CN101164684A - 组合式流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式流化床反应器，主要解决以往技术中用于甲醇或二甲醚催化反应过程中，存在乙烯及丙烯选择性低，收率低的技术问题。本发明通过采用包括密相区A、过渡区B、沉降区C、原料进口1、分布器或分布板2、换热器3、提升管4、快分装置6、导气管7、旋风分离器8、集气室9、产物气体出口10、汽提器11、再生斜管12和待生斜管13，其中密相区A经过缩径结构的过渡区B后与提升管4相连通；提升管4上端或末端设有快分装置6；导气管7位于沉降器5内，其上端伸入沉降区C上部的稀相区，其下端位于提升管4外过渡区B外部上端；旋风分离器8位于沉降器5内，提升管4外，其上部出口与集气室9相通；分布器或分布板2位于密相区A底部，分布器或分布板2的下部设置有原料进口1；在提升管4下部区域附近设置终止剂注入口15的技术方案，较好地解决了该问题，可用于增产乙烯、丙烯的工业生产中。

Description

组合式流化床反应器
技术领域
本发明涉及一种组合式流化床反应器，特别是关于采用组合式流化床反应器耦合提升管反应器，快分装置及终止剂技术，实用于含氧化合物如甲醇或二甲醚高效催化转化生成乙烯、丙烯的组合式流化床反应器。
背景技术
石油化工是国民经济中重要的支柱产业，为工业、农业、交通和国防等部门提供大量化工原料，是国民经济中关联和带动性较强的产业部门之一。而丙烯与乙烯则是构成现代石油化工最为重要的两大基础原料。
乙烯的大宗下游产品主要有聚乙烯、环氧乙烷、乙二醇、聚氯乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯等。乙烯产量的大小是衡量一个国家石化工业乃至国民经济发达程度的标志。丙烯主要用于生产聚丙烯、异丙苯、羰基醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸、异丙醇等，其中聚丙烯占世界丙烯需求的一半以上。目前，世界上67％的丙烯来自蒸汽裂解生产乙烯的副产品，30％来自炼油厂催化裂化(FCC)生产汽、柴油的副产品，少量(约3％)由丙烷脱氢和乙烯-丁烯易位反应得到。预计未来乙烯及丙烯需求增长速度快于供应。
鉴于乙烯及丙烯的需求增长率较高，而传统的生产模式呈现“供不应求”的紧张状况，因此补充乙烯及丙烯需求需要借助于其他各种增产乙烯丙烯技术。
含氧化合物是用于制备烯烃的有前途的备选原料。特别有前途的含氧化合物原料是醇类如甲醇、二甲醚、甲乙醚、二乙醚、碳酸二甲脂、和甲酸甲脂。这些含氧化合物许多可通过发酵、或由天然气衍生的合成气、石油液体、碳质材料包括煤、再循环塑料、城市垃圾、或任何适合的有机材料生产。由于来源多种多样，含氧化合物将成为用于烯烃生产的经济来源。
一直以来，煤或天然气制合成气、合成气制甲醇和烯烃分离技术已经具有规模化成熟经验，但是由甲醇到烯烃的过程是合成气到烯烃这个工业链条的断点和难点，而该关键技术的解决可以为由非石油资源生产基本有机原料乙烯、丙烯提供一条新的原料路线。尤其是近些年来，乙烯及丙烯的需求持续走高，而石油资源日趋匮乏的情况下。如何开辟出一条非石油资源生产乙烯，丙烯的煤化工新路线，对于极大地缓解我国石油供应紧张的局面，促进我国重化工的跨越式发展和原料路线的结构性调整，具有重要的战略意义和社会、经济效益。
文献CN1356299A，公开了一种由甲醇或二甲醚生产低碳烯烃的工艺方法及其系统。该工艺采用磷酸硅铝分子筛(SAPO-34)作为催化剂，利用气固并流下行式流化床超短接触反应器，催化剂与原料在气固并流下行式流化床超短接触反应器中接触、反应物流方向为下行；催化剂及反应产物出反应器后进入设置在该反应器下部的气固快速分离器进行快速分离；分离出的催化剂进入再生器中烧碳再生，催化剂在系统中连续再生，反应循环进行。该工艺二甲醚或甲醇的转化率大于98％。
文献WO2004/039754公开了一种含氧物至烯烃的流化床反应器装置及控制该装置的方法，该方法主要通过相关变量的控制来实现含氧物至烯烃的催化转化反应。所述工艺变量选自下组中的至少一个：1)空速，2)平均反应温度，3)反应物转化率，和4)催化剂上的平均焦炭量，且与至少一个工艺变量相对应的设置点选自(a)反应物进料速率，(b)原料焓，(c)与反应器温度有关的函数，例如，反应器的中间温度或沿反应器一部分的温升速率，和(d)在反应器立管中的催化剂滞留量。对应的操作变量选自I)进料控制阀II)原料预热速度，III)反应器中的催化活性，和IV)反应器中的催化剂量。显然，该装置及方法，必须使测量和操作变量实现最佳组合才能实现平稳组合，且操作复杂。
文献US6023005公开了保持含氧物至烯烃转化催化剂上的最佳平均焦炭含量对于实现改善较低的烯烃选择性的重要性，对于上述变量的控制表现为可用于使含氧化合物至烯烃的反应器的性能最佳，然而，在尝试选择控制空速，平均反应温度、反应物转化率及催化剂上的平均焦炭含量的控制模式时遇到了几个问题。例如难以测量催化剂上的平均焦炭含量，因为催化剂样品必须被取出并用试验室方法分析。目前，不存在可连续监控反应器内部催化剂上焦炭含量的可靠方法。对反应物转化率水平的测量存在着相似的问题。
综上所述，上述文献中存在催化剂与反应产物无效接触时间长，不能及时分离或停止反应，造成二次反应容易发生，副反应多，副产物量大，使目的产物选择性差、收率低的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是以往文献技术中存在流化床反应器用于甲醇或二甲醚生产乙烯丙烯过程中目的产品乙烯丙烯收率低及选择性低的问题，提供一种新的组合式流化床反应器。该组合式流化床反应器用于甲醇或二甲醚生产乙烯丙烯过程中，具有目的产品乙烯丙烯收率高，选择性好的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种组合式流化床反应器，基本由流化床反应器、沉降器(5)、汽提器(11)和换热器(3)组成，包括密相区A、过渡区B、沉降区C、原料进口1、分布器或分布板2、换热器3、提升管4、快分装置6、导气管7、旋风分离器8、集气室9、产物气体出口10、汽提器11、再生斜管12和待生斜管13，其中密相区A经过缩径结构的过渡区B后与提升管4相连通；提升管4上端或末端设有快分装置6；快分装置6的旋臂位于提升管4外，与提升管4同轴相通的导气管7内；导气管7位于沉降器5内，其上端伸入沉降区C上部的稀相区，其下端位于提升管4外过渡区B外部上端；旋风分离器8位于沉降器5内，导气管7外，其上部出口与集气室9相通；集气室9位于沉降器5顶部与产物气体出口10相连通；汽提器11一端与沉降器5的底部相连通，汽提器11的另一端与待生斜管13相连；在沉降器5的底部与密相区A下段之间设置换热器3，换热器3的一端与沉降器5的底部相连通，换热器3的另一端与密相区A相连通；分布器或分布板2位于密相区A底部，分布器或分布板2的下部设置有原料进口1；在提升管4下部区域附近设置终止剂注入口15。
上述技术方案中终止剂注入口15距离提升管4底部的垂直距离为提升管4长度的0～4/5；终止剂注入口15沿提升管4下部区域呈环形分布；提升管4的内径是密相区A外径的1/15～1/2，提升管4的高度是密相区A高度的1/5～5/1；再生斜管12与密相区A连接口距离密相区A底部垂直距离是密相区A垂直高度的1/10～1/2；过渡区B的垂直高度是密相区A垂直高度的1/20～1/2；旋风分离器8的气体入口距离集气室9顶部垂直距离为沉降器直径的1/10～1/1。
采用组合式流化床反应器实现甲醇及二甲醚催化转化生产乙烯及丙烯过程中，目的产物乙烯和丙烯是反应的中间产物，中间产物在与催化剂长时间接触情况下，依然会继续转化，尤其在组合式流化床反应器的沉降区域，大量未分离的催化剂在高温状态下会继续与反应产物发生二次反应，使得副反应多，副产物量大，造成乙烯及丙烯选择性低，收率低。本发明通过在催化剂与反应产物离开催化床层的出口位置区域注入终止剂，一方面，温度较低的终止剂与高温反应混合物及催化剂接触，可以大幅降低反应混合物及催化剂的温度，同时由于选用的终止剂本身可直接参与反应，且是强吸热反应，这不仅进一步加速高温反应混合物及催化剂的急剧降温过程，同时，终止剂的反应产物可进一步提高目的产物的收率。温度急剧降低的反应混合物及催化剂离开反应区后，副反应少，二次反应发生的几率小，进一步提高了目的产物的收率及选择性。
本发明的组合式流化床反应器用于甲醇催化转化生产乙烯及丙烯反应，用图1所示装置，采用SAPO-34分子筛为催化剂，乙醇为终止剂，在反应温度450～530℃，接触时间3～10秒，催化剂与甲醇重量比为0.5～1.5的条件下，相对于相同条件不加终止剂的流化床反应器而言，乙烯收率可提高大于3％，丙烯收率可提高大于2％，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明组合式流化床反应器示意图。
图1中A是密相区、B是过渡区、C是沉降区、1是原料进口，2是分布器或分布板，3是换热器，4是提升管，5是沉降器，6是快分装置，7是导气管，8是旋风分离器，9是集气室，10产物气体出口，11是汽提器，12是再生斜管，13是待生斜管，14是汽提蒸汽入口，15是终止剂注入口。
图1中原料由原料进口1引入，经气体分布器或分布板2分布后进入流化床的密相区A与催化剂接触反应，催化剂与反应混合物经过渡区B进入提升管4；经提升管4上端(末端)的旋流快分装置6快速分离后，大部分催化剂进入沉降器C的下部区域，反应混合物夹带的部分催化剂进入沉降器5上部稀相空间经旋风分离器8进行二次分离，分离后的产品气经旋风分离器8的出口进入集气室9，由产物气体出口10引出。来自旋风分离器8分离后的催化剂经旋风分离器8的料腿返回沉降器5的下部区域。沉降器5内的沉降区C下部的待生催化剂进入汽提器11，经来自汽提蒸汽入口14的汽提蒸汽汽提后，经待生斜管12进入再生器(图中再生器省略)，再生剂经再生斜管12进入组合式流化床反应器密相区A。另外，沉降器5内的部分催化剂经换热器3换热后进入组合式流化床反应器密相区A底部与催化剂混合继续反应，整个过程循环进行。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
用图1的组合式流化床反应器，以SAPO-34分子筛为催化剂，甲醇为原料，乙醇为终止剂，原料与终止剂的重量比为10∶1，终止剂进料温度为40℃，在反应温度480℃，接触时间7秒，催化剂与甲醇重量比为0.4的条件下，甲醇转化率100％，乙烯收率为49.5％，丙烯收率为32.3％。
【实施例2】
用图1的组合式流化床反应器，以SAPO-34分子筛为催化剂，二甲醚为原料，乙醇为终止剂，原料与终止剂的重量比为10∶1，终止剂进料温度为40℃，在反应温度510℃，接触时间8秒，催化剂与二甲醚重量比为0.6的条件下，乙烯收率为50.1％，丙烯收率为32.6％。
【比较例1】
参照实施例1的各个步骤及反应条件，只是组合式流化床反应器中不加入终止剂，反应结果为：甲醇转化率100％，乙烯收率为45.1％，丙烯收率29.5％。
【比较例2】
参照实施例2的各个步骤及反应条件，只是组合式流化床反应器中不加入终止剂，反应结果为：二甲醚转化率100％，乙烯收率为46.7％，丙烯收率28.4％。

Claims (7)

1.一种组合式流化床反应器，基本由流化床反应器、沉降器(5)、汽提器(11)和换热器(3)组成，包括密相区(A)、过渡区(B)、沉降区(C)、原料进口(1)、分布器或分布板(2)、换热器(3)、提升管(4)、快分装置(6)、导气管(7)、旋风分离器(8)、集气室(9)、产物气体出口(10)、汽提器(11)、再生斜管(12)和待生斜管(13)，其中密相区(A)经过缩径结构的过渡区(B)后与提升管(4)相连通；提升管(4)上端或末端设有快分装置(6)；快分装置(6)的旋臂位于提升管(4)外，与提升管(4)同轴相通的导气管(7)内；导气管(7)位于沉降器(5)内，其上端伸入沉降区(C)上部的稀相区，其下端位于提升管(4)外过渡区(B)外部上端；旋风分离器(8)位于沉降器(5)，导气管(7)外，其上部出口与集气室(9)相通；集气室(9)位于沉降器(5)顶部与产物气体出口(10)相连通；汽提器(11)一端与沉降器(5)的底部相连通，汽提器(11)的另一端与待生斜管(13)相连；在沉降器(5)的底部与密相区(A)下段之间设置换热器(3)，换热器(3)的一端与沉降器(5)的底部相连通，换热器(3)的另一端与密相区(A)相连通；分布器或分布板(2)位于密相区(A)底部，分布器或分布板(2)的下部设置有原料进口(1)，其特征在于在提升管(4)下部区域附近设置终止剂注入口(15)。
2.根据权利要求1所述组合式流化床反应器，其特征在于终止剂注入口(15)距离提升管(4)底部的垂直距离为提升管(4)长度的0～4/5。
3.根据权利要求2所述组合式流化床反应器，其特征在于终止剂注入口(15)沿提升管(4)下部区域呈环形分布。
4.根据权利要求1所述组合式流化床反应器，其特征在于提升管(4)的内径是密相区(A)外径的1/15～1/2，提升管(4)的高度是密相区(A)高度的1/5～5/1。
5.根据权利要求1所述组合式流化床反应器，其特征在于再生斜管(12)与密相区(A)连接口距离密相区(A)底部垂直距离是密相区(A)垂直高度的1/10～1/2。
6.根据权利要求1所述组合式流化床反应器，其特征在于过渡区(B)的垂直高度是密相区(A)垂直高度的1/20～1/2。
7.根据权利要求1所述组合式流化床反应器，其特征在于旋风分离器(8)的气体入口距离集气室(9)顶部垂直距离为沉降器直径的1/10～1/1。
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