CN102372585A

CN102372585A - 芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法

Info

Publication number: CN102372585A
Application number: CN2010102615356A
Authority: CN
Inventors: 孔德金; 夏建超; 邹薇; 李辉
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: CN102372585B

Abstract

本发明涉及一种芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，主要解决现有技术中原料单一、反应床层温升大、催化剂稳定性较差、烷基化试剂副反应多和利用率低的问题。本发明通过采用将苯及甲苯进料混合汽化得到芳烃混合物I；将甲醇或甲醇和二甲醚的混合物汽化得到烷基化试剂进料II；将烷基化试剂进料II的10～90％、芳烃混合物I及氢气载气合并，得到反应混合物III；烷基化试剂混合物II的剩余部分以单股或分为多股，从流化床反应器入口下游的一个或多个位置引入反应器的技术方案较好地解决了该问题，可应用于芳烃烷基化反应制备对二甲苯的工业生产中。

Description

芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法

技术领域

本发明涉及一种甲苯烷基化制对二甲苯的流化床方法。

背景技术

对二甲苯是一种重要的有机化工原料，主要用途为经氧化合成对苯二甲酸，再与乙二醇进行缩聚反应生产高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(即涤纶)，涤纶则是性能优良、需求量极大的聚酯材料，广泛应用于纺织和包装材料领域。

目前，工业上最常用的对二甲苯生产方法为甲苯歧化与碳九芳烃烷基转移，由于受热力学平衡限制，该方法得到的碳八芳烃产物中通常仅含有约24％的对二甲苯，而二甲苯需求市场上对二甲苯需求量要占到60％以上，因此该浓度组成不能满足工业聚酯材料生产的需求。为得到高浓度对二甲苯并提高对二甲苯收率，混合碳八芳烃需经过异构化与吸附分离或结晶分离组合技术进一步处理，后续的处理带来了原料的损耗与成本的提升。

有鉴于此，众多研究者致力于开发新的对二甲苯合成技术，期望在生产环节就能过获得高对二甲苯含量的产品，甲苯择形歧化、甲苯与甲醇择形烷基化即为该类技术，其中甲苯择形歧化技术也已开发成功并已步入工业化，其特点在于富产对二甲苯与苯，而甲苯与甲醇择形烷基化工艺则低产苯甚至不产苯，并因此提高了甲苯原料的利用率，特别适应当前国内苯市场过剩的现状。

近年来，苯市场过剩的趋势逐渐显现，现有的芳烃烷基化技术所用芳烃原料为单一的甲苯，虽然能通过减少苯的产出来缓解苯的过剩，然而直接消耗苯以生产其他芳烃产品的技术报道较少，开发这类技术可使未来的芳烃生产与消耗更为灵活，适应性更强。

由于在烷基化反应体系引入了甲醇，甲醇在烷基化反应条件下极易发生结焦反应而导致催化剂失活，这一问题一直是制约甲苯甲醇烷基化技术发展的难题。而流化床反应工艺可实时再生失活催化剂，能非常有效地解决固定床催化剂失活快的难题。目前已有关于采用流化催化的方法进行甲苯甲醇甲基化反应的报道，如专利CN1326430A提供的流化床芳烃烷基化方法，其技术特点在于将烷基化试剂从多个位置引入流化床反应区，从而使烷基化反应比较均匀地发生在反应器的各个部位，而不是集中于反应器入口的较小区域。通过采用这一方法，可高转化、且高选择性地进行芳烃烷基化反应，并且特别适用于甲苯甲醇烷基化生产二甲苯的反应。然而，这一方法反应原料较为单一，无法有效改善反应的强放热和催化剂床层的较高温升，因而只能在一定程度上控制副反应和提高烷基化试剂的甲基利用率，催化剂需要的再生周期也比较短。

本发明所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其分离部分采用现有的成熟技术，其中初产物的分离系统包括脱轻塔、苯/甲苯回收塔以及二甲苯塔，经该系统分离后获得碳六以下轻组分、苯/甲苯、碳八芳烃以及碳九及以上重芳烃产品。将碳八芳烃进一步分离转化才能获得高纯度的对二甲苯产品，其操作过程与操作条件按照中国专利(申请号：200480035152.X)，该过程中的吸附分离步骤可由结晶分离步骤代替，结晶分离步骤可参照中国专利(申请号：95197157.3)进行；也可由吸附-结晶组合工艺代替，具体方案可参照中国专利(申请号：92111073.1)。

本发明所述的流化床方法中使用的催化剂为固体酸催化剂，具有酸性的固体材料均可在该方法中获得应用，如氧化铝、杂多酸、固体超强酸、分子筛等，其中最常用的是含硅铝的分子筛材料，适用的分子筛材料包括ZSM-5、ZSM-11、ZSM-12、ZSM-23、EU-1、MCM-22、USY、Mordenite、Beta、SAPO-5、SAPO-11、SAPO-31、SAPO-34等，可以在分子筛材料的基础上进行适当的修饰，以改善催化剂的性能，常见的修饰方法包括(水)热处理、氧化物负载等。

本发明所用的性能指标定义如下：

催化剂床层温升＝流化床反应器入口温度-流化床反应器出口温度

发明内容

本发明所要解决的是现有技术中原料单一、反应床层温升大、催化剂稳定性差、烷基化试剂副反应多和利用率低的问题，提供一种新的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法。该方法具有原料多样、反应放热少、催化剂失活较慢、床层温升小、副反应控制有效及甲基利用率高的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，包括以下步骤：

a)将苯及甲苯进料混合汽化，得到芳烃混合物I；

b)将甲醇或甲醇和二甲醚的混合物汽化，得到烷基化试剂进料II；

c)将烷基化试剂进料II的10～90％、芳烃混合物I及氢气载气合并，得到反应混合物III；

d)烷基化试剂进料II的剩余部分以单股或分为多股，从流化床反应器入口下游的一个或多个位置引入反应器；

e)反应混合物III先与产物换热，再预热至反应温度，然后通入流化床反应器与烷基化催化剂进行接触，反应得到富含二甲苯的油相反应流出物IV、气相反应流出物V及水相流出物VI，其中70～99％的气相反应流出物V回流与载气合并，剩余部分及水相流出物VI经处理后排放；

f)油相反应流出物IV经分离得到含有苯和甲苯的未转化芳烃馏分、混合碳八馏分以及碳九以上重质芳烃馏分；

g)混合碳八馏分进入吸附、结晶或吸附/结晶组合分离与异构化系统，得到对二甲苯产品；

h)将未转化的芳烃馏分回流，与反应混合物III合并进入流化床反应器进行转化。

上述技术方案中，甲醇和二甲醚混合物中二甲醚所含甲基摩尔数占烷基化试剂所含甲基总摩尔数的百分比为0.1～99.9％；芳烃进料中苯的摩尔比百分比为0.1～99.9％；烷基化试剂所含甲基总摩尔数与流化床反应器的芳烃进料摩尔比范围为0.1～10∶1，优选为0.2～1∶1；烷基化试剂进料点的数目为2～20；甲苯甲基化反应条件如下：反应温度300～500℃，反应压力0.1～5.0MPa，氢气/芳烃摩尔比0～8，芳烃重量空速0.5～10.0h^-1。

在上述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法中，选用了二甲醚部分替代甲醇用作烷基化试剂，可使反应放热大为降低，流化床反应器温升也因此下降；烷基化试剂多点进料，控制烷基化试剂的进料温度，也可以撤出部分反应热。而温度是控制反应和副反应进行的关键因素，维持适宜和平稳的反应温度条件既可保证烷基化主反应的正常运行，又能有效控制了烷基化试剂的副反应，使得甲基利用率、二甲苯选择性和二甲苯中对二甲苯选择性均显著提高。在原料中加入了苯，使得芳烃产物中重质芳烃含量减少，因而降低了催化剂孔道堵塞的速度，延长了催化剂使用寿命。因此，采用以上方法，可较好地解决现有技术中原料单一、反应床层温升大、催化剂稳定性差、烷基化试剂副反应多和利用率低的问题。

附图说明

图1为本发明所述芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法的流程示意图，图中1～5分别是甲苯、苯、甲醇、二甲醚及氢气载气的进料管线；6为载气回流管线；7为流化床反应器；8为换热器；9为气、油、水三相分离器；10为气体放空管线；11为油相产物出口管线；12为轻烃排放管线；13为脱轻分离塔；14为苯、甲苯回流管线；15为甲苯回收塔；16为二甲苯产品管线；17为二甲苯分离塔；18为重芳烃产物出口管线；19为废水排出管线。

图1中甲苯与苯进料合并汽化，烷基化试剂甲醇与二甲醚进料合并汽化；烷基化试剂分为4股，其中一股与芳烃及载气合并经换热、预热后，进入反应器7与催化剂接触反应，烷基化试剂剩余3股从反应器入口下游进入反应器反应；从反应器7出来的产物与原料换热后进入分离罐9进行气、油、水三相分离，其中气相一部分从管路10排出，其余部分经管路6与载气进气5合并，水相产物从管路19排出反应体系，油相产物经管路11流入脱轻塔13；低碳烃从脱轻塔顶部经管路12收集，其余组分从塔底管路流入原料回收塔15；未转化的苯和甲苯原料经回收塔15顶部管路14回流，与芳烃进料合并，碳八以上产物从回收塔15的塔底管路流入二甲苯分离塔17；从二甲苯分离塔17的塔顶收集的混合二甲苯产品再经过吸附、结晶或其组合工艺的处理即可得到二甲苯产品，碳九以上重质芳烃则从塔底管路18收集。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

【比较例1】

使用纯甲苯为芳烃原料，纯甲醇为烷基化试剂进料I；将烷基化试剂进料II的25％与芳烃原料合并，得到反应混合物III；烷基化试剂进料II的剩余75％均匀分为三股，从流化床反应器入口下游的三个位置引入反应器；反应混合物III先与产物换热，再预热至反应温度，然后通入流化床反应器与烷基化催化剂进行接触，反应条件为：催化剂装载量2000克，反应温度400℃，甲苯重量空速为4.0h^-1，烷基化试剂所含甲基与芳烃摩尔比为0.5，不临氢，反应压力为0.5MPa，所用烷基化催化剂含有重量百分比20％的Al₂O₃改性剂和15％的SiO₂改性剂，余重为氢型ZSM-5分子筛(硅铝摩尔比SiO₂/Al₂O₃＝50)，反应得到富含二甲苯的油相反应流出物IV、气相反应流出物V及水相流出物VI，其中气相反应流出物V及水相流出物VI经处理后排放；油相反应流出物IV经分离得到含有苯和甲苯的未转化芳烃馏分、混合碳八馏分以及碳九以上重质芳烃馏分；混合碳八馏分进入吸附、结晶或吸附/结晶组合分离与异构化系统，得到对二甲苯产品；将未转化的芳烃馏分回流，与反应混合物III合并进入流化床反应器进行转化。反应评价结果列于表1进行对比。

【实施例1～3】

按照比较例1所述步骤与条件进行烷基化反应，其中芳烃原料为不同比例的苯和甲苯混合物，具体配比和反应评价结果列于表1进行对比。

表1

表1数据表明，采用苯和甲苯作混合芳烃进料，虽然在催化剂床层温升的控制方面没有效果，但是甲醇自身的副反应和深度烷基化反应仍是明显得到抑制，甲基利用率和二甲苯选择性显著提高，对二甲苯选择性略有改善，而芳烃的转化率有一定程度的下降。

【实施例4～7】

按照实施例2所述步骤与条件进行烷基化反应，其中烷基化试剂进料选择甲醇和二甲醚的混合物，改变烷基化试剂中二甲醚所含甲基的摩尔数百分比，具体配比和反应评价结果列于表2进行对比。

表2

表2数据表明随着烷基化试剂中二甲醚含量增加，反应放热和催化剂床层温升呈下降趋势，并由此抑制了烷基化试剂自身副反应、深度烷基化反应和异构化反应。

【实施例8～11】

按照实施例7所述步骤与条件进行烷基化反应，改变进料中烷基化试剂所含甲基与芳烃的摩尔比，具体比例和反应评价结果列于表3进行对比。

表3

表3数据表明烷基化试剂用量对各性能指标影响较大，其用量越大，芳烃转化率越高，但产品选择性和甲基利用率越差。

【实施例12～17】

按照实施例7所述步骤与条件进行烷基化反应，但对其中的反应温度、芳烃空速、氢气/芳烃比例及反应压力进行调变，具体反应条件和评价结果列于表4进行对比。

表4

表4数据表明烷基化反应条件对产物分布影响较大，对催化剂床层温升亦有影响。通过上述工艺优化可使二甲苯选择性最高提到92.43％，对二甲苯选择性最高为9025％，甲醇利用率最高为8215％，温升最低为12.6℃。

【实施例18】

按照实施例16所述步骤与条件进行较长时间的烷基化反应评价，评价结果列于表5进行对比。

【比较例2】

按照实施例16所述步骤与条件进行较长时间的烷基化反应评价，但控制二甲醚和苯的进料速度为零，直接将甲醇与甲苯进行反应。反应评价结果列于表5进行对比。

表5

表5数据表明，采用本发明所提供的苯与甲苯混合芳烃原料及二甲醚部分代替甲醇作烷基化的方法，可以有效地改善催化剂性能，并延长催化剂使用寿命。

对比上述实施例的数据我们发现，采用本发明所述芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其原料种类更为丰富，可以含有一定量的苯和二甲醚，并可使流化床反应器温升从76.6℃最低降至12.1℃，对二甲苯选择性最高为93.28％，烷基化试剂的甲基利用率最高达84.04％，另外，经过50小时的评价，催化剂性能基本不变。该方法在反应放热、副反应的控制、催化剂稳定性以及甲基利用率改善方面均取得较好的应用效果。

Claims

1.一种芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，包括以下步骤：

a)将苯及甲苯进料混合汽化，得到芳烃混合物I；

2.根据权利要求1所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于甲醇和二甲醚混合物中二甲醚所含甲基摩尔数占烷基化试剂所含甲基总摩尔数的百分比为0.1～99.9％。

3.根据权利要求1所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于芳烃进料中苯的摩尔比百分比为0.1～99.9％。

4.根据权利要求1所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于烷基化试剂所含甲基总摩尔数与流化床反应器的芳烃进料摩尔比范围为0.1～10∶1。

5.根据权利要求4所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于甲醇和二甲醚中所含甲基总摩尔数与流化床反应器的芳烃进料摩尔比范围为0.2～1∶1。

6.根据权利要求1所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于烷基化试剂进料点的数目为2～20。

7.根据权利要求1所述的芳烃烷基化制对二甲苯的流化床方法，其特征在于甲苯甲基化反应条件如下：反应温度300～500℃，反应压力0.1～5.0MPa，氢气/芳烃摩尔比0～8，芳烃重量空速0.5～10.0h^-1。