[发明专利]预混合器、径向固定床反应器和丁烯氧化脱氢反应系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于气体的预混合器、包括这种预混合器的径向固定床反应器、包括这种径向固定床反应器的丁烯氧化脱氢反应系统，以及利用上述系统来制备丁二烯的方法。

背景技术

丁二烯是合成橡胶、合成树脂的重要单体，主要用于合成顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶及ABS树脂等。此外，丁二烯也是多种涂料和有机化工反应的原料。

丁烯氧化脱氢是目前用于生产丁二烯的一种较有竞争力的工艺技术。丁烯氧化脱氢制丁二烯是在水蒸汽的存在下利用氧与丁烯分子中的氢结合，得到丁二烯和结构稳定的水。该反应基本为不可逆反应。主反应方程式如下：

2C₄H₈+O₂→2C₄H₆+2H₂O+127.9kJ/mol

其它副反应主要有：

C₄H₈+4O₂→4CO+4H₂O

C₄H₈+6O₂→4CO₂+4H₂O

影响丁烯氧化脱氢反应的主要因素有反应温度、反应压力、水烯比、氧烯比等。为保护催化剂和控制反应温度，在反应过程中需要引入大量的水蒸汽。通常来说，水蒸汽是原料丁烯的8～16倍（摩尔比）或更高。氧参与主、副反应，其加入量不仅影响丁烯的转化率，而且也决定主、副反应进行的程度。如果氧烯比（氧气和丁烯摩尔比）过高，则会造成含氧化合物增加和丁烯完全氧化，而如果氧烯比过低，则会严重降低丁烯的转化率。此外，氧的加入量还决定着生产的安全性。例如，原料配比决不能落入爆炸极限内。氧气的不均匀分配也会引起安全问题。原料丁烯、空气、水蒸汽在进入氧化脱氢反应器后必须混合均匀。否则，反应器内的不同催化剂床层处的水蒸汽量不同，这会造成催化剂很快积碳。因此，原料混合的均匀程度对于整个丁烯氧化脱氢技术的应用来说至关重要。

目前通过丁烯氧化脱氢来制备丁二烯的方法普遍采用轴向固定床，例如CN101367702中所述。这种轴向固定床虽然结构简单，但是为了满足低压降的要求，催化剂床层的高度受到了限制。另外，采用轴向固定床反应器的丁烯氧化脱氢装置普遍规模在0.5～1.5万吨/年。然而，随着丁二烯需求的增长和丁烯氧化脱氢技术的进步，丁烯氧化脱氢制丁二烯装置规模都在10万吨/年以上。为此，采用轴向固定床反应器的设备不得不采用4组或以上反应线的方法，如4组8台轴向反应器。这导致操作复杂，投资和占地面积大。

CN2626604Y公开了一种流体整体均布的径向反应器。然而，这种径向反应器并没有解决进入通道的流体混合均匀的问题，并且反应器的结构复杂、压降大。在例如CN102675027A中所公开的采用径向固定床由丁烯氧化脱氢来制备丁二烯的方法中，其设备的结构复杂，压降大，并且对于非常重要的原料气快速均匀混合问题均没有涉及。这显著限制了丁烯氧化脱氢工艺的工业应用。

发明内容

本发明旨在提供一种用于气体的预混合器，其尤其是能够用于丁烯氧化脱氢反应，以实现原料丁烯、水蒸汽和空气的快速、均匀的混合，并且避免局部积碳、催化剂再生周期短等问题。本发明还涉及一种包括上述预混合器的用于丁烯氧化脱氢反应的径向固定床反应器，以及包括上述径向固定床反应器的丁烯氧化脱氢反应系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于至少两种气体的预混合器，包括：筒状的主体，包括封闭端和相对的敞开端；用于接受第一气体的第一流动通道，其沿轴向密封式穿过所述封闭端并延伸到所述主体中；设置在所述主体内的锥形管，所述锥形管的小端与所述第一流动通道连通，所述锥形管的大端朝向所述敞开端延伸并在边缘处固定在所述主体的内壁上，从而在所述主体和锥形管之间形成了密封的分布腔；以及设于主体侧部的用于接受第二气体的第二流动通道，其与所述分布腔连通，使得第二气体能经所述分布腔而大致径向地引入到所述锥形管内。

在一个实施例中，所述第一流动通道为管状通道，其密封式地穿过所述锥形管的小端而伸入到所述锥形管内。

优选地，所述第一流动通道的伸入到所述锥形管内的端部包括多孔分布板。所述多孔分布板可为半球形、圆锥形或平板形。并且，所述孔的孔径为5-100mm，优选20-60mm。

在一个实施例中，所述锥形管的半锥角设置成5-20°，优选为8-16°。