CN101164687B - 多反应区组合式反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多反应区组合式反应器，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。本发明通过采用多段式或动态分区式反应器和接力式地使用催化剂，并且在再生催化剂有效反应前先在流化床反应器中进行催化剂活性调变的技术方案，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

多反应区组合式反应器
技术领域
本发明涉及一种多反应区组合式反应器，特别是关于采用流化床反应器串接双提升管反应器，实现含氧化合物如甲醇或二甲醚高效催化转化生成乙烯、丙烯的多反应区组合式反应器。
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快速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反应活性不均匀，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，提供一种新的多反应区组合式反应器。该多反应区组合式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：一种多反应区组合式反应器，包括第一提升管反应器4、中间分离器5、汽提段6、第二提升管反应器7、产品气出口8、沉降器9、烟气出口10、再生器11、催化剂提升介质入口12、待生斜管13、换热器14、原料进口B15和再生斜管16。其中第一提升管反应器4与第二提升管反应器7之间设置有中间分离器5，中间分离器5的中部与第一提升管反应器4的顶部相连接，中间分离器5的顶部与第二提升管反应器7的下部侧壁相连接；中间分离器5的底部设置汽提段6，并通过待生斜管13与再生器11下部相连接，再生器11的上部区域设置有烟气出口10；第二提升管反应器7的上部与沉降器9的上部相连，沉降器9的顶部开有产品气出口8，再生器11位于沉降器9的下部，并通过管线相连；再生器11底部设置换热器14，换热器14一端与再生器11底部相连，另一端通过催化剂提升介质入口12和催化剂输送管与第二提升管7底部连接；其中第一提升管反应器4的底部设置流化床反应器3，且流化床反应器3的顶部通过缩径结构与第一提升管反应器4的底部同轴相连。再生器11的底部通过再生斜管16与流化床反应器3相连。流化床反应器3的底部设置有气体分布器2和原料进料口A1；在流化床反应器3的顶部与第一提升管反应器4的底部附近区域设置有原料进料口B15。
上述技术方案中原料进口B15距离第一提升管反应器4底部的垂直距离为第一提升管反应器4高度的0～2/5.第一提升管反应器4的内径是流化床反应器3内径的1/15～1/2，第一提升管反应器4的高度是流化床反应器3高度的1～20倍.第一提升管反应器4的高度是第二提升管反应器高度的1/2～3倍.再生斜管16与流化床反应器3连接口，距离流化床反应器3底部垂直高度是流化床反应器3垂直高度的1/20～2/3.待生斜管13与再生器11连接口，距离再生器11底部垂直距离是再生器11垂直高度的1/20～1/2.
研究表明，在采用流化床或提升管反应器进行含氧化合物如甲醇或二甲醚催化反应生成乙烯及丙烯的反应过程中，反应器出口处的催化剂活性只及初始活性的三分之一甚至更少，反应进行1.5秒左右之后，催化剂的活性下降30％左右，因此，在反应器的后半段，催化剂活性及选择性已急剧下降，催化作用变差，反应过程中催化反应所占比例减小，热裂化反应及不利二次反应增加。这一方面限制了单程转化率的提高，另一方面使得目的产物的选择性及收率偏低。本发明中，采用多段式或动态分区式反应器和接力式地使用催化剂达到油气串联，催化剂接力，分段反应，缩短反应时间和提高催化剂平均性能的目的。另外，考虑到来自再生器的催化剂用于甲醇或二甲醚催化反应生成的乙烯及丙烯的活性偏高，本发明在再生催化剂有效反应前，先在流化床反应器中进行催化剂活性的调变，使得到达后续反应区的催化剂活性保存最佳，对提高乙烯丙烯收率有利。
本发明的多反应区组合式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，碳四烯烃为原料A1，甲醇为原料B15，在流化床反应器3的反应温度400～530℃，接触时间0.1～5秒，第一提升管反应器反应温度为400～550℃，反应压力为0.02～1.0MPa，接触时间为0.3～20秒。第二提升管反应器的反应温度为400～580℃，反应压力为0.02～1.0MPa，接触时间为0.3～20秒条件下，相对于单段提升管反应器而言，乙烯收率可提高大于5％，丙烯收率可提高大于4％，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明多反应区组合式反应器示意图。
图1中1是原料进口A，2是气体分布器，3是流化床反应器，4是第一提升管反应器，5是中间分离器，6是汽提段，7是第二提升管反应器，8是产品气出口，9是沉降器，10是烟气出口，11是再生器，12是催化剂提升介质入口，13是待生斜管，14是换热器，15是原料进口B，16是再生斜管。
图1中来自再生器的高温催化剂首先进入流化床反应器3，与来自流化床反应器3底部的原料A反应，反应混合物连同催化剂上行进入第一段提升管反应器4下部与原料B接触、汽化并进行反应，经历大约1秒钟左右的时间后，进入中间分离器5，将半待生催化剂与油气分离，半待生催化剂经汽提段6汽提分出携带的油气后返回再生器11进行再生，完成催化剂的第一个循环；从中间分离器5出来的油气进入第二段提升管反应器7，与来自换热器14的热催化剂接触，油气携带催化剂向上流动并继续进行反应，之后进入沉降器9将催化剂与油气分离，油气从沉降器9经产品气出口8流出去分馏系统，催化剂经汽提后也返回再生器11，完成催化剂的第二个循环。
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的多反应区组合式反应器，其中原料进口B15距离第一提升管反应器4底部的垂直距离为第一提升管反应器4高度的1/20.第一提升管反应器4的内径是流化床反应器3内径的1/4，第一提升管反应器4的高度是流化床反应器3高度的5倍.第一提升管反应器4的高度是第二提升管反应器高度的0.8倍.再生斜管16与流化床反应器3连接口，距离流化床反应器3底部垂直高度是流化床反应器3垂直高度的1/10.待生斜管13与再生器11连接口，距离再生器11底部垂直距离是再生器11垂直高度的1/20.以SAPO-34分子筛为催化剂，以甲醇为原料B，碳四烯烃为原料A，以SAPO-34分子筛为催化剂，在流化床反应器温度480℃，接触时间1秒，反应压力为0.06MPa.第一提升管反应器反应温度490℃，接触时间为2秒，反应压力为0.05MPa；第二提升管反应器反应温度480℃，接触时间为3秒，反应压力为0.02MPa.实验中，反应结果为：甲醇转化率100％，乙烯收率46.7％，丙烯收率35.9％.
【实施例2】
用图1的多反应区组合式反应器，其中原料进口B15距离第一提升管反应器4底部的垂直距离为第一提升管反应器4高度的1/25。第一提升管反应器4的内径是流化床反应器3内径的1/4，第一提升管反应器4的高度是流化床反应器3高度的5倍。第一提升管反应器4的高度是第二提升管反应器高度的0.8倍。再生斜管16与流化床反应器3连接口，距离流化床反应器3底部垂直高度是流化床反应器3垂直高度的1/12。待生斜管13与再生器11连接口，距离再生器11底部垂直距离是再生器11垂直高度的1/20。以SAPO-34分子筛为催化剂，以二甲醚为原料B，二甲醚为原料A，以SAPO-34分子筛为催化剂，在流化床反应器温度500℃，接触时间1秒，反应压力为0.06MPa。第一提升管反应器反应温度500℃，接触时间为2秒，反应压力为0.06MPa；第二提升管反应器反应温度500℃，接触时间为3秒，反应压力为0.06MPa。实验中，反应结果为：二甲醚转化率100％，乙烯收率47.5％，丙烯收率34.1％。
【比较例1】
参照实施例2的各个步骤，总停留时间及反应条件，只是多反应区组合式反应器采用单一提升管反应器，反应结果为：甲醇转化率100％，乙烯收率为44.1％，丙烯收率30.5％。
【比较例2】
参照实施例2的各个步骤，总停留时间及反应条件，只是多反应区组合式反应器采用流化床反应器及单一提升管反应器，反应结果为：二甲醚转化率100％，乙烯收率为45.9％，丙烯收率31.1％。

Claims (7)

1.一种多反应区组合式反应器，包括第一提升管反应器(4)、中间分离器(5)、汽提段(6)、第二提升管反应器(7)、产品气出口(8)、沉降器(9)、烟气出口(10)、再生器(11)、催化剂提升介质入口(12)、待生斜管(13)、换热器(14)、原料进口B(15)和再生斜管(16)；其中第一提升管反应器(4)与第二提升管反应器(7)之间设置有中间分离器(5)，中间分离器(5)的中部与第一提升管反应器(4)的顶部相连接，中间分离器(5)的顶部与第二提升管反应器(7)的下部侧壁相连接；中间分离器(5)的底部设置汽提段(6)，并通过待生斜管(13)与再生器(11)下部相连接，再生器(11)的上部区域设置有烟气出口(10)；第二提升管反应器(7)的上部与沉降器(9)的上部相连，沉降器(9)的顶部开有产品气出口(8)，再生器(11)位于沉降器(9)的下部，并通过管线相连；再生器(11)底部设置换热器(14)，换热器(14)一端与再生器(11)底部相连，另一端通过催化剂提升介质入口(12)和催化剂输送管与第二提升管(7)底部连接；其特征在于：第一提升管反应器(4)的底部设置流化床反应器(3)，且流化床反应器(3)的顶部通过缩径结构与第一提升管反应器(4)的底部同轴相连；再生器(11)的底部通过再生斜管(16)与流化床反应器(3)相连；流化床反应器(3)的底部设置有气体分布器(2)和原料进料口A(1)；在流化床反应器(3)的顶部与第一提升管反应器(4)的底部附近区域设置有原料进料口B(15)。
2.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于原料进口B(15)距离第一提升管反应器(4)底部的垂直距离为第一提升管反应器(4)高度的0～2/5。
3.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于第一提升管反应器(4)的内径是流化床反应器(3)内径的1/15～1/2，第一提升管反应器(4)的高度是流化床反应器(3)高度的1～20倍。
4.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于第一提升管反应器(4)的高度是第二提升管反应器高度的1/2～3倍。
5.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于再生斜管(16)与流化床反应器(3)连接口，距离流化床反应器(3)底部垂直高度是流化床反应器(3)垂直高度的1/20～2/3。
6.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于待生斜管(13)与再生器(11)连接口，距离再生器(11)底部垂直距离是再生器(11)垂直高度的1/20～1/2。
7.根据权利要求1所述多反应区组合式反应器，其特征在于流化床反应器(3)为快速流化床反应器。
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