一种换热器、使用该换热器的混合碳四加氢制异丁烷装置及方法与流程

本发明涉及一种到化工装置及化工工艺，尤其涉及一种换热器、使用该换热器的混合碳四加氢制异丁烷装置及方法。

背景技术：

由混合碳四烃类制取高纯度异丁烷时，分离产物常用的方法有两种，精馏法和加氢法。

其中，精馏法是利用物质的沸点不同进行回流，从而对各组分进行分离。在混合碳四中，由于碳四烃类各组分之间的沸点很接近，分离难度高，且不能将丁烯彻底除掉。要将烯烃除到100g/g以下，采用一般的异丁烷提纯方法，如精馏法、萃取法，无法彻底除去烯烃，得到的异丁烷纯度差。

加氢法是将混合碳四中的不饱和烃加氢制成异丁烷，加氢法采用的催化剂是钯系催化剂，价格昂贵，且反应需要在压力接近4.0mpa、温度大于接近300℃的情况下进行，反应能耗高，且反应为放热反应，控制难度大，容易导致催化剂失活。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种操作灵活、能有效利用界外热量的换热器，以达到节能降耗的目的。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种混合碳四加氢制异丁烷的装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种催化剂使用寿命长、加氢效果好的混合碳四加氢制异丁烷方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该换热器，包括壳体、设置在所述壳体上的第一管程入口、第一管程出口、壳程入口和壳程出口，其特征在于：

所述壳体内间隔设有至少两个封头，各封头与所对应的壳体部分围合形成至少两个间隔设置的子换热器，各所述子换热器沿所述壳体的轴线方向依次布置，各所述子换热器内均设有第一换热管；

相邻的所述子换热器之间的所对应的壳体的空腔连通各所述子换热器的管程，并且该空腔内设有第二换热管；对应于所述空腔在所述壳体的壁上设有连通所述第二换热管的第二管程入口和第二管程出口；

相邻的所述子换热器的壳程通过连接管相连通，所述连接管外露于所述壳体。

所述封头有两个，其中第一封头与所述壳体的第一端部围合形成第一子换热器，第二封头与所述壳体的第二端部围合形成第二子换热器。

优选所述第一换热管沿所述壳体的轴向螺旋布置；所述第二换热管沿所述壳体的径向螺旋布置。该方案换热效果好，能进一步提升换热效率。

较好的，所述第一管程入口可以设置在所述壳体的底部，所述第一管程出口设置在所述壳体的顶部；

所述壳程入口设置在所述壳体的上部，所述壳程出口设置在所述壳体的下部；

所述第一封头上设有连通所述第一子换热器内的管程和所述空腔的管程出口；所述第二封头上设有连通所述第二子换热器内的管程和所述空腔的管程入口。

所述连接管的两端口可以分别位于上游的所述子换热器的下部和相邻下游子换热器的上部，以使换热介质之间能够得到充分的交流，换热效果均匀。

使用上述各所述的换热器的混合碳四加氢制异丁烷装置，其特征在于：

所述第一管程入口连接第一加氢物料输送管道和循环氢输送管道，所述第一管程出口连接第二加氢物料输送管道，所述第二加氢物料输送管道连接加氢反应器的物料入口，所述加氢反应器的物料出口连接所述壳程入口，所述壳程出口连接加氢分离罐的物料入口；

所述加氢分离罐的液相出口连接分馏装置；

所述第二换热管连接蒸汽输送管道。

使用上述混合碳四加氢制异丁烷装置的混合碳四加氢制异丁烷方法，其特征在于包括下述步骤：

来自上游的温度为80～110℃、压力为3.7～4.2mpaa的混合碳四加氢物料分为两股，其中第一股经由所述第一加氢物料输送管道与来自所述循环氢输送管道的循环氢汇流后形成反应原料，，从所述第一管程入口进入所述第一子换热器的管程内，与第一子换热器壳程内的加氢产物换热至215～245℃后，进入所述空腔的壳程；

所述第一股加氢物料与循环氢的体积比为1：180～500；所述第一子换热器壳程内的加氢产物来自所述第二子换热器；

反应原料在所述空腔内与所述第二换热管内的来自界外的蒸汽换热至230～260℃后进入第二子换热器；

在所述第二子换热器内，反应原料与第二子换热器壳程内的物料换热；所述第二子换热器壳程内的物料为来自所述加氢反应器的温度为290～320℃、压力为3.2～3.7mpaa的反应产物；

出第二子换热器的反应原料与来自所述第二加氢物料输送管道内的第二股混合碳四混合得到温度为285～320℃、压力为3.5～4.0mpaa的反应进料，送至所述加氢反应器在钯系催化剂的催化下，进行加氢反应；

出所述第二子换热器的所述反应原料与第二股混合碳四的配比为1:0～5:1；

控制所述加氢反应器内的反应温度为285～320℃、压力为3.5～4.0mpaa；

换热后，从所述壳程出口送出的反应产物温度为90～110℃、压力为3.1～3.6mpaa，进入所述加氢热分离罐；

反应产物在热分离罐内分为气液两相，气相冷却后进入冷分离罐；所述冷分离罐分离出的尾气去界区，分离出的液相返回所述热分离罐；所述分离罐的液相送去分馏。

进入所述空腔内的蒸汽优选采用温度为370～390℃、压力为3.0～4.0mpag的蒸汽。

与现有技术相比，本发明所提供的换热器换热效率高，且可根据需要方便地引入界外换热介质，操作灵活，节能降耗效果好；本发明所提供的混合碳四加氢制异丁烷的装置及方法，能够由于换热器效率高，流程设置合理，除装置开工时需要使用加热炉额外补充热量外，装置正常运行后不需要加热炉，按60万吨/年规模，可节约能耗1500kw,并且混合碳四加氢反应后，各类烯烃全部转化为烷烃，经分馏得到的异丁烷产品纯度高达99.9％；而现有技术中异丁烷产品纯度仅95％。

附图说明

图1为本发明实施例中换热器的剖视示意图；

图2为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本实施例中所涉及换热器的结构如下：

包括壳体1、设置在壳体1底部上的第一管程入口11、设置在壳体顶部的第一管程出口12、设置在壳体上部的壳程入口13和设置在壳体下部的壳程出口14。

壳体1的内腔内间隔设有第一封头41和第二封头42，将壳体的内腔分隔为纵向依次设置的三个区域。其中第一封头41与壳体1的第一端部即下端部围合形成第一子换热器1a，第二封头42与壳体的第二端部即上端部围合形成第二子换热器1b；第一子换热器1a和第二子换热器1b之间形成空腔15。

第一子换热器1a内设有第一换热管2，该第一换热管2的入口连通第一管程入口11；第一换热管2在第一子换热器1a内沿壳体1的轴向螺旋布置。第一封头41上设有连通第一子换热器1a的管程出口和空腔15的管程出口411。

第二子换热器1b内也设有第一换热管2，该第一换热管2的出口连通第一管程出口12；第一换热管2在第一子换热器1a内沿壳体1的轴向螺旋布置。第二封头42上设有连通第二子换热器1b管程和空腔15的管程入口421。

连接管5，用于连通第一子换热器1a壳程和第二子换热器1b壳程，其上端口连接在第二子换热器1b的下部，其下端口连接第一子换热器的上部。本实施例中，连接管5设置在壳体1外。

对应于空腔15，在壳体的壁上设有第二管程入口16和第二管程出口17；空腔15内设有第二换热管3，第二换热管3的入口连通第二管程入口16，第二换热管的出口连通第二管程出口17。

本实施例中，第二换热管3在空腔15内沿壳体1的径向螺旋布置。

使用上述换热器的混合碳四加氢制异丁烷装置：

第一管程入口11连接第一加氢物料输送管道61和循环氢输送管道63，第一管程出口12连接第二加氢物料输送管道62，第二加氢物料输送管道62连接加氢反应器7的物料入口71，加氢反应器7的物料出口72连接换热器的壳程入口13，换热器的壳程出口14连接加氢分离罐8的物料入口。

加氢热分离罐8分离出的气相从顶部的气相出口排出，进入水冷器冷却至30～50℃后，进入压力为3.0～3.5mpaa的冷分离罐9。

冷分离罐9分离出的气相尾气冷凝至15～20℃后去界区，分离出的液相返回到热分离罐8。

加氢热分离罐8分离出的液相温度为50～110℃，从底部的液相出口排出去产品分馏塔。

第二换热管3连接蒸汽输送管道65。

混合碳四加氢制异丁烷方法，其特征在于包括下述步骤：

来自上游的温度为80～110℃、压力为3.7～4.2mpaa的混合碳四加氢物料分为两股，其中第一股经由第一加氢物料输送管道61与来自循环氢输送管道63的循环氢汇流后形成反应原料，从第一管程入口11进入第一子换热器1a的管程内，与第一子换热器1a壳程内的加氢产物换热至215～245℃后，进入空腔15的壳程；

本实施例中，混合碳四加氢物料的质量组成为：甲烷0.01％、乙烷0.54％、丙烷8.5％、异丁烷66.37％、正丁烷19.12％、异丁烯0.81％、1-丁烯2.29％、顺-2-丁烯0.06％、反-2-丁烯1.59％、碳五烯烃0.40％、碳五烷烃0.19％、噻吩0.02％、水0.01％。

加氢物料与循环氢混合后的反应原料的组成为：氢气2.70％、硫化氢0.01％、甲烷0.93％、乙烷1.31％、丙烷10.77％、异丁烷62.84％、正丁烷17.32％、异丁烯0.62％、1-丁烯1.73％、顺-2-丁烯0.05％、反-2-丁烯1.20％、碳五烯烃0.30％、碳五烷烃0.17％、噻吩0.02％、水0.03％。控制循环氢与第一股加氢物料的体积比为180～500，本实施例为350；第一子换热器1a壳程内的加氢产物来自第二子换热器1b；

反应原料在空腔15内与第二换热管3内的来自界外的蒸汽换热至230～260℃后进入第二子换热器1b；

在第二子换热器1b内，反应原料与第二子换热器1b壳程内的物料换热；第二子换热器1b壳程内的物料为来自加氢反应器的温度为290～320℃、压力为3.2～3.7mpaa的反应产物；

出第二子换热器1b的反应原料与来自第二加氢物料输送管道内的第二股混合碳四混合得到温度为285～320℃、压力为3.5～4.0mpaa的反应进料，送至加氢反应器7在钯系催化剂的催化下，进行加氢反应；

出第二子换热器1b的反应原料与第二股混合碳四的配比为1:0～5:1；

控制所述加氢反应器内的反应温度为285～320℃、压力为3.5～4.0mpaa；

换热后，从壳程出口送出的反应产物温度为90～110℃、压力为3.1～3.6mpaa，进入加氢热分离罐8；控制加氢热分离罐内液气比例为1:1～2:1。

反应产物在热分离罐8内分为气液两相，气相从热分离罐顶部去水冷器，后进冷分离罐9，冷分离罐9分离出的气相尾气去界区，分离出的液相返回到热分离罐；

从热分离罐8分离出的气相主要质量组成为：氢气4.58％、硫化氢0.03％、甲烷1.62％、乙烷2.08％、丙烷14.07％、异丁烷60.68％、正丁烷16.65％、碳五烷烃0.24％、水0.06％(质量分数)，

热分离罐排出的液相主要质量组成为：氢气0.11％、硫化氢0.01％、甲烷0.12％、乙烷0.52％、丙烷8.41％、异丁烷67.04％、正丁烷23.18％、碳五烷烃0.60％、水0.01％，从分离罐底部送去分馏塔。

由上述可以看出，混合碳四加氢反应后，各类烯烃全部转化为烷烃。

经分馏塔分馏后出的异丁烷产品纯度高达99.9％；而现有技术中异丁烷产品纯度仅95％。

并且，本申请仅在装置开工未产出加氢反应产物时需要使用加热炉10，在装置正常运行后无需加热炉10，按60万吨/年规模，可节约能耗1500kw。

而现有技术中所采用的普通换热器，换热效率低，正常运行时需加热炉提供额外热量，能耗高。