本发明属于化工技术领域，并且更具体地，涉及一种由乙炔制备轻质芳烃的装置和方法。
背景技术：
苯、甲苯和二甲苯等轻质芳烃都是非常重要的化工基础原料，广泛应用于生产橡胶、纤维、塑料和染料等化工产品。目前，芳烃主要来源于石油化工中的催化重整和烃类热解，但是目前石油资源越来越匮乏，因此，开发其他路径生产轻质芳烃势在必行。
我国能源格局富煤、少油、贫气，2015年煤炭占一次能源消费比重的63.8％。从国家能源安全角度出发，应发展以煤炭为原料的能源化工行业。北京神雾集团开发的新电石技术，可以将中低阶煤炭通过分质梯级利用，生产化工原料乙炔。若能利用由煤炭生产的乙炔制备轻质芳烃，则能解决石油资源匮乏和芳烃需求增加的矛盾，具有重要的现实意义。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的主要是解决石油资源匮乏和芳烃需求增长的问题，提供一种耦合热反应和催化反应的由乙炔生产轻质芳烃的装置和方法。
根据本发明的一方面，提供一种由乙炔制备轻质芳烃的装置，该装置包括：进料管线、气体分布器、反应套管、加热炉和出料管线，其中：
进料管线设置有入口和出口；气体分布器设置在反应套管的内部且位于反应套管的上端并且与进料管线的出口连通；反应套管内填充陶瓷蜂窝体；反应套管贯穿加热炉，加热炉正对反应套管的中部，当加热炉对反应套管加热时，反应套管内根据温度场划分为预热区、热反应区、蓄热区、催化反应区和冷却区；出料管线与反应套管的下端连通。
在本发明中，加热炉正对反应套管的中部指的是加热炉对应反应套管的中部，与反应套管上端之间的距离和下端之间的距离相同。这样的设置有利于保持反应温度的恒定，且加热炉在热反应区中心位置设置控温点。
在本发明中，反应套管内充满了陶瓷蜂窝体，反应套管内填充陶瓷蜂窝体有利于保持反应套管内的温度，因为陶瓷蜂窝体的热容较大，蓄热效果好。
根据本发明的一个实施例，该装置还包括第一密封元件和第二密封元件，第一密封元件设置在进料管线与反应套管的连接处，第二密封元件设置在出料管线与反应套管的连接处。
根据本发明的一个实施例，反应套管为内衬陶瓷的不锈钢反应管。这里不锈钢反应管内衬采用陶瓷是因为乙炔在高温下接触不锈钢将发生大量副反应，内衬陶瓷可避免乙炔和不锈钢的接触，避免副反应。
根据本发明的一个实施例，反应套管的内径、反应套管的长度和加热炉的长度的比例为(2-10)：70：40。反应套管内径、反应套管长度和加热炉长度的比例决定了加热时反应套管内的温度场的分布。
在本发明中，反应套管的内径、反应套管的长度和加热炉的长度的比例确定了，并且反应温度确定了之后，加热炉对反应套管加热时反应套管中的温度场就确定了。加热炉正对的反应套管的中部温度最高，中部以上或以下温度都较低。
根据本发明的一个实施例，预热区、热反应区、蓄热区、催化反应区和冷却区的长度比例为(20-40)：(8-12)：(8-12)：(1-3)：(18-20)。
根据本发明的另一方面，还提供一种采用上述装置制备轻质芳烃的方法，包括：
1)将反应气乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳进行混合；
2)将步骤1)中混合的气体通入进料管线至气体分布器；
3)将步骤2)中通过气体分布器的混合气体在反应套管的预热区升温并送至热反应区；
4)将步骤3)中升温后的混合气体在反应套管的热反应区恒温发生热反应；根据本发明的实施例，本步骤中的反应温度为850℃-1000℃，优选为880℃-920℃；
5)将步骤4)中发生热反应后的产物通过反应套管的蓄热区并降温至催化反应温度；
6)将步骤5)中降温后的产物通过反应套管的催化反应区发生催化反应，制备得到轻质芳烃；根据本发明的实施例，催化反应区的反应温度为350℃-550℃。
7)将步骤6)中得到的轻质芳烃经过反应套管的冷却区进行冷却降温，然后通过出料管线进入下游装置中。
根据本发明的一个实施例，反应气乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的进料体积比为：(1-2)：(1-4)：(1-2)：(1-3)：(0.5-1)。
根据本发明的一个实施例，催化反应区布置有金属催化剂，金属催化剂负载在陶瓷蜂窝体上。
根据本发明的一个实施例，金属催化剂为镍、钼、钯、钌或铑中的一种或几种。
根据本发明的一个实施例，金属催化剂的质量百分比为0.1％-5％。
根据本发明的一个实施例，反应进料空速为2000～6000h-1。
在本发明中，催化反应区由陶瓷蜂窝体负载金属后的整体式催化剂装填而成，其中负载的金属为镍、钼、钯、钌或铑中的一种或几种。在催化反应区发生催化反应生成产物。
通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术具有如下优点：
1)本发明采用陶瓷蜂窝体装填，保证反应器内热场的均匀性，同时防止催化反应区床层堵塞、压降增加。
2)本发明通过耦合热反应和催化反应，利用了热反应的余热，提高了热利用效率。
3)本发明通过耦合热反应和催化反应，提高了乙炔转化率，增加了轻质芳烃收率，改善了产物质量。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点在与附图结合对实施例进行的描述中将更加明显并容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的由乙炔制备轻质芳烃的装置的结构示意图。
附图标记说明
1进料管线、2第一密封元件、3气体分布器、4反应套管、41预热区、42热反应区、43蓄热区、44催化反应区、45冷却区、5加热炉、6出料管线、7第二密封元件、8气体混合罐。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
参照图1，本发明提供一种由乙炔制备轻质芳烃的装置，该装置包括：进料管线1、气体分布器3、反应套管4、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在反应套管4的内部且位于反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对反应套管4的中部，当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场自上而下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45；出料管线1与反应套管4的下端连通。
在本发明的装置中，加热炉5正对反应套管4的中部指的是加热炉5对应反应套管4的中部，与反应套管4上端之间的距离和下端之间的距离相同。这样的设置有利于保持反应温度的恒定，且加热炉5在热反应区42的中心位置设置控温点。
在本发明的装置中，反应套管4内充满了陶瓷蜂窝体，反应套管4内填充陶瓷蜂窝体有利于保持反应套管4内的温度，因为陶瓷蜂窝体的热容较大，蓄热效果好。
优选地，本发明的装置还包括第一密封元件2和第二密封元件7，第一密封元件2设置在进料管线1与反应套管4的连接处，第二密封元件7设置在出料管线6与反应套管4的连接处。
优选地，本发明的装置还包括气体混合罐8，该气体混合罐8与进料管线1的入口连通，该气体混合罐8用于储存反应气乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的混合气体。
在本发明的装置中，反应套管4内填充陶瓷蜂窝体。由于反应气在高温条件下接触不锈钢将发生大量副反应，因此，不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的不锈钢反应管，进料管线1和产物的出料管线6温度宜控制在200℃以下。
优选地，反应套管4的内径、长度和加热炉5的长度的比例为(2-10)：70：40。
在本发明的装置中，预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45均由陶瓷蜂窝体装填而成，陶瓷蜂窝体具有较高的蓄热能力，可以提高能量利用效率，保证气体在热反应区42有均匀的热场。催化反应区44由陶瓷蜂窝体负载金属后的整体式催化剂装填而成，负载的金属为镍、钼、钯、钌或铑等金属，负载量为0.1％～5％，催化反应区44不设单独的控温点，乙炔制芳烃反应为放热反应，可以利用热反应区42的气体所带出的余热，将催化剂装填至温度为350～600℃的区域。催化反应区44既能充分利用热反应区42的余热，又能通过催化反应提高乙炔转化率，增加轻质芳烃的收率，改善热反应所得液相产物的质量，进一步提高轻质芳烃收率。同时采用整装的陶瓷蜂窝体作为载体，有利于减少流动阻力，避免催化剂装填密度过大或积炭较多造成的催化剂床层堵塞。
在本发明的装置中，反应套管的内径、反应套管的长度和加热炉的长度的比例确定了，并且反应温度确定了之后，加热炉对反应套管加热时反应套管中的温度场就确定了。加热炉正对的反应套管的中部温度最高，中部以上或以下温度都较低。
优选地，预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45的长度比例为(20-40)：(8-12)：(8-12)：(1-3)：(18-20)。。
另外，本发明还提供一种采用上述装置制备轻质芳烃的方法，包括：将反应气乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳按比例进行混合，通入进料管线1至气体分布器3；通过气体分布器3的混合气体在反应套管4的预热区41由200℃以下的初始温度升温至热反应区42的热反应温度，在热反应区保持恒温发生热反应，反应温度为850℃-1000℃，优选的反应温度为880℃-920℃；再经过反应套管4的蓄热区43，在蓄热区43产物从热反应温度降低至催化反应温度，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为350℃-550℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃；得到的最终产物经过反应套管4的冷却区45，在冷却区45温度降低至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置(未示出)中。
在上述方法中，优选地，反应气乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的进料体积比为：(1-2)：(1-4)：(1-2)：(1-3)：(0.5-1)。其中乙炔为主要反应气；氢气作为部分反应气，同时抑制乙炔及芳烃的过分缩合，降低积炭；甲烷和一氧化碳可降低积炭的形成；二氧化碳作为稀释气，降低乙炔的分压。
在上述方法中，反应进料空速为2000～6000h-1，基于此确定反应时间的长短。在反应套管、加热炉尺寸以及加热温度一定的情况下，反应进料的空速决定了气体在反应套管中的停留时间，即预热时间、热反应时间和催化反应时间。调整反应套管、加热炉尺寸以及加热温度中任一因素，可以调整气体在反应套管中的加热和反应情况，根据本发明的实施例中的情况，反应进料空速为2000～6000h-1时对热反应和催化反应是最有利的。
下面参照具体实施例，对本发明进行说明。
实施例1
参照图1，一种由乙炔生产轻质芳烃的装置，包括进气管线1、第一密封元件2、第二密封元件7、不锈钢反应套管4、气体分布器3、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在不锈钢反应套管4的内部且位于不锈钢反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；第一密封元件2设置在进料管线1与不锈钢反应套管4的连接处；不锈钢反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；不锈钢反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对不锈钢反应套管4的中部；出料管线6与不锈钢反应套管4的下端连通；第二密封元件7设置在出料管线6与不锈钢反应套管4的连接处；当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场从上至下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45。
采用的不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的反应管，长度700mm，内径20mm。加热炉5为电加热炉，长度400mm，加热炉5上端距反应套管4上端150mm。气体分布器3位于不锈钢反应套管4最上端。预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44、冷却区45均由陶瓷蜂窝体组成，依次装填至反应套管4从上至下的位置，长度分别为300mm、100mm、90mm、20mm和190mm。催化反应区44陶瓷蜂窝体负载有金属催化剂钯，负载量为3％。
采用上述装置制备轻质芳烃的方法为：将反应进料空速为2400h-1，体积含量分别为27％乙炔、24％氢气、24％甲烷、12％一氧化碳和13％二氧化碳通入进料管线1至气体分布器3，气体通过气体分布器3后在预热区41气体温度由室温升高至900℃，在热反应区42保持900℃恒温发生热反应，反应后再经过反应套管4内的蓄热区43，在蓄热区43产物的温度从900℃降低至550℃，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为550℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃，得到的最终产物在冷却区45温度降至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置中。
采用本装置和方法的检测结果如表1所示。由表1可知，采用上述技术方案将所得产物经分离后计算得出，乙炔转化率接近100％，液相收率为86％，液相产物中轻质芳烃(单环芳烃和双环芳烃)收率为89％，焦炭收率小于2％。
实施例2
参照图1，一种由乙炔生产轻质芳烃的装置，包括进气管线1、第一密封元件2、第二密封元件7、不锈钢反应套管4、气体分布器3、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在不锈钢反应套管4的内部且位于不锈钢反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；第一密封元件2设置在进料管线1与不锈钢反应套管4的连接处；不锈钢反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；不锈钢反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对不锈钢反应套管4的中部；出料管线6与不锈钢反应套管4的下端连通；第二密封元件7设置在出料管线6与不锈钢反应套管4的连接处；当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场从上至下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45。
采用的不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的反应套管，长度1000mm，内径50mm。加热炉5为电加热炉，长度570mm，加热炉5上端距反应套管4上端215mm。气体分布器3位于不锈钢反应套管4最上端。预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44、冷却区45均由陶瓷蜂窝体组成，依次装填至反应套管4从上至下的位置，长度分别为430mm、145mm、110mm、45mm和270mm。催化反应区44陶瓷蜂窝体负载有金属催化剂钌，负载量为5％。
采用上述装置制备轻质芳烃的方法为：将反应进料空速为3500h-1，体积含量分别为22％乙炔、20％氢气、25％甲烷、10％一氧化碳和23％二氧化碳通入进料管线1至气体分布器3，气体通过气体分布器3后在预热区41气体温度由室温升高至1000℃，在热反应区42保持1000℃恒温发生热反应，反应后再经过反应套管4内的蓄热区43，在蓄热区43产物的温度从1000℃降低至400℃，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为400℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃，得到的最终产物在冷却区45温度降至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置中。
采用本装置和方法的检测结果如表1所示。由表1可知，采用上述技术方案将所得产物经分离后计算得出，乙炔转化率接近100％，液相收率为90％，液相产物中轻质芳烃(单环芳烃和双环芳烃)收率为92.3％，焦炭收率小于1％。
实施例3
参照图1，一种由乙炔生产轻质芳烃的装置，包括进气管线1、第一密封元件2、第二密封元件7、不锈钢反应套管4、气体分布器3、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在不锈钢反应套管4的内部且位于不锈钢反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；第一密封元件2设置在进料管线1与不锈钢反应套管4的连接处；不锈钢反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；不锈钢反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对不锈钢反应套管4的中部；出料管线6与不锈钢反应套管4的下端连通；第二密封元件7设置在出料管线6与不锈钢反应套管4的连接处；当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场从上至下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45。
采用的不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的反应套管，长度560mm，内径80mm。加热炉5为电加热炉，长度320mm，加热炉5上端距反应套管4上端120mm。气体分布器3位于不锈钢反应套管4最上端。预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44、冷却区45均由陶瓷蜂窝体组成，依次装填至反应套管4从上至下的位置，长度分别为240mm、80mm、75mm、15mm和150mm。催化反应区44陶瓷蜂窝体负载有金属催化剂钌，负载量为0.1％。
采用上述装置制备轻质芳烃的方法为：将反应进料空速为2200h-1，体积含量分别为30％乙炔、20％氢气、20％甲烷、15％一氧化碳和15％二氧化碳通入进料管线1至气体分布器3，气体通过气体分布器3后在预热区41气体温度由室温升高至820℃，在热反应区42保持820℃恒温发生热反应，反应后再经过反应套管4内的蓄热区43，在蓄热区43产物的温度从820℃降低至350℃，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为350℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃，得到的最终产物在冷却区45温度降至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置中。
采用本装置和方法的检测结果如表1所示。由表1可知，采用上述技术方案将所得产物经分离后计算得出，乙炔转化率接近90％，液相收率为75％，液相产物中轻质芳烃(单环芳烃和双环芳烃)收率为84％，焦炭收率小于2.5％。
实施例4
参照图1，一种由乙炔生产轻质芳烃的装置，包括进气管线1、第一密封元件2、第二密封元件7、不锈钢反应套管4、气体分布器3、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在不锈钢反应套管4的内部且位于不锈钢反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；第一密封元件2设置在进料管线1与不锈钢反应套管4的连接处；不锈钢反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；不锈钢反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对不锈钢反应套管4的中部；出料管线6与不锈钢反应套管4的下端连通；第二密封元件7设置在出料管线6与不锈钢反应套管4的连接处；当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场从上至下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45。
采用的不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的反应套管，长度700mm，内径30mm。加热炉5为电加热炉，长度400mm，加热炉5上端距反应套管4上端150mm。气体分布器3位于不锈钢反应套管4最上端。预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44、冷却区45均由陶瓷蜂窝体组成，依次装填至反应套管4从上至下的位置，长度分别为300mm、100mm、80mm、30mm和190mm。催化反应区44陶瓷蜂窝体负载有金属催化剂钯和铑，负载量为1.5％。
采用上述装置制备轻质芳烃的方法为：将反应进料空速为6000h-1，体积含量分别为27％乙炔、25％氢气、24％甲烷、11％一氧化碳和13％二氧化碳通入进料管线1至气体分布器3，气体通过气体分布器3后在预热区41气体温度由室温升高至850℃，在热反应区42保持850℃恒温发生热反应，反应后再经过反应套管4内的蓄热区43，在蓄热区43产物的温度从850℃降低至500℃，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为500℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃，得到的最终产物在冷却区45温度降至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置中。
采用本装置和方法的检测结果如表1所示。由表1可知，采用上述技术方案将所得产物经分离后计算得出，乙炔转化率接近99％，液相收率为87％，液相产物中轻质芳烃(单环芳烃和双环芳烃)收率为91％，焦炭收率小于1.5％。
实施例5
参照图1，一种由乙炔生产轻质芳烃的装置，包括进气管线1、第一密封元件2、第二密封元件7、不锈钢反应套管4、气体分布器3、加热炉5和出料管线6，其中进料管线1设置有入口和出口；气体分布器3设置在不锈钢反应套管4的内部且位于不锈钢反应套管4的上端并且与进料管线1的出口连通；第一密封元件2设置在进料管线1与不锈钢反应套管4的连接处；不锈钢反应套管4内填充陶瓷蜂窝体；不锈钢反应套管4贯穿加热炉5，加热炉5正对不锈钢反应套管4的中部；出料管线6与不锈钢反应套管4的下端连通；第二密封元件7设置在出料管线6与不锈钢反应套管4的连接处；当加热炉5对反应套管4加热时，反应套管4内根据温度场从上至下划分为预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44和冷却区45。
采用的不锈钢反应套管4为内衬陶瓷的反应套管，长度700mm，内径20mm。加热炉5为电加热炉，长度400mm，加热炉5上端距反应套管4上端150mm。气体分布器3位于不锈钢反应套管4最上端。预热区41、热反应区42、蓄热区43、催化反应区44、冷却区45均由陶瓷蜂窝体组成，依次装填至反应套管4从上至下的位置，长度分别为300mm、100mm、95mm、15mm和190mm。催化反应区44陶瓷蜂窝体负载的金属为镍和钼，负载量为4.5％。
采用上述装置制备轻质芳烃的方法为：将反应进料空速为2000h-1，体积含量分别为28％乙炔、25％氢气、23％甲烷、11％一氧化碳和13％二氧化碳通入进料管线1至气体分布器3，气体通过气体分布器3后在预热区41气体温度由室温升高至900℃，在热反应区42保持900℃恒温发生热反应，反应后再经过反应套管4内的蓄热区43，在蓄热区43产物的温度从900℃降低至550℃，到达催化反应区44，与催化剂接触，在反应温度为550℃条件下发生催化反应制备得到产物轻质芳烃，得到的最终产物在冷却区45温度降至200℃以下，然后通过出料管线6进入下游装置中。
采用本装置和方法的检测结果如表1所示。由表1可知，采用上述技术方案将所得产物经分离后计算得出，乙炔转化率接近96％，液相收率为82％，液相产物中轻质芳烃(单环芳烃和双环芳烃)收率为86％，焦炭收率小于2％。
表1不同示例装置和方法得到的检测结果
由表1可以看出，通过本发明的装置和方法，本发明提高了乙炔转化率，增加了轻质芳烃收率，改善了产物质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。