CN222131824U - 一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，包括壳体和脱水机构，壳体的顶部设有原料气入口，壳体的底部设有出水口，且壳体的下端设有产品出口；壳体内水平固定安装有隔板，隔板位于产品出口的上方，其将壳体内的空间由上至下分隔成上腔和下腔，隔板上均匀间隔设有若干连通上腔和下腔的小孔；脱水机构固定安装在隔板上，其上端延伸至上腔内，且其下端延伸至下腔内并与出水口连通；上腔内填充有催化剂层，且脱水机构的上部延伸至催化剂层内。本实用新型的有益效果是结构简单，设计合理，可快速移除反应生成的水，进而有利于CO2单程转化率的提高，保证了二氧化碳加氢反应高效稳定的运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及催化合成设备技术领域，具体涉及一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器。
背景技术
烯烃是一类重要的工业的基础原料，全球每年的烯烃消耗量呈现逐年增加的趋势。低碳烯烃主要指乙烯和丙烯，是合成塑料、纤维等各类化工产品的基础有机原料。高碳烯烃一般指碳数在4以上的烯烃。有广泛用途的是碳数范围为C4-C18的烯烃，可广泛用于润滑油、增塑剂和洗涤剂的生产。目前无论是低碳烯烃还是高碳烯烃主要由石油路线制取。寻找一种经济的替代工艺路线以解决因石油需求上涨导致的烯烃供不应求的问题，已成为世界各国备受关注的问题。
CO2分子具有吸附热低，热力学稳定的特点，因此难以活化加氢。目前，CO2加氢高选择性合成烯烃化合物的研究可分为两类：一种是经过甲醇等含氧中间物种的反应；另一种是经过类似费托合成(FTS)的反应。大部分研究工作主要采用类FTS反应路径，即CO2先通过逆水煤气变换(RWGS)反应生成CO，然后CO加氢再发生FTS反应。无论哪种路径，二氧化碳的单程收率均有待进一步提高，目前的文献研究也大部分集中在催化剂的改性上来提高CO2单程转化率，关于二氧化碳加氢制烯烃过程反应装置及反应器的研究较少。由于该过程生成大量的水，反应过程中通过将产物中的水不断地移除，打破化学反应平衡使反应向产物方向进行，从而利于转化率的提高。
针对这个思路，研发设计一种新型反应器，使反应过程中的水不断移除以打破常规的化学反应平衡，来提高CO2加氢制取烯烃的单程转化率是一项亟待解决的问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，旨在解决现有技术中的问题。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，包括壳体和脱水机构，所述壳体的顶部设有原料气入口，所述壳体的底部设有出水口，且所述壳体的下端设有产品出口；所述壳体内水平固定安装有隔板，所述隔板位于所述产品出口的上方，其将所述壳体内的空间由上至下分隔成上腔和下腔，所述隔板上均匀间隔设有若干连通所述上腔和所述下腔的小孔；所述脱水机构固定安装在所述隔板上，其上端延伸至所述上腔内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通；所述上腔内填充有催化剂层，且所述脱水机构的上部延伸至所述催化剂层内。
本实用新型的有益效果是：制取工程中，原料气由原料气入口送入壳体内，原料气在催化剂的催化作用下，反应产生的气体经隔板上的小孔进入下腔并由产品出口排出，产生的水经脱水机构由出水口排出。
本实用新型结构简单，设计合理，可快速移除反应生成的水，进而有利于CO2单程转化率的提高，保证了二氧化碳加氢反应高效稳定的运行。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，所述脱水机构包括至少一个由亲水膜制成的脱水筒，每个所述脱水筒竖直固定安装在所述隔板上，其上端封闭、下端敞口；每个所述脱水筒的上端延伸至所述上腔内并延伸至所述催化剂层内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通。
采用上述进一步方案的有益效果是制取工程中，原料气由原料气入口送入壳体内，原料气在催化剂的催化作用下，反应产生的气体经隔板上的小孔进入下腔并由产品出口排出，产生的水经脱水筒由出水口排出；另外，亲水膜制成的脱水筒允许水通过，但是其他产物无法通过。
进一步，每个所述脱水筒还包括可透水的惰性载体，所述亲水膜套设在所述惰性载体的内表面和/或外表面上。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，惰性载体可作为支撑件支撑住亲水膜，保证整个脱水筒有一定的强度；另外，惰性载体性质不活泼，避免影响烯烃的制取。
进一步，所述脱水机构包括多个所述脱水筒，多个所述脱水筒均匀间隔并排固定安装在所述隔板上。
采用上述进一步方案的有益效果是脱水筒的数量设计合理，保证烯烃制取的效率，且可避免产生的水影响制取。
进一步，所述出水口处固定安装有接头，所述脱水筒的下端与所述接头的上端连通。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过接头连通脱水筒与出水口，排水更为方便。
进一步，所述接头呈上端粗、下端细的筒状结构。
采用上述进一步方案的有益效果是接头的形状设计合理，既方便承接脱水筒送来的水，又可将水快速排出。
进一步，所述接头的上端延伸至所述下腔内，且其下端延伸至所述壳体外。
采用上述进一步方案的有益效果是接头的两端分布合理。
进一步，还包括导热管，所述导热管固定安装在所述催化剂层内，且其套设在所述脱水筒位于所述催化剂层内的部位外。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过导热管给反应传递热量，反应效率高。
进一步，所述导热管呈螺旋状分布在所述上腔内，其两端分别延伸至所述壳体外。
采用上述进一步方案的有益效果是导热管分布合理，导热效率高。
进一步，所述壳体呈圆筒状结构。
采用上述进一步方案的有益效果是壳体的整体形状整齐美观。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型中脱水筒的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、壳体；2、原料气入口；3、产品出口；4、隔板；5、催化剂层；6、脱水筒；6-1、亲水膜；6-2、惰性载体；7、接头；8、导热管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，包括壳体1和脱水机构，所述壳体1的顶部设有原料气入口2，所述壳体1的底部设有出水口，且所述壳体1的下端设有产品出口3；所述壳体1内水平固定安装有隔板4，所述隔板4位于所述产品出口3的上方，其将所述壳体1内的空间由上至下分隔成上腔和下腔，所述隔板4上均匀间隔设有若干连通所述上腔和所述下腔的小孔；所述脱水机构固定安装在所述隔板4上，其上端延伸至所述上腔内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通；所述上腔内填充有催化剂层5，且所述脱水机构的上部延伸至所述催化剂层5内，原料气在所述催化剂层5反应产生的水经所述脱水机构从所述出水口排出。
制取工程中，原料气由原料气入口2送入壳体1内，原料气在催化剂的催化作用下，反应产生的气体经隔板4上的小孔进入下腔并由产品出口3排出，产生的水经脱水机构由出水口排出。
优选地，本实施例中，上述隔板4优选惰性多孔材料制成的多孔板体。
本实施例中，多孔隔板的作用是支撑反应器中填装的催化剂。多孔隔板的孔尺寸和孔数目需满足：保证既能阻隔催化剂，又能保证反应气体的均匀畅通。因此，在满足要求的前提下，隔板的孔越多，孔尺寸越大，孔分布越均匀，越有利于气体的均匀快速通过。
基于上述方案，上述原料气的组分为：CO224vol％，H2 72vol％，4vol％N2。
需要说明的是，原料气进入壳体1内反应产生的水大部分经脱水机构后由出水口排出，少部分水及相应的产物经隔板4上的若干小孔进入下腔内，只要保证大部分水去除即可，且保证未移除的水不会影响反应的进行。
本实施例结构简单，设计合理，可快速移除反应生成的水，进而有利于CO2单程转化率的提高，保证了二氧化碳加氢反应高效稳定的运行。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例中，所述脱水机构包括至少一个由亲水膜6-1制成的脱水筒6，每个所述脱水筒6竖直固定安装在所述隔板4上，其上端封闭、下端敞口；每个所述脱水筒6的上端延伸至所述上腔内并延伸至所述催化剂层5内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通。
制取工程中，原料气由原料气入口2送入壳体1内，原料气在催化剂的催化作用下，反应产生的气体经隔板4上的小孔进入下腔并由产品出口3排出，产生的水经脱水筒6由出水口排出；另外，亲水膜6-1制成的脱水筒6允许水通过，但是其他产物无法通过。
优选地，本实施例中，上述亲水膜6-1优选现有技术中的PTFE膜或分子筛膜。
另外，分子筛膜是酸性位经过处理，不与反应产物发生反应，只有水可以选择性透过。
或者，每个脱水筒6的下端封闭并均匀间隔设置多个通孔。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例中，每个所述脱水筒6还包括可透水的惰性载体6-2，所述亲水膜6-1套设在所述惰性载体6-2的内表面和/或外表面上。
该方案结构简单，设计合理，惰性载体6-2可作为支撑件支撑住亲水膜6-1，保证整个脱水筒6有一定的强度；另外，惰性载体6-2性质不活泼，避免影响烯烃的制取。
优选地，本实施例中，上述惰性载体6-2优选现有技术中的多孔氧化铝或莫来石。
实施例4
在实施例2至实施例3任一项的基础上，本实施例中，所述脱水机构包括多个所述脱水筒6，多个所述脱水筒6均匀间隔并排固定安装在所述隔板4上。
脱水筒6的数量设计合理，保证烯烃制取的效率，且可避免产生的水影响制取。
实施例5
在实施例2至实施例4任一项的基础上，本实施例中，所述出水口处固定安装有接头7，所述脱水筒6的下端与所述接头7的上端连通。
该方案结构简单，设计合理，通过接头7连通脱水筒6与出水口，排水更为方便。
基于上述方案，当脱水筒6只有一个时，此时脱水筒6与接头7同轴设置。
当脱水筒6的数量为多个时，此时脱水筒6数量及接头7的尺寸合理设置，保证多个脱水筒6的下端分别与接头7的上端连通。
实施例6
在实施例5的基础上，本实施例中，所述接头7呈上端粗、下端细的筒状结构。
接头7的形状设计合理，既方便承接脱水筒6送来的水，又可将水快速排出。
或者，上述接头7可以采用两端尺寸一致的接头。
实施例7
在实施例5至实施例6任一项的基础上，本实施例中，所述接头7的上端延伸至所述下腔内，且其下端延伸至所述壳体1外。
接头7的两端分布合理。
实施例8
在上述各实施例的基础上，本实施例还包括导热管8，所述导热管8固定安装在所述催化剂层5内，且其套设在所述脱水筒6位于所述催化剂层5内的部位外。
该方案结构简单，设计合理，通过导热管8给反应传递热量，反应效率高。
基于上述方案，导热管8分布在催化剂层5内。
导热管8用于快速移除反应热。导热管8安装在催化剂床层，且根据催化剂床层反应放热量的不同，可选择不同导热性能的导热管8。
实施例9
在实施例8的基础上，本实施例中，所述导热管8呈螺旋状分布在所述上腔内，其两端分别延伸至所述壳体1外。
导热管8分布合理，导热效率高。
优选地，本实施例中，上述导热管8内流动有导热油。
或者，上述导热管8位于上腔内的部分竖直分布并呈波浪形。
实施例10
在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述壳体1呈圆筒状结构。
壳体1的整体形状整齐美观。
基于上述方案，上述每个脱水筒6优选圆筒状结构。
另外，上述隔板4优选圆形板状结构，而且，接头7优选圆筒状结构。
本实用新型的工作原理如下：
CO2加氢制取烯烃反应：反应器中催化剂采用瓷球稀释填装(铁基催化剂与瓷球稀释比为1:4)，铁基催化剂选用KFe100Al30，用量10g，同时采用了脱水装置。该系统中，原料气(CO224vol％，H2 72vol％，4vol％N2)经原料气进口管进入催化剂反应床层，反应后的含有烯烃产物的气体经反应器出口流出反应器，反应过程中产生的水通过脱水装置渗透过去，由出水口排除。反应运行时同时启动反应装置的换热系统(导热管采用导热油，导热油经导热管入口进入导热管，经反应器中的导热管线从反应的导热管出口流出到导热油的换热设备)。
二氧化碳加氢制烯烃反应具体步骤如下：
步骤(1)催化剂进行还原预处理；进入反应器的预处理气(CO224vol％，H272vol％，4vol％N2)通过催化剂床层，进行常压还原预处理，350℃下还原8h。
步骤(2)原料气经过预热处理，处理后温度为280℃，经原料气进气管进入反应器，进行高压催化反应。
步骤(3)进入反应器的高温高压反应气在本实用新型设计的反应器内进行反应，得到反应混合气，反应温度为320℃，压力为1.5MPa，空速为5000mL·g催化剂-1·h-1。
本实用新型中，反应器结合催化剂特点，催化剂填装需惰性材料稀释填装。反应器该类型的填装方式，结合导热管保证了反应器进行反应时，反应热的均匀分布和过多反应热地及时脱除，进而保证催化剂床层的温度均匀分布，保证了催化剂稳定的反应性能和反应器的安全操作。
针对当前催化剂催化CO2加氢制烯烃的过程中的技术问题，即反应中产生大量水，导致产物中也含有大量水，另外CO2加氢制烯烃转化率也较低，为解决上述问题，本实用新型提供了一种新的反应器。该反应器具有圆柱形的管状壳体，提供快速反应的足够空间；具有支撑铁催化剂材料的多孔隔板，隔板上方填装稀释的铁催化剂；具有分散于多孔隔板间的散热管，用于调控移除催化反应过程产生的热量；具有用于脱水机构，使反应生成的水迅速移除，进而有利于CO2单程转化率的提高。
该反应器适合催化CO2加氢制烯烃反应过程特点，本实用新型设计的反应器具有高CO2单程转化率、连续稳定运行的优点。
本实用新型能产生的有益效果如下：
1)本实用新型所提供的脱水机构，可以使得反应过程产生的水不断移除，使二氧化碳加氢反应更利于向产物烯烃方向进行，从而提高了二氧化碳单程转化率，而且脱水机构使烯烃产品和水反应过程中就能够更好地分离，利于后期产品的分离。
2)本实用新型所提供的反应器，导热装置，使得本实用新型的反应器较传统的固定床反应器运行稳定，催化剂床层温度分布均匀，且容易控制运行温度，保证了反应热不仅在催化剂床层的均匀分布，而且可均匀移除，保证了反应的稳定进行，安全高效。
表1为在运行的近1000小时的反应时间内，反应物CO2的转化率和总烯烃选择性。
表1
| 运行时间(h) | CO2的转化率(mol％) | 总烯烃/总烃(mol％) |
| 10 | 42.4 | 75.6 |
| 200 | 41.5 | 78.8 |
| 400 | 40.1 | 78.4 |
| 600 | 40.7 | 78.7 |
| 800 | 40.5 | 77.5 |
| 1000 | 40.4 | 76.9 |
反应结果可知，在该反应器中，在运行的近1000小时的反应时间内，反应物CO2的转化率和总烯烃选择性基本保持稳定，催化剂床层温度分布均匀(310-340℃)，也无明显热点出现。
对比例
只是采用了导热油的传统固定床反应器，不含脱水装置。
表2
| 运行时间(h) | CO2的转化率(mol％) | 总烯烃/总烃(mol％) |
| 10 | 32.3 | 75.1 |
| 200 | 31.9 | 78.1 |
| 400 | 30.1 | 78.6 |
| 600 | 30.6 | 78.8 |
| 800 | 30.9 | 77.3 |
| 1000 | 30.4 | 76.6 |
由上述内容可知，在该反应器中，传统技术中二氧化碳转化率明显低于本实用新型中采用了脱水机构的反应器。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：包括壳体(1)和脱水机构，所述壳体(1)的顶部设有原料气入口(2)，所述壳体(1)的底部设有出水口，且所述壳体(1)的下端设有产品出口(3)；所述壳体(1)内水平固定安装有隔板(4)，所述隔板(4)位于所述产品出口(3)的上方，其将所述壳体(1)内的空间由上至下分隔成上腔和下腔，所述隔板(4)上均匀间隔设有若干连通所述上腔和所述下腔的小孔；所述脱水机构固定安装在所述隔板(4)上，其上端延伸至所述上腔内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通；所述上腔内填充有催化剂层(5)，且所述脱水机构的上部延伸至所述催化剂层(5)内。
2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述脱水机构包括至少一个由亲水膜(6-1)制成的脱水筒(6)，每个所述脱水筒(6)竖直固定安装在所述隔板(4)上，其上端封闭、下端敞口；每个所述脱水筒(6)的上端延伸至所述上腔内并延伸至所述催化剂层(5)内，且其下端延伸至所述下腔内并与所述出水口连通。
3.根据权利要求2所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：每个所述脱水筒(6)还包括可透水的惰性载体(6-2)，所述亲水膜(6-1)套设在所述惰性载体(6-2)的内表面和/或外表面上。
4.根据权利要求2所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述脱水机构包括多个所述脱水筒(6)，多个所述脱水筒(6)均匀间隔并排固定安装在所述隔板(4)上。
5.根据权利要求2-4任一项所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述出水口处固定安装有接头(7)，所述脱水筒(6)的下端与所述接头(7)的上端连通。
6.根据权利要求5所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述接头(7)呈上端粗、下端细的筒状结构。
7.根据权利要求5所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述接头(7)的上端延伸至所述下腔内，且其下端延伸至所述壳体(1)外。
8.根据权利要求2-4任一项所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：还包括导热管(8)，所述导热管(8)固定安装在所述催化剂层(5)内，且其套设在所述脱水筒(6)位于所述催化剂层(5)内的部位外。
9.根据权利要求8所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述导热管(8)呈螺旋状分布在所述上腔内，其两端分别延伸至所述壳体(1)外。
10.根据权利要求1-4任一项所述的用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器，其特征在于：所述壳体(1)呈圆筒状结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202420283531.5U CN222131824U (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202420283531.5U CN222131824U (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN222131824U true CN222131824U (zh) | 2024-12-10 |
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ID=93727494
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202420283531.5U Active CN222131824U (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 一种用于二氧化碳加氢制取烯烃的反应器 |
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