化率，同时，随着氢气的有效移出，可以抑制副反应的发生，进一步提高氢气的选择性。
[0025]3、本专利技术在反应管内设置热管，能在不额外增加换热介质的情况下实现对反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器，其特征在于，包括反应器本体、若干反应管和若干热管；所述反应器本体内布置有水平的隔板、上管板和下管板，上下管板将反应器分隔为自下而上的加热池、进料区、反应区和出料区；所述反应器本体上开设有与进料区连通的反应物进口、与反应区连通的吹扫气入口和氢气出口，以及与出料区连通的产品出口；所述若干反应管竖向间隔安装在上下管板上，反应管的下端与进料区连通，反应管的上端与出料区连通；每根反应管的中部穿过一根热管，反应管内壁与热管外壁之间充填催化剂床层；所述热管两端封闭，其内装有相变介质；热管的下端伸入加热池内。2.如权利要求1所述的具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器，其特征在于，所述反应管由氢气可穿过的质子膜制作，质子膜采用金属
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陶瓷双相质子传导膜材料或者陶瓷
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陶瓷双相质子传导膜材料制作。3.如权利要求1所述的具氢分离机制的热管
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列管式固定床丙烷脱氢反应器，其特征在于，所述热管包括热管上段和热管下段，热管上段位于反应管内，且延伸至反应管的顶部；热管下段位于进料区和加热池内；热管下段的长度热管上段长度的1/5～1/3。4.如权利要求1所述的具氢分离机制的热管
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列管式...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆小军，和铖阳，张睿，刘一文，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：