Способ и устройство для дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта

Способ и устройство для дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта

Реферат

Изобретение относится к способу дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта, при котором алкан пропускают над соответствующим катализатором, вследствие чего образуется газовый поток, который содержит олефин, водород и непрореагировавший алкан. Так как дегидрирование алканов относится к группе обратимых равновесных реакций, то при идеальных каталитических условиях в ходе реакции после определенного времени обработки устанавливается химическое равновесие. Выравнивание состава продукта, или постоянное содержание олефина, алкана и водорода в произведенном газе обеспечивают посредством того, что на химическое равновесие воздействуют в желаемом направлении при помощи параметров процесса.

Дегидрирование алканов происходит на соответствующем катализаторе. Со временем при одинаковых условиях реакции активность катализатора уменьшается. Это приводит к тому, что состав продукта на выходе из реактора в течение производственного цикла постоянно изменяется, если параметры процесса остаются неизменными. Вследствие постоянного изменения состава продукта могут возникать неисправности в последующих частях установки. Например, ректификационные колонны являются чувствительными к колебаниям концентрации входного потока веществ.

В US 5243122 A1 описан процесс дегидрирования легких алканов в аллотермическом риформере, при котором температуру слоя катализатора во время реакции контролируют и медленно повышают, так что состав выходного потока реактора в течение реакции остается постоянным. Посредством этого метода замедляют снижение активности катализатора, так что состав потока продукта и, в частности, соотношение содержащихся в нем олефина и алкана остаются во время работы постоянными. Термический контроль реакции осуществляют при помощи специального управления клапанами подвода газового топлива. Разумеется, риформеры расположены параллельно, и кроме температуры на другие значимые факторы воздействие не оказывается.

В ходе реакции через некоторое время на катализаторе, как правило, образуются углеродсодержащие отложения, вследствие чего превращение алканов резко снижается. На основании этого реакцию проводят циклически. После определенного времени реакции реакцию останавливают, и над катализатором пропускают кислородсодержащий газ, который может также содержать водяной пар. Посредством этого газа углеродсодержащие отложения окисляются, так что катализатор очищается, и реакция может начинаться снова.

Поэтому в основе изобретения лежит задача разработки способа дегидрирования алканов, при помощи которого состав продукта на выходе из реактора остается постоянным в течение всего времени работы.

Задача решена посредством того, что в нескольких реакторах адиабатического, аллотермического или изотермического типа или в их комбинации газообразный поток вещества, содержащий алкан, пропускают в непрерывном режиме через слой катализатора, посредством чего образуется газовый поток, который содержит олефин, водород и непрореагировавший алкан, и что

- по меньшей мере один из параметров процесса: температуру, давление или соотношение пара и углеводородов регистрируют в одной или более точках по меньшей мере на одном из реакторов в форме измеренных значений,

- по меньшей мере на один из параметров процесса целенаправленно воздействуют, так что состав произведенного газа на выходе по меньшей мере из одного реактора остается постоянным в течение времени работы.

В одной или более точках реактора можно определять измеренные значения температуры, давления или соотношения пара и углеводородов, а затем при помощи управляющих устройств параметры процесса можно целенаправленно контролировать и подвергать воздействию, чтобы состав произведенного газа в конце системы реакторов оставался постоянным в течение времени работы.

В вариантах выполнения изобретения предусмотрено, что в комплексе применяют от двух до десяти одинаковых или различных типов реакторов. Однако с точки зрения экономичности предпочтительно применение от двух до четырех реакторов. Реакторы могут быть различных типов: аллотермическими, адиабатическими или изотермическими. Разумеется, реакторы различных типов можно также комбинировать различным образом для достижения соответствующей эффективности и экономичности. С целью обеспечения выравнивания состава продукта можно целенаправленно оказывать воздействие на параметры процесса: температуру, давление и соотношение пара и углеводородов. При помощи подвода газового топлива и кислорода и соответствующего датчика температуры можно регулировать температуру по меньшей мере в одном из реакторов. Равным образом давление в реакторе можно контролировать посредством отвода произведенного газа при помощи регулирующего клапана. Соотношение пара и углеводородов в реакторе определяют посредством подводимых количеств пара и газообразных углеводородов, причем это действие является предпочтительным в первом из реакторов.

В следующих вариантах выполнения изобретения для измерения состава произведенного газа применяют аналитический прибор. Аналитический прибор может представлять собой, например, газовый хроматограф. При заданном номинальном значении температуры, давления или соотношения пара и углеводородов при помощи аналитического прибора определяют состав произведенного газа. Благодаря этому на параметры процесса, как по отдельности, так и в комбинации, можно оказывать воздействие таким образом, что может быть достигнуто желаемое выравнивание состава произведенного газа. То же самое может быть достигнуто также при помощи системы управления производственным процессом, посредством задания изменяющейся во времени функции, например ступенчатой пилообразной функции.

В следующих вариантах выполнения изобретения описано также применение способа согласно изобретению для производства олефинов из алканов, в частности применение способа для дегидрирования пропана в пропилен, н-бутана в н-бутены и бутадиен, изобутана в изобутен, или их смесей, и для дегидроциклизации алканов в ароматические углеводороды. Однако дегидрированию можно подвергать любой алкан или любой углеводород, который является дегидрируемым при помощи способа дегидрирования, известного в уровне техники.

Изобретение подробнее поясняется при помощи некоторых примеров. Для этого с целью описания способа согласно изобретению в качестве варианта выполнения рассматривается аллотермический реактор для дегидрирования пропана в пропилен. При этом реактор эксплуатируют со следующими технологическими параметрами: входная температура: 510°C, разность температур между входом и выходом ΔT: 75 K, давление на выходе p: 6,0 бар (6 МПа), молярное соотношение пара и углеводородов STHC: 3,5.

Пример 1: Как показано на фиг.1, без адаптации технологических параметров выход пропилена уменьшается с начальных 26,7% до 26,1%.

Пример 2: Как показано на фиг.2, путем увеличения разности температур ΔТ выход пропилена в течение рабочего цикла остается постоянным на уровне 26,7%. Все другие параметры остаются неизменными по сравнению с примером 1.

Пример 3: Как показано на фиг.3, путем снижения выходного давления p выход пропилена в течение рабочего цикла остается постоянным на уровне 26,7%. Все другие параметры остаются неизменными по сравнению с примером 1.

Пример 4: Как показано на фиг.4, путем увеличения соотношения пара и углеводородов (STHC) выход пропилена в течение рабочего цикла остается постоянным на уровне 26,7%. Все другие параметры остаются неизменными по сравнению с примером 1.

Пример 5: Как показано на фиг.5, в этом примере в течение времени цикла давление постоянно снижают на 0,05 бар/ч (5 кПа/ч) и одновременно слегка повышают разность температур ΔT, чтобы получить равномерный выход пропилена. На практике одностороннее понижение выходного давления p с течением времени (как в примере 3) зачастую невозможно осуществить произвольно, так как последующая стадия процесса, например сжатие произведенного газа, требует определенного давления на входе. Поэтому рациональным является одновременное воздействие на несколько параметров процесса для достижения желаемого выравнивания состава произведенного газа.

Примеры приведены в таблице 1. При помощи примеров очевидны эффекты влияния параметров процесса на состав произведенного газа.

Таблица 1
Обзор установок параметров
Пример	Время (ч)		0,0	0,5	1,0	1,5	2,0
Пример 1	без адаптации	Выход пропилена (мол. %)	26,70	26,57	26,44	26,29	26,11
Пример 2	с адаптацией	ΔT (K)	75,0	75,7	76,4	77,3	78,3
Пример 3	с адаптацией	p (бар)	6,00	5,95	5,89	5,82	5,74
Пример 4	с адаптацией	STHC1)	3,50	3,55	3,62	3,69	3,79
Пример 5	с адаптацией	p (бар)	6,00	5,98	5,96	5,93	5,90
ΔT (K)	75	75,4	75,8	76,3	77,1
1): STHC - молярное соотношение пара и углеводородов.

Изобретение поясняется ниже при помощи чертежей, на которых изображено:

фиг.6 - устройство с включенными друг за другом аллотермическим и адиабатическим реакторами, содержащее систему контроля температуры,

фиг.7 - устройство с включенными друг за другом аллотермическим и адиабатическим реакторами, содержащее систему контроля температуры и систему контроля давления,

фиг.8 - устройство с включенными друг за другом адиабатическими реакторами, содержащее систему контроля температуры и давления при помощи системы управления производственным процессом.

На фиг.6 показано устройство, состоящее из включенных друг за другом реакторов аллотермического (1) и адиабатического (2) типа с подводом (3) кислорода. Реакционный газ (4) подают в аллотермический реактор (1). Нагревание осуществляют при помощи горелок (5), которые работают на горючем газе (6) и кислородсодержащем газе (7). В реакторе (1) предусмотрена замкнутая система (8) труб, в которой находится катализатор и происходит реакция. На выходе первой реакционной системы (1) подключены прибор (10) для измерения температуры и аналитический прибор (11). Подвод горючего газа регулируют при помощи прибора (10) для измерения температуры и электрических управляющих линий (10а) таким образом, что измеренные значения аналитического прибора (11) постоянно отображают желаемое постоянное содержание олефина в произведенном газе (9). Затем в произведенный газ (9) из реакционной системы (1) добавляют кислородсодержащий газ (3) и подают в адиабатический реактор (2). В этом реакторе также находится замкнутая система труб (12) для дегидрирования и окисления водорода, которая содержит катализатор и в которой происходит окисление водорода и дальнейшее дегидрирование. На выходе из второго реактора также находятся прибор (13) для измерения температуры и аналитический прибор (14). При помощи прибора (13) для измерения температуры и электрических управляющих линий (13а) подачу кислорода регулируют таким образом, что измеренные значения аналитического прибора (14) постоянно отображают желаемое постоянное содержание олефина в произведенном газе (15).

На фиг.7 показано устройство, которое также состоит из первого аллотермического реактора (1) и второго адиабатического реактора (2) с подводом (3) кислорода. Температуру на выходе из первой реакционной системы (9) измеряют при помощи прибора (10) для измерения температуры и в зависимости от нее посредством электрических измерительных сигналов (10а) регулируют подачи (6, 7) горючего газа и кислорода. Таким способом в первой реакционной системе может быть установлена постоянная температура. В этом устройстве состав продукта контролируют только на выходе из второй реакционной системы (15). Это осуществляют при помощи аналитического прибора (17) на выходе из второй реакционной системы, который измеряет давление в реакторе (2) второй реакционной системы через управляемый обратный клапан (16) и передает его через электрические управляющие линии (16а, 17а) в систему (18) управления технологическим процессом. Температуру реактора (2) регулируют посредством электрической управляющей линии (13а) и подвода (3) кислорода. Система (18) управления производственным процессом рассчитывает требуемые параметры для давления и регулирует его посредством электрических измерительных сигналов (17а) и управляемого обратного клапана (16) на выходе из системы реакторов таким образом, что на выходе из второго реактора (2) всегда сохраняется постоянный состав произведенного газа (15).

На фиг.8 показано устройство, состоящее из трех включенных друг за другом адиабатических реакторов (19, 2а, 2b) с подводом (3a, 3b) кислорода. Реакция в первом реакторе (19) протекает адиабатически, так что на выходе из реакционной системы (9) получают постоянно меняющийся состав продукта. В реакторах (2а, 2b) проводят селективное окисление водорода. На выходе из второго реактора (2а) расположен прибор (20) для измерения температуры, который управляет реактором (2а) посредством электрических измерительных линий (20а) и подвода (3а) кислорода. Через электрические управляющие линии (18а) измеренные значения прибора (20) для измерения температуры передаются в систему (18) управления производственным процессом. Благодаря этому происходит выравнивание состава произведенного газа на выходе из реактора (2а). На выходе из третьего реактора (2b) также расположен прибор (21) для измерения температуры, который посредством электрических управляющих линий (21b) и подвода (3а) кислорода регулирует соответствующий реактор. Прибор (21) для измерения температуры передает измеренные значения через электрическую управляющую линию (21а) в систему (18) управления производственным процессом. Благодаря этому на выходе из третьей реакционной системы (22) получают желаемый постоянный состав произведенного газа.

Список обозначений

1	аллотермический реактор
2	адиабатический реактор
3	подвод кислорода
3a	подвод кислорода
3b	подвод кислорода
4	реакционный газ
5	горелка
6	горючий газ
7	кислородсодержащий газ
8	замкнутая система труб для реакции дегидрирования
9	произведенный газ из первой реакционной системы
10	прибор для измерения температуры
10а	электрическая управляющая линия
11	аналитический прибор для определения состава произведенного газа
12	замкнутая система труб для дегидрирования и окисления водорода
13	прибор для измерения температуры
13а	электрическая управляющая линия
14	аналитический прибор для определения содержания олефина в произведенном газе
15	произведенный газ
16	управляемый обратный клапан
16а	электрическая управляющая линия
17	аналитический прибор
17а	электрическая управляющая линия
18	система управления производственным процессом
18а	электрическая управляющая линия
19	адиабатический реактор
20	прибор для измерения температуры
20а	электрическая управляющая линия
21	прибор для измерения температуры
21а	электрическая управляющая линия
21b	электрическая управляющая линия
22	произведенный газ

1. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта, при котором- газообразный поток вещества, содержащий алканы, пропускают в непрерывном режиме через слой катализатора, расположенный в от двух до 10 соединенных последовательно реакторах адиабатического, аллотермического или изотермического типа или в их комбинации, посредством чего образуется газовый поток, который содержит олефин, водород и непрореагировавший алкан, при этом по меньшей мере один реактор является адиабатическим, в который подают кислород,при этом- по меньшей мере один из параметров процесса: температуру, давление или соотношение пара и углеводородов регистрируют в одной или более точках по меньшей мере на одном из реакторов в форме измеренных значений,- по меньшей мере один из параметров процесса целенаправленно контролируют и подвергают воздействию, так что состав произведенного газа на выходе по меньшей мере одного из реакторов остается постоянным в течение времени работы.

2. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что в комплексе применяют от двух до десяти, предпочтительно от двух до четырех реакторов различных типов.

3. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что в комплексе применяют от двух до десяти, предпочтительно от двух до четырех реакторов одинакового типа.

4. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что температуру в одном из реакторов регулируют при помощи подвода газообразного топлива и датчика температуры.

5. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что температуру в одном из реакторов регулируют при помощи подвода кислорода и датчика температуры.

6. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что давление по меньшей мере в одном из реакторов регулируют путем отвода произведенного газа при помощи регулирующего клапана.

7. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что соотношение пара и углеводородов по меньшей мере в одном из реакторов регулируют при помощи подводимых количеств пара и газообразных углеводородов.

8. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 7, отличающийся тем, что соотношение пара и углеводородов предпочтительно регулируют в первом из реакторов при помощи подводимых количеств пара и газообразных углеводородов.

9. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что на параметры процесса воздействуют по меньшей мере в одном реакторе в зависимости от измеренных значений состава произведенного газа, определенных аналитическим прибором.

10. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что на параметры процесса воздействуют по меньшей мере в одном реакторе при помощи системы управления производственным процессом путем задания изменяющейся во времени функции.

11. Способ дегидрирования алканов с выравниванием состава продукта по п. 1, отличающийся тем, что одновременно воздействуют на несколько параметров процесса.

12. Применение способа согласно любому из пп. 1-11 для дегидрирования пропана в пропилен.

13. Применение способа согласно любому из пп. 1-11 для дегидрирования н-бутана в н-бутены и бутадиен.

14. Применение способа согласно любому из пп. 1-11 для дегидрирования изобутана в изобутен.

15. Применение способа согласно любому из пп. 1-11 для дегидроциклизации алканов в ароматические углеводороды.