高效反应器设计对丁烷脱氢技术的整体能量优化

摘要

公开了反应器和使用所述反应器生产1‑丁烯的方法。使包含正丁烷的进料料流流入反应器的脱氢室。脱氢室包括用于催化正丁烷脱氢以生产包含1‑丁烯、2‑丁烯、异丁烯和/或未反应的正丁烷的脱氢室流出物的脱氢催化剂。使脱氢室流出物流至反应器的异构化室。异构化室包含用于使脱氢室流出物中的2‑丁烯异构化以生产1‑丁烯的催化剂。加热段设置在脱氢室和异构化室之间，以为两个室中的反应提供热量。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月2日提交的美国临时专利申请号62/755,267的优先权的权益，通过整体引用将其并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于生产1-丁烯的反应器和方法。更具体地，本发明涉及用于由正丁烷经脱氢然后异构化生产1-丁烯的反应器和方法。

背景技术

1-丁烯通常用作用于生产某些类型的聚乙烯(例如线性低密度聚乙烯)的共单体。1-丁烯还用作用于生产高辛烷燃料的有效单体。此外，在包括聚丙烯树脂、环氧丁烷和丁酮的许多化学生产过程中，将1-丁烯用作前体。

常规上，通过分离在炼油厂或化学生产过程中获得的粗制C

总体上，尽管存在生产1-丁烯的系统和方法，但至少鉴于常规方法的上述缺点，本领域仍然需要改进。

发明内容

已经发现了与1-丁烯的生产系统和方法有关的至少一些上述问题的解决方案。该解决方案在于反应器以及使用所述反应器生产1-丁烯的方法。所述反应器包括脱氢室和异构化室以及设置于其间的加热段。可以在脱氢室中使正丁烷脱氢以生产1-丁烯、2-丁烯和/或异丁烯。来自脱氢室的流出物在异构化室中进一步处理，以将基本上所有的2-丁烯转化为1-丁烯。这对于消除下游分离1-丁烯和2-丁烯的需要是有利的，从而降低了生产1-丁烯的能量成本。尤其是，该方法在单个反应器中进行脱氢和异构化，从而简化了操作过程。另外，脱氢室和异构化室共用同一个加热段，与常规方法相比，这可以进一步降低1-丁烯的生产成本。

本发明的实施方案包括用于使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的反应器。所述反应器包含：脱氢室，其包含适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂；和异构化室，其包含适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子(sulfocation)交换剂催化剂。

本发明的实施方案包括用于使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的反应器。所述反应器包含：脱氢室，其包含适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂；和异构化室，其包含适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子交换剂催化剂。所述反应器进一步包含用于使流出物从脱氢室流入异构化室的通道。所述反应器还进一步包含设置在脱氢室和异构化室之间的加热段。

本发明的实施方案包括使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的方法。所述方法包含使正丁烷流入反应器的脱氢室中。脱氢室包含适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂。所述方法进一步包含使正丁烷在脱氢室中经受足以使正丁烷脱氢以生产至少1-丁烯和2-丁烯的反应条件。所述方法进一步包含使包含1-丁烯和2-丁烯的脱氢室流出物流入反应器的异构化室中。异构化室包含适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子交换剂催化剂。所述方法还进一步包含使脱氢室流出物在异构化室中经受足以使脱氢室流出物的至少一些2-丁烯异构化以形成1-丁烯的反应条件。

以下包括贯穿本说明书使用的各种术语和短语的定义。

术语“约”或“大约”被定义为接近，如本领域普通技术人员所理解的。在一个非限制性实施方案中，这些术语被定义为在10％以内，优选在5％以内，更优选在1％以内，最优选在0.5％以内。

术语“wt.％”、“vol.％”或“mol.％”分别指基于包括所述组分的材料的总重量、总体积或总摩尔数计，所述组分的重量、体积或摩尔百分比。在非限制性实例中，在100摩尔材料中10摩尔组分为10mol.％的组分。

术语“基本上”及其变型被定义为包括10％以内、5％以内、1％以内或0.5％以内的范围。

当在权利要求和/或说明书中使用时，术语“抑制”或“减少”或“防止”或“避免”或这些术语的任意变型包括任意可测量的减少量或完全抑制以是实现期望的结果。

术语“有效”，如在说明书和/或权利要求中使用的该术语，表示足以实现期望的、预期的或意图的结果。

当在权利要求或说明书中与术语“包含(comprising)”、“包括(including)”、“含有(containing)”或“具有(having)”结合使用时，术语“一(a)”或“一(an)”的使用可以表示“一个”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。

术语“包含(comprising)”(和任何形式的包含，如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(和任何形式的具有，如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(和任何形式的包括，如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)”(和任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(contain)”)都是包括性的或开放式的，且不排除额外的、未列举的元素或方法步骤。

本发明的方法可以“包含”贯穿说明书公开的特定成分、组分、组合物等，“基本上由其组成”或“由其组成”。

术语“主要地”，如在说明书和/或权利要求中使用的该术语，表示大于50wt.％、50mol.％和50vol.％中的任一个。例如，“主要”可以包括50.1wt.％至100wt.％和其间的所有值和范围、50.1mol.％至100mol.％和其间的所有值和范围、或50.1vol.％至100vol.％和其间的所有值和范围。

本发明的其它目的、特征和优点将从以下附图、详细描述和实施例中变得明显。然而，应理解，附图、详细说明和实施例虽然表明了本发明的具体实施方案，但仅以说明的方式给出，而并不意味着限制。另外，预期通过该详细描述，在本发明的精神和范围内的改变和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。在另外的实施方案中，来自特定实施方案的特征可以与来自其它实施方案的特征组合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任意其它实施方案的特征组合。在另外的实施方案中，可以将附加特征增加到本文描述的特定实施方案中。

附图说明

为了更全面的理解，现结合附图参考以下描述，其中：

图1A示出了根据本发明的实施方案的使用正丁烷生产1-丁烯的反应器的前视截面图；

图1B示出了根据本发明的实施方案的使用正丁烷生产1-丁烯的反应器的俯视截面图；且

图2示出了根据本发明的实施方案的使用正丁烷生产1-丁烯的方法的示意性流程图。

具体实施方式

目前，可以通过从精炼设备和/或化学生产方法(例如蒸汽裂化)中生产的C

A.生产1-丁烯的反应器

在本发明的实施方案中，用于生产1-丁烯的反应器可以包括集成的脱氢室和异构化室。参考图1，示出了反应器100的示意图，该反应器100能够以与用于1-丁烯生产的常规系统相比降低的生产成本生产1-丁烯。根据本发明的实施方案，反应器100包含脱氢室101。脱氢室101可以含有适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂。在本发明的实施方案中，反应器100包括进料入口，所述进料入口被配置为将包含正丁烷的进料料流11接收到脱氢室101中。

在本发明的实施方案中，脱氢室101中的脱氢催化剂包括铂、锡或其组合。脱氢催化剂可以负载在包含氧化铝、二氧化硅或其组合的载体材料上。在本发明的实施方案中，脱氢室101中的脱氢催化剂(金属)与载体材料的比率可以在0.1至20的范围内，及其间的所有范围和值，包括范围0.1至0.2，0.2至0.3，0.3至0.4，0.4至0.5，0.5至0.6，0.6至0.7，0.7至0.8，0.8至0.9，0.9至1.0，1.0至2.0，2.0至3.0，3.0至4.0，4.0至5.0，5.0至6.0，6.0至7.0，7.0至8.0，8.0至9.0，9.0至10.0，10.0至11.0，11.0至12.0，12.0至13.0，13.0至14.0，14.0至15.0，15.0至16.0，16.0至17.0，17.0至18.0，18.0至19.0，和19.0至20.0。根据本发明的实施方案，脱氢催化剂和载体材料可以被包括在设置于脱氢室101中的固定催化剂床中。脱氢催化剂的表面积可以为100至200m

根据本发明的实施方案，反应器100进一步包含异构化室102。异构化室102可以含有适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子交换剂催化剂。在本发明的实施方案中，磺基阳离子交换剂催化剂包括苯乙烯和二乙烯基苯或其组合。在本发明的实施方案中，磺基阳离子交换剂催化剂可包括离子交换树脂、苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，或其组合。在本发明的实施方案中，反应器100可包含与脱氢室101的出口和异构化室102的入口流体连通的通道，使得脱氢室流出物料流12从脱氢室101流至异构化室102。根据本发明的实施方案，脱氢室101的出口可以设置在其底部。异构化室102的入口可以设置在其底部。

根据本发明的实施方案，反应器100进一步包含设置在脱氢室101和异构化室102之间的加热段103。在本发明的实施方案中，加热段103适于提供热量以用于在脱氢室101中的正丁烷的脱氢和在异构化室102中的2-丁烯的异构化。加热段103可包含加热线圈、气体燃烧器或其组合。

在本发明的实施方案中，反应器100包括适于从异构化室102释放异构化室流出物料流13的出口。在本发明的实施方案中，反应器100包括适于容纳脱氢室101、异构化室102和加热段103的外壳。根据本发明的实施方案，反应器100可具有圆柱形形状，并且脱氢室101、异构化室102、加热段103各自独立地包含环形柱，如图1A和图1B所示。在本发明的实施方案中，脱氢室101、异构化室102和加热段103的环形柱可形成基本同心的多层结构。如图1B所示，就从多层结构的圆周至中心而言，可以将脱氢室101设置为最外层，可以将加热段103设置为第二最外层，并且将异构化室102设置为第三层。在本发明的实施方案中，第二加热段104可以设置在反应器100的多层结构的中心。应当注意，本发明的实施方案可以包括具有其他形状的横截面的反应器100，包括但不限于矩形、多边形、椭圆形、三角形或任何不规则形状。在本发明的实施方案中，反应器100可包含其他配置。例如，反应器100可具有以下配置：异构化室102作为反应器100的最外部室，加热段103作为从最外部室的第二段，脱氢室作为从反应器100的最外部的第三室。

B.生产1-丁烯的方法

已经发现了生产1-丁烯的方法。与常规方法相比，所述方法可能能够降低生产1-丁烯的能量成本。如图2所示，本发明的实施方案包括生产1-丁烯的方法200。如图1A和/或1B所示，方法200可以由反应器100来实现。根据本发明的实施方案，如框201所示，方法200可包括使包含正丁烷的进料料流11流入反应器100的脱氢室101中。在本发明的实施方案中，进料料流11可以在框201流动之前被预热至以下温度：100至150℃及其间的所有范围和值，包括100至105℃、105至110℃、110至115℃、115到120℃、120到125℃、125到130℃、130到135℃、135到140℃、140到145℃、145到150℃的范围。脱氢室101可包含固定催化剂床，所述固定催化剂床包括Pt、Sn或其组合。

根据本发明的实施方案，如框202所示，方法200进一步包括使进料流11的正丁烷在脱氢室101中经受足以使正丁烷脱氢以生产1-丁烯和2-丁烯的反应条件。框202的处理步骤可以进一步生产异丁烯。在本发明的实施方案中，框202的脱氢室101中的反应条件包括400至550℃的反应温度以及其间的所有范围和值，包括400至410℃、410至420℃、420至430℃、430至440℃、440至450℃、450至460℃、460至470℃、470至480℃、480至490℃、490至500℃、500至510℃、510至520℃、520至530℃、530至540℃、540至550℃的范围。框202的反应条件可以进一步包括脱氢室中的以下反应压力：0至5bar及其间的所有范围和值，包括0至0.5bar、0.5至1.0bar、1.0至1.5bar、1.5至2.0bar、2.0至2.5bar、2.5至3.0bar、3.0至3.5bar、3.5至4.0bar、4.0至4.5bar和4.5至5.0bar。框202的反应条件可以进一步包括以下重时空速：1000至5000hr

根据本发明的实施方案，如框203所示，方法200进一步包括使脱氢室流出物料流12流入反应器100的异构化室102中。在本发明的实施方案中，异构化室102可包含磺基阳离子交换剂催化剂，磺基阳离子交换剂催化剂包括苯乙烯、二乙烯基苯或其组合。如框204所示，方法200可包括在异构化室102中使脱氢室流出物料流12经受足以使脱氢室流出物料流12的2-丁烯异构化以形成异构化室流出物流13中的1-丁烯的反应条件。在本发明的实施方案中，框204的异构化室102中的反应条件包括400至500℃的反应温度及其间的所有范围和值，包括400至405℃、405至410℃、410至415℃、415至420℃、420至425℃、425至430℃、430至435℃、435至440℃、440至445℃、445至450℃、450至455℃、455至460℃、460至465℃、465至470℃、470至475℃、475至480℃、480至485℃、485至490℃、490至495℃、495至500℃的范围。框204的反应条件可以进一步包括以下反应温度：0至5bar的范围及其间的所有范围和值，包括0至0.5bar、0.5至1.0bar、1.0至1.5bar、1.5至2.0bar、2.0至2.5bar、2.5至3.0bar、3.0至3.5bar、3.5至4.0bar、4.0至4.5bar和4.5至5.0bar。框204的反应条件可以进一步包括以下重时空速：1000至5000hr

在本发明的实施方案中，在框204中，脱氢室流出物料流12的基本上所有2-丁烯都转化为1-丁烯。异构化室流出物料流13可进一步包含异丁烯和/或未反应的正丁烷。在本发明的实施方案中，异构化室流出物料流13可包含80至95wt.％的1-丁烯及其间的所有范围和值，包括80至81wt.％、81至82wt.％、82至83wt.％、83至84wt.％、84至85wt.％、85至86wt.％、86至87wt.％、87至88wt.％、88至89wt.％、89至90wt.％、90至91wt.％、91至92wt.％、92至93wt.％、93至94wt.％和94至95wt.％。异构化室流出物料流13可包含5至20wt.％异丁烯和45至65wt.％未反应的正丁烷。根据本发明的实施方案，异构化室流出物料流13可以通过分离单元分离以生产纯化的1-丁烯。

尽管已经参考图2的方框描述了本发明的实施方案，但是应理解，本发明的操作不限于图2中所示的特定方框和/或特定方框顺序。因此，本发明的实施方案可以使用与图2的顺序不同的各种方框来提供如本文所述的功能。

在本发明的上下文中，描述了至少以下17个实施方案。实施方案1是一种用于使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的反应器。所述反应器包括：脱氢室，其包括适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂；和异构化室，其包括适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子交换剂催化剂。实施方案1是如实施方案1所述的反应器，其进一步包括用于使流出物从脱氢室流入异构化室的通道。实施方案3是如实施方案1或2中任一项所述的反应器，其进一步包括设置在脱氢室和异构化室之间的加热段。实施方案4是如实施方案3所述的反应器，其中所述加热段包含气体燃烧器或加热线圈或其组合。实施方案5是如实施方案3或4中任一项所述的反应器，其中脱氢室、异构化室和加热段各自独立地含有环形柱，其中脱氢室、异构化室和加热段的环形柱基本上是同心的。实施方案6是如实施方案1至5任一项所述的反应器，其中所述脱氢催化剂选自由铂和/或锡组成的组。实施方案7是如实施方案6所述的反应器，其中所述脱氢催化剂负载在选自由氧化铝和二氧化硅组成的组的载体材料上。实施方案8是如实施方案7所述的反应器，其中所述脱氢室含有一个或多个固定催化剂床，所述固定催化剂床包含所述脱氢催化剂和所述载体材料。实施方案9是如实施方案1至8任一项所述的反应器，其中所述磺基阳离子交换剂催化剂选自由苯乙烯、二乙烯基苯或其组合组成的组。

实施方案10是一种使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的方法。所述方法包括使正丁烷流入实施方案1至9中任一项所述的反应器的脱氢室中。所述方法进一步包括使正丁烷在脱氢室中经受足以使正丁烷脱氢以生产至少1-丁烯和2-丁烯的反应条件。所述方法也包括使包含1-丁烯和2-丁烯的脱氢室流出物流入反应器的异构化室中。所述方法另外包括使脱氢室流出物在异构化室中经受足以使脱氢室流出物的至少一些2-丁烯异构化以形成1-丁烯的反应条件。

实施方案11是一种使正丁烷脱氢以生产1-丁烯的方法。所述方法包括使正丁烷流入反应器的脱氢室，所述脱氢室含有适于催化正丁烷脱氢的脱氢催化剂。所述方法也包括使正丁烷在脱氢室中经受足以使正丁烷脱氢以生产至少1-丁烯和2-丁烯的反应条件。所述方法进一步包括使包含1-丁烯和2-丁烯的脱氢室流出物流入反应器的异构化室中，所述异构化室含有适于催化2-丁烯异构化为1-丁烯的磺基阳离子交换剂催化剂。所述方法另外包括使脱氢室流出物在异构化室中经受足以使脱氢室流出物的至少一些2-丁烯异构化以形成1-丁烯的反应条件。实施方案12是如实施方案10或11中任一项所述的方法，其中所述脱氢室中的反应条件包括400至550℃的反应温度和0至5bar的反应压力。实施方案13是如实施方案10至12任一项所述的方法，其中所述脱氢室中的反应条件包括1000至5000hr

尽管已经详细描述了本申请的实施方案及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的实施方式的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变、替换和更改。此外，本申请的范围并不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施方案。如本领域普通技术人员将从以上公开内容容易地理解的，可以利用目前存在的或以后将开发的起到与本文所描述的相应实施方案基本相同的功能或实现与本文描述的相应实施方案基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。