一种碳四烷基化的实验装置和方法与流程

文档序号：16815744发布日期：2019-02-10 14:28阅读：446来源：国知局

本发明涉及一种碳四烷基化的实验装置和方法，尤其涉及一种低温带压硫酸法碳四烷基化的实验装置和方法，属于实验装置和方法技术领域。

背景技术：

目前，我国炼油工业的烷基化油技术以硫酸为催化剂的碳四烷基化技术为主。当今国际主流烷基化工艺采用液体酸催化剂，包括硫酸和氢氟酸。氢氟酸易挥发、有剧毒，一旦泄露将对周围环境和生态造成致命危害，而泄漏事故又难以杜绝。硫酸的腐蚀性及环境危害性比氢氟酸小，且硫酸法设备简单、对原料要求低、生产能耗低。因此，硫酸法技术成熟度和安全性更高、更符合我国的实际需要，将被我国炼油工业引进并广泛应用。同时，针对该技术的工业应用前景，实验室规模的理论及实验研究也已相继展开。

截至目前，虽然硫酸法c4烷基化技术工业技术及设备已相对成熟，但针对实验室规模的技术研究，并未有关于整套的硫酸法c4烷基化实验装置的相关技术。众所周知，实验室规模的实验装置与工业装置存在显著差异，且国内外现有实验装置均存在以下问题：

进料量方式及计量方案致使实验精度偏低，不能满足研究要求；进料的烷烯比i/o值为定值，难以调节，影响开展针对i/o值对烷基化反应影响的实验研究；反应器所设搅拌器转速过低，致反应器内酸烃两相不能充分接触，严重影响硫酸法c4烷基化反应的进行；酸烃分离及取样设备及方法存在设计缺陷，严重影响了硫酸法c4烷基化实验研究的精确度及取样过程的安全性；易燃易爆气体的尾气排空设计存在明显缺陷，严重危害实验操作人员的健康与实验室安全；硫酸法c4烷基化实验为易燃易爆(异丁烷与异丁烯)、强腐蚀性(90-98wt％硫酸)、及低温和带压操作(反应温度0℃和0.5mpa)，有较强的危险性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种计量精准、安全可靠的碳四烷基化的实验装置。

为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种碳四烷基化的实验装置，该实验装置包括：

进料设备、反应设备、分离及回收设备；其中，

进料设备包括c4烷烃钢瓶、c4烯烃钢瓶；所述c4烷烃钢瓶与c4烷烃进料罐连通，c4烯烃钢瓶与c4烯烃进料罐连通，c4烷烃进料罐与原料预混罐连通，c4烯烃进料罐与原料预混罐连通；

反应设备与原料预混罐连通；

分离及回收设备包括烷基化汽油分离罐、尾气冷凝罐和废酸收集罐，反应设备与烷基化汽油分离罐连通，烷基化汽油分离罐与尾气冷凝罐连通，烷基化汽油分离罐与废酸收集罐连通。

本发明还提供了由上述碳四烷基化的实验装置完成的碳四烷基化方法。

本发明的碳四烷基化的实验装置和方法，以安全可靠、精准计量、经济实用为前提，在实验室规模及条件下，可以开展低温、带压、强酸腐的硫酸法碳四烷基化反应。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中的碳四烷基化的实验装置的结构示意图。

主要附图符号说明

1c4烷烃钢瓶2c4烯烃钢瓶3烷烃干燥器4烯烃干燥器5c4烷烃进料罐6c4烯烃进料罐7烷烃进料罐电子秤8烯烃进料罐电子秤9原料预混罐10低温带压反应釜11烷基化汽油分离罐12尾气冷凝罐13废酸收集罐14制冷机15氮气钢瓶组16超高速磁力搅拌器17第一截止阀18第二截止阀19第三截止阀20第四截止阀21第一球阀22第二球阀23第一减压阀24第五截止阀25第六截止阀26第三减压阀27第一三通球阀28第二三通球阀29第一针型阀30第四减压阀31第七截止阀32第八截止阀33第三三通球阀34第二针型阀35第一浮子流量计36第二浮子流量计37第三浮子流量计38第九截止阀39第十截止阀40第十一截止阀41第三针型阀42第十二截止阀43第十三截止阀

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

碳四烷基化技术：是以异丁烷为烷基化原料，与c4烯烃进行烷基化反应，生成高辛烷值汽油调和组分2,2,4-三甲基戊烷(tmp)的技术。

烷烯外比(i/o)：进料流股的异丁烷与异丁烯的体积分数之比。

酸烃比：反应釜内硫酸相与烃相的体积之比。

如图1所示，在本发明的一具体实施方式中，提供了一种碳四烷基化的实验装置，该实验装置可以包括进料设备、反应设备、分离及回收设备；其中，

进料设备包括c4烷烃钢瓶1、c4烯烃钢瓶2；c4烷烃钢瓶1与c4烷烃进料罐5连通，c4烯烃钢瓶2与c4烯烃进料罐6连通，c4烷烃进料罐5与原料预混罐9连通，c4烯烃进料罐6与原料预混罐9连通；

反应设备与原料预混罐9连通；

分离及回收设备包括烷基化汽油分离罐11、尾气冷凝罐12和废酸收集罐13，反应设备与烷基化汽油分离罐11连通，烷基化汽油分离罐11与尾气冷凝罐12连通，烷基化汽油分离罐11与废酸收集罐13连通。

具体地，如图1所示，进料设备包括c4烷烃钢瓶1、c4烯烃钢瓶2；c4烷烃钢瓶1通过第八截止阀32、第四减压阀30与烷烃干燥器3连通，c4烯烃钢瓶2通过第六截止阀25、第三减压阀26与烯烃干燥器4连通，烷烃干燥器3通过第三三通阀33与c4烷烃进料罐5连通，烯烃干燥器4通过第一三通阀27与c4烯烃进料罐6连通，c4烷烃进料罐5的底部设置有烷烃进料罐电子秤7，c4烯烃进料罐6的底部设置有烯烃进料罐电子秤8；c4烷烃进料罐5通过第二针型阀34与原料预混罐9连通，c4烯烃进料罐6通过第一针型阀29与原料预混罐9连通。其中，c4烯烃进料罐6和c4烷烃进料罐5均设置有可视窗口。

其中，c4烷烃钢瓶1、c4烯烃钢瓶2为专门设计的插底钢瓶，内有金属导管插入钢瓶底部，每个钢瓶出口设有液相减压阀，通过高压金属软管与设备的对应接口连接。

在烷烃钢瓶和烯烃钢瓶与原料混合罐的连接管线上设置烷烃进料罐和烯烃进料罐，可以实现进料i/o值根据实验需要进行调整。c4烷烃进料罐5的底部设置有烷烃进料罐电子秤7，c4烯烃进料罐6的底部设置有烯烃进料罐电子秤8，并且c4烯烃进料罐6和c4烷烃进料罐5均设置有可视窗口，可以实现对进料量质量和体积的精确计量。

具体地，反应设备包括低温带压反应釜10和超高速磁力搅拌器16；低温带压反应釜10与原料预混罐9连通，在低温带压反应釜10与原料预混罐9的连接导管上设置有第一截止阀17；该超高速磁力搅拌器16的搅拌速度在2000r/min-4000r/min内可调，可以实现碳四烷基化反应的高速搅拌要求。

反应设备中的低温带压反应釜10和超高速磁力搅拌器16，可以实现碳四烷基化反应在低温、带压、强搅拌的条件下进行，为硫酸法c4烷基化反应提供反应环境与场所，确保反应过程的实验人员的安全性和反应的稳定性。

具体地，如图1所示，分离及回收设备包括烷基化汽油分离罐11、尾气冷凝罐12和废酸收集罐13。烷基化汽油分离罐11与低温带压反应釜10连通，其中，烷基化汽油分离罐11与低温带压反应釜10设置有两条连接导管，其中一条导管上由烷基化汽油分离罐11的底部流出，通过第三截止阀19进入低温带压反应釜10的入口，用于将烷基化汽油分离罐11分离出的浓硫酸回收至低温带压反应釜10中，进行下一次的碳四烷基化反应；另一条导管由低温带压反应釜10的底部引出，通过第四截止阀20进入烷基化汽油分离罐11的中下部，用于将碳四烷基化的反应产物输送到烷基化汽油分离罐11进行分离。烷基化汽油分离罐11通过第九截止阀38与尾气冷凝罐12连通，烷基化汽油分离罐11通过第十截止阀39与废酸收集罐13连通。其中，尾气冷凝罐12用于回收气相的未反应的烷烃，废酸收集罐13用于收集另一部分浓硫酸催化剂。

分离及回收设备包括烷基化汽油分离罐11、尾气冷凝罐12和废酸收集罐13。可以在常压条件下，完成硫酸相和烷基化油的分离、烷基化汽油和废酸的安全取样、过量c4烷烃的挥发和尾气冷凝收集与排放，确保分离过程、取样过程和尾气排放过程的安全性与准确性。

具体地，如图1所示，该实验装置还包括氮气钢瓶组15，氮气钢瓶组15分别与c4烷烃进料罐5、c4烯烃进料罐6、原料预混罐9、反应设备、烷基化汽油分离罐11、尾气冷凝罐12连通。氮气钢瓶组15的作用是提供气源，完成实验时在整个装置流路中的物质的吹扫，为c4烷烃进料罐5、c4烯烃进料罐6、原料预混罐9、反应设备、烷基化汽油分离罐11、尾气冷凝罐12提供压力，使得c4烷烃和c4烯烃能够以气态的形式存在。

更具体地，氮气钢瓶组15通过第七截止阀31与c4烷烃进料罐5连通，氮气钢瓶组15通过第五截止阀24与c4烯烃进料罐6连通，使得c4烷烃和c4烯烃能够以气态的形式进行进料。氮气钢瓶组15通过第二三通阀28与原料预混罐9连通。氮气钢瓶组15通过第二截止阀18与低温带压反应釜10连通，其中，第二截止阀18是第二三通阀28的一个分支，第二截止阀18与第二三通阀28的连通管线上设置有第十三截止阀43；第二三通阀28的另一个分支是通过第二球阀22和第一减压阀23与氮气钢瓶组15连通；第二三通阀28的另一个分支是通过第三针型阀41、第十一截止阀40与烷基化汽油分离罐11连通。氮气钢瓶组15通过第三针型阀41、第十二截止阀42与尾气冷凝罐12连通。

具体地，如图1所示，该实验装置还包括制冷机14，制冷机14分别与反应设备、原料预混罐9、尾气冷凝罐12连通。制冷机14用于为整个实验装置提供冷源。

更具体地，制冷机14分别通过第二浮子流量计36与低温带压反应釜10连通，通过第三浮子流量计37与原料预混罐9连通。其中，原料预混罐9与制冷机14构成一个循环回路。

在本发明的另一具体实施方式中，提供了一种碳四烷基化方法，该方法是通过如图1所示的实验装置完成的，该方法可以包括以下步骤：

通过c4烷烃进料罐、c4烯烃进料罐向原料预混罐中注入c4烷烃和c4烯烃；

调节温度为-10℃至20℃、压力为0.3mpa-1.5mpa，向反应设备中注入浓硫酸，并加入原料预混罐中的c4烷烃和c4烯烃，在2000-4000r/min下搅拌，进行碳四烷基化反应；

利用废酸收集罐收集浓硫酸，由尾气冷凝罐收集烷烃，完成碳四烷基化。

具体地，该方法还包括将烷基化汽油分离罐的浓硫酸回收至反应设备的步骤。

更具体地，采用如图1所示的碳四烷基化的实验装置进行的低温带压硫酸法碳四烷基化方法，具体包括以下步骤：

步骤一：实验前静态气密试验

由于装置中使用浓硫酸，因浓硫酸具有较强的氧化性及腐蚀性，为保证在实验运行过程中装置能够具有良好密封性能，因此在每次实验完成后，进行下次实验前对反应釜部分进行单独的试压试验。此时的气密试验压力为装置本轮试验的最高操作压力。

首先确保第一截止阀17、第二截止阀18、第三截止阀19、第四截止阀20及第一球阀21均处于关闭状态。之后打开第二截止阀18向低温带压反应釜10充入氮气，压力为0.5mpa，关闭第一截止阀18观察压力表的数值，保持压力15min，不掉压则说明气密性良好，若掉压则进行检漏。压力稳定不小于30min则气密试验完成。

步骤二：进料过程

检查各阀门处于关闭状态，检查热偶是否插好。启动制冷机14将冷却水温度设为-20℃；打开第二球阀22，调整第一减压阀23至减压后的压力为0.5mpa。

c4烯烃进料

打开第五截止阀24，向c4烯烃进料罐2充入氮气至0.5mpa后关闭第五截止阀24；打开第六截止阀25，第三减压阀26，将进料压力定为0.8mpa，打开第一三通球阀27，使c4烯烃进入到c4烯烃进料罐6中，当压力表的数值为1mpa时，闭合第一三通球阀27，停止进料；打开第二三通球阀28，向原料预混罐9充入氮气，维持压力为0.4mpa后关闭第二三通球阀28；缓慢打开第三针形阀29，当可视窗的液位显示或电子称的显示值达到所需的数值时，关闭第三针形阀29，完成c4烯烃的进料。

c4烷烃进料

打开第七截止阀31，向c4烷烃进料罐5充入氮气至0.5mpa后关闭第七截止阀31；打开第八截止阀32，第四减压阀30，将进料压力定为0.8mpa，打开第三三通球阀33，使c4烷烃进入到c4烷烃进料罐5中，当压力表(pg-1104)的显示值为1.0mpa时，闭合第三三通球阀33，停止进料；缓慢打开第二针形阀34，当可视窗的液位显示或电子称7的显示值达到所需的数值时，关闭第二针形阀34。此时完成c4烷烃的进料。注意在初次加入c4烷烃时，需要考虑管线体积中所存的烷烃液量，第二次加入时则不用再考虑管线的存液问题。

原料冷却

打开第一浮子流量计35，给定流量20l/min，待温度计的显示数值为所需要的温度时，适当调小浮子流量计的流量，维持温度稳定；在等待原料预混罐9物料冷却的过程中，在低温带压反应釜10上的第一球阀21，加入所需要的浓硫酸，关闭第一球阀21；打开第二截止阀18通入氮气，维持反应釜压力为0.5mpa，打开第二浮子流量计36，给定流量80l/min，将釜中的浓硫酸冷却至所需要的温度，向搅拌电机的轴承通入冷却风，给定初值为500nl/h，缓慢开启搅拌电机，将转速定为1000rmp，等待浓硫酸冷却。

步骤三：烷基化反应

待浓硫酸、烷烃及烯烃的混合物均冷却至所需要的温度后，打开第一截止阀17，将烷烃及烯烃的混合物加入到低温带压反应釜10中；待烷烃及烯烃全部流入反应釜中后，立即将搅拌电机的转速调整至所需要的数值，此时关闭第一浮子流量计35，同时及时调整第二浮子流量计36的开度，使低温带压反应釜10的反应温度维持在所需要的数值；达到反应时间后，停止搅拌电机，关闭第二截止阀18，第二浮子流量计36可不关闭，以便于维持低温带压反应釜10内的温度稳定，为下次实验做准备。

步骤四：烷基化汽油分离及取样操作

打开第三浮子流量计37，给定初值20l/min，为尾气冷凝罐12进行降温，待温度计的显示值为-20℃时，进行后续操作；打开第九截止阀38，阀门全开；缓慢打开第四截止阀20，注意观察压力表的数值，不要超过0.1mpa；直至低温带压反应釜10内的物料全部进入至烷基化汽油分离罐11中，再关闭第四截止阀20。若有残留，可打开第四截止阀20，向低温带压反应釜10中注入0.1mpa的氮气后关闭，再打开第四截止阀20，重复放料操作，直至放料完全，低温带压反应釜10的釜内压力为零，再关闭第四截止阀20；原料放到烷基化汽油分离罐11中后静置，等待烷基化汽油与浓硫酸分层，分层后可进行烷基化汽油及浓硫酸的取样操作。

取样点1：废酸收集罐13取样点

取样时，先观察压力表的示数，压力显示值应在0mpa，若有压力，可通过第九截止阀38缓慢的放掉一些烷基化汽油分离罐的氮气进行降压。将第十截止阀39的出口处的pfa管与废酸收集罐13的进酸口使用聚四氟卡套连接牢固后，缓慢打开第十截止阀39，注意取样的过程中，废酸收集罐13的放空口禁止朝向人侧，取样操作应当缓慢进行，防止浓硫酸飞溅损伤操作人员。当取至分析所需要的样品量后，关第十截止阀39，静止一段时间，使挂壁的浓硫酸充分流入到废酸收集罐13中。之后拆掉聚四氟卡套，取下废酸收集罐13，进入分析室进行样品分析。

取样点2：烷基化汽油分离罐11的烷基化汽油取样口

在反应后的物料进入到烷基化汽油分离罐11中并稳定分层后再进行取样操作。取样时注意观察压力表的压力显示，只有当压力显示为零时，可打开烷基化汽油取样口进行操作。使用取样器通过烷基化汽油取样口进行取样操作，操作过程应缓慢进行。取样完成后关闭烷基化汽油取样口。

步骤五：硫酸循环回用

关闭第九截止阀38，缓慢打开第十一截止阀40，向烷基化汽油分离罐11中充入0.1mpa的氮气后，关闭第十一截止阀40；缓慢打开第三截止阀19，将浓硫酸用氮气压回到低温带压反应釜10中，至浓硫酸全部返回至低温带压反应釜10中后关闭第三截止阀19。若一次放料不能将浓硫酸全部返回至低温带压反应釜10中，则重复本步骤，直至浓硫酸全部返回至低温带压反应釜10中。

在本发明的碳四烷基化的实验装置中，c4烷烃和烯烃以液相进料，采用电子称和带有玻璃可视视窗的进料罐的运用，可精准计量烷烃和烯烃的进料体积及质量；进料i/o值在实验过程中可以按照所需比例调节，调节可以为1:20-20:1；整套装置内的物料输送采用压力差输送方式，压力范围在4-8atm，确保了异丁烷和异丁烯在输送过程保持连续液相、-10至20℃恒定温度、3-15atm恒定压力、2000-4000r/min高搅拌转速、85-98wt％浓度硫酸等苛刻的操作条件下进行间歇烷基化反应；烷基化汽油分离罐，可使废酸直接循环回反应釜内，继续参与反应，此装置的设计方案能够仅在装置内部就能完成硫酸催化剂在烷基化汽油分离罐和反应釜内的多次循环，提高了装置安全性及可靠性；带制冷夹套的尾气收集罐可在常压下将过量的c4烷烃冷凝液化，解决了过量c4烷烃尾气的收集和排放问题，能有效地控制实验室内c4异丁烷气体浓度，确保实验操作人员安全及设备操作的可靠。废酸收集罐可专门收集烷基化汽油和废硫酸，该设备特点能有效防止废酸取样时的飞溅问题，保证了实验操作人员的安全及设备操作的可靠。

实施例1