CN101259397B - 一种模拟移动床反应器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟移动床反应器的反应器壳体(17)侧壁上有1-30个原料进口，在反应器壳体(17)顶部有1个原料进口(2)，反应器壳体(17)底部有1个物料进口(18)，反应器壳体(17)侧壁上有2-31个反应产物出口，反应器壳体(17)总的原料进口与反应器壳体(17)侧壁上的反应产物出口数量相等，反应器壳体(17)侧壁上的第一原料进口(5)的位置高于反应器壳体(17)侧壁上的第一反应物出口(8)的位置，反应器壳体(17)侧壁上的第二原料进口(6)的位置高于反应器壳体(17)侧壁上的第二反应物出口(9)的位置，依次类推。本发明通过进出口阀门的切换，实现了催化剂床层的实质移动，操作稳定可靠；在催化剂本身性能不改变的情况下，有效延长催化剂的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于一种用于化工过程的反应器及其应用方法，具体地说涉及一种模拟移动床反应器及其应用方法。
发明背景
大部分的化工过程涉及到催化反应，根据所使用的催化剂的寿命之不同，反应器的形式可以是固定床、移动床或者流化床。一般来说，催化剂寿命较长的情况下多选用固定床反应器，如合成甲醇过程、合成氨过程，所采用的铜基催化剂和铁基催化剂寿命都在一年以上，采用固定床反应器可以避免复杂的工艺操作，催化剂的更换也不频繁。对于催化剂寿命在数天或者数十天的情况，工业上可以选用移动床反应器，如汽油芳构化改质反应，乙烯和丁烯反歧化制丙烯的过程，所采用的分子筛催化剂的寿命一般为数十天，采用固定床反应器时，催化剂再生频繁，会造成操作过程不连续等问题，采用移动床反应器较为合适。对于催化剂寿命更短的化学反应，工业上一般选用流化床反应器。如FCC过程、MTO过程等，催化剂的寿命很短，只有几秒到几小时，采用移动床和固定床均难以实现过程的工业化，在这种情况下，只能选用流化床反应器。
文献中有很多关于移动床反应器的描述。
中国专利98117972.X和中国专利200410048363.9分别提出了逆流方式和并流方式的多个移动床反应器及工艺。在上述专利提供的移动床反应器中，催化剂分别与反应物逆流或并流，在顺序布置的多台反应器中流动，以解决由于催化剂寿命较短所带来的工艺问题。催化剂无论以逆流还是并流方式，都需要在移动床反应器内以颗粒方式实现物理移动，并在反应器外进行相应的活化和再生。
中国专利98112931.5提供了一种烃转化催化剂移动床连续再生设备。该设备从上至下依次布置了烧焦区，氧氯化区，煅烧区，和隔离区。催化剂在设备内依靠重力作用由上至下移动，从而实现催化剂的连续再生。
中国专利200410068872.8提供了一种在移动床上进行乙烯和丁烯反歧化制丙烯的方法。在乙烯和丁烯反歧化制丙烯的过程中用连续或间断的方式将一部分催化剂移出反应区，进行再生，再生—活化后的催化剂再转移到反应区中，即一边反应一边再生，周而复始，循环进行。
上述专利提供的移动床反应器共同存在的问题是，催化剂颗粒需要在设备中物理实现机械移动，由此造成催化剂颗粒的磨损十分严重，因此对于催化剂的机械强度要求十分苛刻。
中国专利200410096437.6提供了一种模拟移动床反应装置，装置由多台固定床反应器构成，催化剂以固定方式装填在反应器内，进行催化反应时，催化剂实际上处于固定状态，在设备内不需要机械移动。多台固定床反应器中的一部分反应器进行反应，另一部分反应器进行再生—活化，通过不同反应器之间的切换，实现催化反应的连续进行，故称为模拟移动床反应装置。该技术避免了催化剂在设备内的机械移动，解决了对催化剂机械强度要求苛刻的问题。但该专利提供的技术需要布置多台固定床反应器，使得装置庞大，投资增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种投资小，既能避免催化剂在装置内的机械移动，又不需要增加设备数量的模拟移动床反应器及其应用方法。
发明详细描述如下：
本发明提供的模拟移动床反应器是由反应器壳体、反应原料进口、反应物料进口，以及反应产物出口所组成，其特征在于反应器壳体侧壁上有1-30个原料进口，在反应器壳体顶部有1个原料进口，反应器壳体底部有1个物料进口，反应器壳体侧壁上有2-31个反应产物出口，反应器壳体总的原料进口(包括反应器壳体侧壁上的反应原料进口和反应器顶部的原料进口)与反应器壳体侧壁上的反应产物出口数量相等，反应器壳体侧壁上的第一原料进口的位置高于反应器壳体侧壁上的第一反应物出口的位置，反应器壳体侧壁上的第二原料进口的位置高于反应器壳体侧壁上的第二反应物出口的位置，依次类推。
反应器壳体可以是绝热的，也可以是冷壁的或任何其他形式。
各原料进口(包括反应器壳体侧壁上的反应原料进口和反应器顶部的原料进口)、反应器壳体底部物料进口、反应产物出口分别装有阀门。
催化剂在反应器壳体内以固定方式装填。
当本发明所提供的模拟移动床反应器的进出口继续增加时，催化剂的再生周期和更换周期可以按照操作者的需要进一步延长。
本发明的模拟移动床反应器可适用于任何类型热效应的化学反应过程，如放热反应或吸热反应。针对不同热效应类型的化学反应，主体反应器可以实施相应的合理的反应热处理措施。
本发明提供的模拟移动床反应器尤其适用于催化剂寿命较短而催化剂床层又不能无限延长的反应过程。
本发明模拟移动床反应器的应用方法如下：
(1)反应器壳体顶部原料进口与位于反应器壳体侧壁上的第一反应产物出口构成一对进出口，位于反应器壳体侧壁上的第一原料进口与位于反应器壳体侧壁上的第二反应产物出口构成一对进出口，依次类推，将催化剂装入模拟移动床反应器，反应器壳体顶部原料进口与位于反应器壳体侧壁上的第一反应产物出口打开，此时位于反应器壳体底部的物料进口、位于反应器壳体侧壁上的其他原料进口和反应产物出口处于关闭状态，反应原料从反应器壳体顶部原料进口进入反应器，经过催化剂反应后产物从第一反应产物出口流出反应器；
(2)处于工作状态的催化剂失活后，反应物料入口向下移动，开启位于反应器壳体侧壁上的第二反应物出口，关闭位于反应器壳体侧壁上的第一反应物出口，同时开启位于反应器壳体侧壁上的第一原料进口，关闭反应器壳体顶部原料进口。反应原料从位于反应器壳体侧壁上的第一原料进口进入反应器，经过催化剂床层并发生反应后，产物从位于反应器壳体侧壁上的第二反应产物出口流出反应器，以后依次类推；
(3)当全部催化剂都失活后，停止反应物料，对催化剂进行再生；
(4)再生完毕，再按(1)，(2)，(3)的步骤开始新的反应过程。
在上述应用方法中，反应器壳体底部物料进口可以始终处于关闭状态，也可以始终处于开启状态。反应器壳体底部物料进口始终处于开启状态的目的是为了避免尚未参与反应的催化剂因处于不必要的高温状态而导致总体使用寿命缩短。在反应器壳体底部物料进口始终处于开启状态的情况下，一部分处于较低温度的物料从反应器壳体底部物料进口进入反应器，沿着与主要反应物料流动方向相反的方向流动，并与反应产物从相同的反应产物出口离开反应器。
处于较低温度的物料的选择原则是，该物料在通过未参与反应的催化剂床层时，不发生或者只发生热效应较小的化学反应，从而保证未参与反应的催化剂床层的温度不发生显著升高。根据所实施的化学反应的特点以及由此决定的工艺过程特点，可以选择反应原料，反应产物或循环物料作为从反应器底部进口进入反应器的物料。
本发明的优点如下：
1、本发明提供的模拟移动床反应器中，催化剂装填方式与固定床相同，避免了催化剂的机械移动，从而克服了移动床反应器普遍存在的对催化剂机械强度的苛刻要求；
2、本发明提供的模拟移动床通过进出口阀门的切换，实现了催化剂床层的实质移动，操作稳定可靠；
3、本发明提供的模拟移动床反应器可以使催化剂的活性得到充分利用，从而在催化剂本身性能不改变的情况下，有效延长催化剂的使用寿命；
4、本发明的模拟移动床反应器结构简单，加工费用低，应用范围广。
附图说明
图1模拟移动床反应器的结构示意图。
图2模拟移动床反应器的操作方法示意图。
如图所示，1是反应原料，2是模拟移动床反应器壳体17顶部的原料进口，3是低温物料，4是反应产物，5、6、7是位于反应器壳体17侧壁上的原料进口，8、9、10、11是位于反应器壳体17侧壁上的反应产物出口。18是反应器壳体17底部的物料进口，12、13、14、15是物料流动方向曲线。
具体实施方式
本发明提供的模拟移动床反应器并不局限于实施例所提供的范围。
实施例1
反应器壳体17侧壁上有5、6、7原料进口和8、9、10、11反应产物出口，反应器壳体17侧壁上的反应产物出口比位于反应器壳体17侧壁上的原料进口多一个。位于反应器壳体17侧壁上的第一原料进口5的位置高于位于反应器壳体17侧壁上的第一反应产物出口8的位置，位于反应器壳体17侧壁上的第二原料进口6的位置高于位于反应器壳体17侧壁上的第二反应产物出口9的位置，位于反应器壳体17侧壁上的第三原料进口7的位置高于位于反应器壳体17侧壁上的第三反应产物出口10的位置，在反应器壳体17顶部有原料进口2，反应器壳体17底部有物料进口18。反应器壳体17是绝热的，各原料进口5、6、7，反应产物出口8、9、10、11，反应器壳体17顶部原料进口2和反应器壳体17底部物料进口18分别装有阀门。
(1)反应器壳体17顶部原料进口2与位于反应器壳体17侧壁上的第一反应产物出口8构成一对进出口，位于反应器壳体17侧壁上的第一原料进口5与位于反应器壳体17侧壁上的第二反应产物出口9构成一对进出口，位于反应器壳体17侧壁上的第二原料进口6与位于反应器壳体17侧壁上的第三反应产物出口10构成一对进出口，位于反应器壳体17侧壁上的第三原料进口7与位于反应器壳体17侧壁上的第四反应产物出口11构成一对进出口。将ZSM-5分子筛催化剂装入模拟移动床反应器壳体17内，反应器壳体17顶部原料进口2与位于反应器壳体17侧壁上的第一反应产物出口8打开，位于反应器壳体底部的物料进口18、位于反应器壳体17侧壁上的其他原料进口和反应产物出口处于关闭状态，反应原料甲醇1从反应器壳体17顶部原料进口2进入反应器内，经过催化剂反应后，产物从位于反应器壳体17侧壁上的第一反应产物出口8流出反应器，物料沿曲线12的方向流动，装填在原料进口2与产物出口8之间的催化剂处于工作状态，而其他的催化剂处于备用状态。
(2)处于工作状态的催化剂失活后，反应物料入口向下移动，开启位于反应器壳体17侧壁上的第二反应产物出口9，关闭位于反应器壳体17侧壁上的第一反应产物出口8，同时开启位于反应器壳体17侧壁上的第一原料进口5，关闭反应器壳体17顶部原料进口2，反应原料从位于反应器壳体17侧壁上的第一原料进口5进入反应器17内，经过催化剂反应后产物从位于反应器壳体17侧壁上的第二反应产物出口9流出反应器，物料沿曲线13的方向流动。以后依次类推，处于工作状态的催化剂失活后，物料沿曲线14，15的方向流动；(3)当全部催化剂都失活后，停止反应物料，对催化剂进行再生反应。
(4)再生完毕，再按(1)，(2)，(3)的步骤开始新的反应过程。
在本实施例中，反应器壳体17底部物料进口18的阀门始终处于关闭状态。
本实施例的反应条件及反应结果如下：
甲醇重量空速： 1.25h-1
(相对于每一对进出口之间的催化剂而言)
循环比： 6
反应物料入口温度： 320℃
反应物料出口温度： 385℃
反应压力： 1.0MPa
甲醇转化率 100％
汽油选择性 36％
LPG选择性 3％
燃气选择性 1.6％
汽油辛烷值(RON) 94
催化剂再生周期： 80天
实施例2
使反应器壳体17底部物料进口18的阀门始终处于开启状态，其它条件和操作方法与实施例1完全相同。
取部分经过换热降温后处于较低温度的反应产物为低温物料，由使反应器壳体17底部物料进口18进入反应器壳体17内，沿着与主要反应物料流动方向相反的方向流动，并与主要反应产物从相同的出口离开反应器。
本实施例的反应条件及反应结果如下：
甲醇重量空速： 1.0h-1
(相对于每一对进出口之间的催化剂而言)
循环比： 6
反应物料入口温度： 380℃
反应物料出口温度： 440℃
反应压力： 0.5MPa
反应器17底部进口18物料空速： 0.01h-1
(相对于反应器内全部催化剂而言)
甲醇转化率 100％
C5+烃选择性 35％
液相产物中芳烃含量 72％
LPG选择性 6％
燃气选择性 1.6％
催化剂的再生周期： 120天
Claims (6)
1.一种模拟移动床反应器，是由反应器壳体(17)、反应原料进口和反应产物出口组成，其特征在于反应器壳体(17)侧壁上有1-30个原料进口，在反应器壳体(17)顶部有1个原料进口(2)，反应器壳体(17)底部有1个物料进口(18)，反应器壳体(17)侧壁上有2-31个反应产物出口，反应器壳体(17)总的原料进口与反应器壳体(17)侧壁上的反应产物出口数量相等，反应器壳体(17)侧壁上的第一原料进口(5)的位置高于反应器壳体(17)侧壁上的第一反应物出口(8)的位置，反应器壳体(17)侧壁上的第二原料进口(6)的位置高于反应器壳体(17)侧壁上的第二反应物出口(9)的位置，依次类推。
2.如权利要求1所述的一种模拟移动床反应器，其特征在于所述的反应器壳体(17)是绝热的。
3.如权利要求1所述的一种模拟移动床反应器，其特征在于在反应器壳体(17)顶部的原料进口(2)、反应器壳体(17)底部的物料进口(18)、反应器壳体(17)侧壁上的原料进口(5、6、7、8)和反应器壳体(17)侧壁上的反应产物出口(8、9、10、11)分别装有阀门。
4.如权利要求1所述的一种模拟移动床反应器的应用，其特征在于包括如下步骤：
(A)反应器壳体(17)顶部原料进口(2)与位于反应器壳体(17)侧壁上的第一反应产物出口(8)构成一对进出口，位于反应器壳体(17)侧壁上的第一原料进口(5)与位于反应器壳体(17)侧壁上的第二反应产物出口(9)构成一对进出口，依次类推，将催化剂装入模拟移动床反应器，反应器壳体(17)顶部原料进口(2)与位于反应器壳体(17)侧壁上的第一反应产物出口(8)打开，位于反应器壳体(17)底部的物料进口(18)、位于反应器壳体17侧壁上的其他原料进口(5、6、7)和反应产物出口(9、10、11)处于关闭状态，反应原料从反应器壳体(17)顶部原料进口(2)进入反应器，经过催化剂反应后产物从第一反应产物出口(8)流出反应器；
(B)处于工作状态的催化剂失活后，反应物料入口向下移动，开启位于反应器壳体(17)侧壁上的第二反应物出口(9)，关闭位于反应器壳体(17)侧壁上的第一反应物出口(8)，同时开启位于反应器壳体(17)侧壁上的第一原料进口(5)，关闭反应器壳体(17)顶部原料进口(2)，反应原料从位于反应器壳体(17)侧壁上的第一原料进口(5)进入反应器，经过催化剂床层并发生反应后，产物从位于反应器壳体(17)侧壁上的第二反应产物出口(9)流出反应器，以后依次类推；
(C)当全部催化剂都失活后，停止反应物料，对催化剂进行再生；
(D)再生完毕，再按(A)，(B)，(C)的步骤开始新的反应过程。
5.如权利要求1所述的一种模拟移动床反应器的应用，其特征在于所述的反应器壳体(17)底部物料进口(18)始终处于关闭状态或始终处于开启状态。
6.如权利要求1所述的一种模拟移动床反应器的应用，其特征在于所述的反应器壳体(17)底部物料进口(18)处于开启状态的情况下，一部分反应原料、反应产物或循环物料从反应器壳体(17)底部物料进口(18)进入反应器，沿着与反应物料流动方向相反的方向流动，并与反应产物从相同的反应产物出口离开反应器。
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