[发明专利]一种生物乙醇制乙烯的微反应-换热系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物乙烯微反应-换热集成系统，特别是涉及一种以生物质乙醇为原料，经提浓、微通道换热器加热、汽化并最终在微反应器中催化脱水生成乙烯的全过程能量集成的微反应系统，同时也是一种生物质发酵生产乙醇与乙醇脱水制乙烯过程耦合一体化工艺。

背景技术

随着世界性能源危机和石油资源的日益枯竭，以生物质乙醇为原料生产乙烯可避免对石油资源的过度依赖。而且，生物乙烯工艺流程短、设备投资小、乙烯纯度高，尤其是随着生物技术的快速发展和以大宗生物质为原料制乙醇技术的不断完善，乙醇法制乙烯的生产成本将更趋合理化，作为以天然气或轻质石油馏分生产乙烯的替代技术或补充技术也将更具市场竞争力。

乙醇催化脱水制乙烯反应为吸热反应，一分子乙醇催化脱水主要生成一分子乙烯并伴生一分子水，如果原料为生物乙醇，乙烯产物中将含大量水。

乙醇催化脱水制乙烯的工业过程的催化剂主要包括氧化铝和分子筛，催化剂工艺相对比较成熟。

专利USP4207424报道了乙醇脱水催化技术，采用有机硅烷化剂处理过的氧化铝催化剂，反应温度150-450℃，进行醇催化脱水反应制烯烃。随后，此专利申请机构Halcon公司于1981年推出代号“Syndol”氧化物催化剂，在反应温度超过375℃、进料空速1.2h^-1实现了较宽浓度范围的乙醇催化脱水反应。

专利USP4698452报道了Zn、Mn改性的ZSM-5沸石对乙醇脱水制乙烯的催化性能。在400℃、空速2.5h^-1、乙醇/水质量比大于等于1时，Zn-Mn/ZSM-5催化剂使乙醇转化率及产物乙烯选择性达到99％。

在CN101121624、CN101121626、CN101172919、CN101172920中，更多选用了ZSM分子筛催化剂和SAPO系列催化剂以及复合床催化工艺，在约200-400℃、空速0.1-15h^-1条件下，进行乙醇催化脱水制乙烯，并获得较高的乙醇转化率及乙烯选择性。

上述文献大都致力于催化剂性能改进，或力求提高催化剂低温反应性能以降低反应温度，从而实现节能降耗。但对乙醇催化脱水制乙烯过程进行热力学分析可知，实现该过程节能降耗的关键是能量综合利用。以1.0kg10％(重量)的乙醇催化脱水为例，反应所需热量为100kJ，而将室温乙醇溶液加热到反应温度300、400和500℃，其所需的能量分别为3010kJ、3220kJ、3430kJ，反应温度降低100℃，最多可节能6％；依目前催化剂的发展水平，对于改进型的同类催化剂而言，其反应温度可降低20～30℃，相当于可节能2％；而反应真正所需反应热仅占总热量的3％；同样，对于100％浓度的乙醇，所需反应热也仅占33％，绝大多数热量需回收利用，可见过程能量综合利用效率是一个关键因素。

因此，本发明采用多级微换热器实现该过程的能量梯级利用，以达到节能降耗之目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是乙醇催化脱水制乙烯反应过程能量利用率低的问题，提供一种生物乙烯生产过程能量综和利用的集成微反应系统。该微反应系统的乙烯产物所携带的高温能量几乎可完全回收。

本发明采用如下技术方案实现全过程能量综合利用：

一种生物乙醇制乙烯的微反应-换热系统，包括生物乙醇催化脱水-燃料催化燃烧集成微反应器和微通道换热器，集成微反应器上进行乙醇(乙醇质量浓度50-90％)催化脱水制乙烯反应和液体甲醇催化燃烧反应，并相应生成高温乙烯产物和高温燃烧产物，其中原料乙醇由低浓度生物质乙醇(浓度10％)提浓获得。其特征在于：

生成的高温乙烯产物的能量经2-3个微通道换热器串联回收，高温燃烧产物的能量经1-2个微通道换热器串联回收。首先温度t1(常温-80℃)下的冷原料乙醇与高温乙烯产物通过1-2个微通道换热器换热至t3(100℃)，同时，温度为T1(240-500℃)的乙烯产物换热到T3(80-105℃)；温度为t3的乙醇反应物再与集成微反应器出来的高温燃烧反应产物(温度为T1’：300-450℃)采用1-2个微通道换热器进一步换热至t4(150-250℃)，后进入微反应系统的核心反应器-生物乙醇催化脱水-燃料催化燃烧集成反应器中的催化脱水反应腔进行反应，生成高纯度乙烯气体和大量高温水蒸汽；

温度降至T3的乙烯产物进一步与低浓度生物质乙醇溶液(常温t0、质量浓度10％)经由1个微通道换热器换热，产物温度降至T4(20-40℃)，而低浓度生物质乙醇溶液被加热至60-80℃，其进入下一步的提浓工序。

上述技术方案中：