CN103120918B - 含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，主要解决现有技术中存在的低碳烯烃收率不高的问题。本发明通过采用一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，主要包括第一反应区10、第二反应区4、催化剂循环区、反应器分离区1；第一反应区10开有径向和轴向进料口，设有气固快速分离设备11；反应器分离区1下部开有至少三个催化剂出口，分别连接催化剂循环斜管9、待生催化剂斜管2、反应器外取热器3；催化剂经再生催化剂斜管5到第二反应区4；第二反应区4为倒“U”型复合反应区，包括提升管14、弧形连接管15、下行床16，下行床16出口位于第一反应区10内的技术方案较好地解决了该问题，可用于低碳烯烃的工业生产中。

Description

含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置
技术领域
本发明涉及一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置。
技术背景
低碳烯烃，即乙烯和丙烯，是两种重要的基础化工原料，其需求量在不断增加。一般地，乙烯、丙烯是通过石油路线来生产，但由于石油资源有限的供应量及较高的价格，由石油资源生产乙烯、丙烯的成本不断增加。近年来，人们开始大力发展替代原料转化制乙烯、丙烯的技术。其中，一类重要的用于低碳烯烃生产的替代原料是含氧化合物，例如醇类(甲醇、乙醇)、醚类(二甲醚、甲乙醚)、酯类(碳酸二甲酯、甲酸甲酯)等，这些含氧化合物可以通过煤、天然气、生物质等能源转化而来。某些含氧化合物已经可以达到较大规模的生产，如甲醇，可以由煤或天然气制得，工艺十分成熟，可以实现上百万吨级的生产规模。由于含氧化合物来源的广泛性，再加上转化生成低碳烯烃工艺的经济性，所以由含氧化合物转化制烯烃(OTO)的工艺，特别是由甲醇转化制烯烃(MTO)的工艺受到越来越多的重视。
另外，本领域所公认的，SAPO-34催化剂上附着一定量的积碳，有利于保持较高的低碳烯烃选择性，而且MTO工艺的剂醇比很小，生焦率较低，要实现较大的、容易控制的催化剂循环量，就需要在再生区中将催化剂上的积碳量控制在一定水平，进而达到控制反应区内催化剂平均积碳量的目的。因此，MTO技术中如何将反应区内的催化剂平均积碳量控制在某一水平是关键。
US 20060025646专利中涉及一种控制MTO反应器反应区中催化剂积炭量的方法，是将失活的催化剂一部分送入再生区烧碳，另一部分失活催化剂返回到反应区继续反应。
在中国发明专利200810043971.9中公布了一种提高低碳烯烃收率的方法，该方法采用在甲醇转化为低碳烯烃的第一反应区上部设置第二反应区，该第二反应区直径大于第一反应区直径，以降低第一反应区出口的产品气在第二反应区内的线速度，使得未反应的甲醇、生成的二甲醚和碳四以上烃继续反应，从而达到提高低碳烯烃收率的目的，该方法还包括第二反应区的进料可以是经过分离的回炼碳四以上烃。该方法虽然可以在一定程度上提高低碳烯烃的收率，但是碳四以上烃裂解需要较高的催化剂活性，从第一反应区出来的催化剂由于积炭量较高其活性有所下降，因此该方法中第二反应区内的碳四以上烃转化效果仍然偏低。
因此，现有含氧化合物转化制低碳烯烃的工业生产上还需要尽量提高低碳烯烃的收率。本发明有针对性的解决了上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的低碳烯烃收率不高的问题，提供一种新的含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置。该装置用于低碳烯烃的生产中，具有低碳烯烃收率较高的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下，一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，主要包括第一反应区10、第二反应区4、催化剂循环区、反应器分离区1；第一反应区10下部开有径向进料口I 8和轴向进料口II 7，上部设有气固快速分离设备11；反应器分离区1内部设有气固旋风分离器12，上部开有产品出口13；反应器分离区1下部开有至少三个催化剂出口，第一个通过催化剂循环斜管9连接第一反应区10，第二个通过待生催化剂斜管2连接再生器，第三个与反应器外取热器3相连；再生后的催化剂通过再生催化剂斜管5到第二反应区4；第二反应区4开有进料口III6。其中，第二反应区4为倒“U”型复合反应区，包括提升管14、弧形连接管15、下行床16，下行床16出口位于第一反应区10内的下部。
上述技术方案中，所述第一反应区10与第二反应区4的直径之比为4.0～9.0∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.1～0.5∶1。所述第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01～0.2。所述第一反应区10内催化剂循环斜管9入口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.05～0.5。所述第一反应区10内径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01～0.5。所述径向进料口I 8的个数为1～4。所述反应器分离区1内的气固旋风分离器12为1～3级。所述催化剂包括SAPO-34分子筛。
在本发明所述装置上，采用以下工艺条件：第二反应区4内的反应温度为510～650℃，反应压力以表压计为0.01～0.3MPa，气体线速为3.0～10.0米/秒；第一反应区10内的反应温度为400～500℃，反应压力以表压计为0.01～0.3MPa，气体线速为0.8～2.5米/秒；从下行床16出口的催化剂积碳量为0.1～1.8％重量；第一反应区10内的催化剂平均积炭量为2.0～5.0％重量；以质量流量比计催化剂循环斜管9积炭催化剂流量∶待生催化剂斜管2积炭催化剂流量＝1～100∶1；以质量流量比计径向进料口I 8原料∶轴向进料口II 7原料＝1～20∶1。
本发明所述装置中设置了两个反应区，第一反应区以积炭催化剂用于甲醇转化制低碳烯烃，第二反应区以高活性的再生催化剂用于转化副产物中碳四烯烃制低碳烯烃，从而达到提高原料转化率和低碳烯烃收率的目的。其中，第二反应区为倒“U”型复合反应区，提升管与下行床的结合使得反应区长度可以达其高度的两倍多，保证足够的反应时间，最大化的转化碳四烯烃为低碳烯烃；而且该反应区内的催化剂直接来自再生器，携带的温度和催化剂自身的活性都较高，有利于碳四烯烃向低碳烯烃的转化。另外，再生催化剂通过第二反应区后，反应后会积累一定量的积炭，其表面附着的积炭可以修饰催化剂的孔道，提高催化剂的择形性。本发明人通过研究发现，碳四烯烃转化为低碳烯烃过程中积累在催化剂上的一定量的积炭有利于提高甲醇转化为低碳烯烃的选择性，所以当这部分带有一定量积炭的催化剂进入第一反应区后，通过与反应器分离区返回的积炭催化剂混合后，达到甲醇制烯烃所需的最佳平均积碳量范围内，可以有效提高第一反应区内的低碳烯烃选择性，从而可以最大化的生产低碳烯烃。同时，由于碳四烯烃裂解为低碳烯烃为强吸热反应，因此在第二反应区反应完成后的催化剂携带的热量下降，进入第一反应区后，减轻了第一反应区的取热负荷，有效节约利用了热量。本发明所述的方法中，原料甲醇分两个进料口进入第一反应区，轴向进料口的甲醇可以有效分散第二反应区来的产物物流I和预积炭催化剂，防止第二反应区底部堆积造成死床，达到混合均匀的目的；径向进料口的甲醇为主原料，径向进入第一反应区可以让循环的积炭催化剂与预积炭催化剂以及原料甲醇快速混合均匀，缩短它们的预混合区高度，提高装置的反应效率；此外，轴向进料甲醇的反应产物还可以对径向进料的甲醇起到稀释降分压的效果。因此，采用本发明的所述方法，有效提高了目的产物低碳烯烃的收率。
采用本发明的技术方案：所述第一反应区10与第二反应区4的直径之比为4.0～9.0∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.1～0.5∶1。所述第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01～0.2。所述第一反应区10内催化剂循环斜管9入口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.05～0.5。所述第一反应区10内径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01～0.5。所述径向进料口I 8的个数为1～4。所述反应器分离区1内的气固旋风分离器12为1～3级。所述催化剂包括SAPO-34分子筛。低碳烯烃选择性最高可达到88.61％重量，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明所述装置的流程示意图。
图1中，1为反应器分离区；2为待生催化剂斜管；3为反应器外取热器；4为第二反应区；5为再生催化剂斜管；6为进料口III；7为进料口II；8为进料口I；9为催化剂循环斜管；10为第一反应区；11为气固快速分离设备；12为气固旋风分离器；13为产品出口；14为提升管；15为弧形连接管；16为下行床。
再生后的分子筛催化剂经再生催化剂斜管5进入第二反应区4中，与进料口III6进入的碳四烯烃接触，反应生成包括低碳烯烃的产物物流和预积炭催化剂，然后进入第一反应区10；包括含氧化合物的原料从径向进料口I 8和轴向进料口II 7进入第一反应区10，与催化剂循环斜管9来的积炭催化剂以及产物物流和预积炭催化剂接触混合，反应生成的包括低碳烯烃的产品物流和形成的积炭催化剂经过气固快速分离设备11后进入反应器分离区1；反应器分离区1内的积炭催化剂至少分为三部分，第一部分经催化剂循环斜管9返回至第一反应区10，第二部分经待生催化剂斜管2进入再生器再生，第三部分去反应器外取热器3换热；生成的低碳烯烃产品物流经气固旋风分离器12分离后，从反应器产品出口13进入分离工段。第二反应区4为倒“U”型复合反应区，包括提升管14、弧形连接管15、下行床16，第一反应区10为快速流化床；下行床16位于第一反应区10内，包括含氧化合物的原料主要从径向进料口I 8进入第一反应区10。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
在如图1所示的反应装置中，第一反应区10的平均温度为470℃，提升管14的平均温度为600℃，反应器分离区1顶部压力以表压计为0.14MPa，第一反应区10纯甲醇进料，1个径向进料口I 8，以质量流量计径向进料口I 8的进料量∶轴向进料口II7的进料量＝8∶1；提升管14底部进料口III6的进料为混合碳四，其中碳四烯烃含量为95％；第一反应区10内气体空塔线速在1.1米/秒，提升管14气体线速为5.0米/秒；反应器外取热器3中与待生催化剂的换热介质为水蒸气。第一反应区10与第二反应区4的直径之比为6.0∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.3∶1；第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.05，催化剂循环斜管9入口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.15；径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.1。反应器分离区1内的气固旋风分离器12为2级。催化剂为改性SAPO-34，将第一反应区10中的平均催化剂积炭量控制在3％重量，保持催化剂流动控制的稳定性，反应器出口产物采用在线气相色谱分析，低碳烯烃碳基收率达到87.44％重量。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件，第一反应区10与第二反应区4的直径之比为4.0∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.1∶1；第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01，催化剂循环斜管9入口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.05；径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.01；反应器分离区1内的气固旋风分离器12为3级。保持催化剂流动控制的稳定性，反应器出口产物采用在线气相色谱分析，低碳烯烃碳基收率达到85.51％重量。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件，第一反应区10与第二反应区4的直径之比为9.0∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.5∶1；第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.2，催化剂循环斜管9入口与第二反应区4出口的水平距离为整个第一反应区10高度的0.5；径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.5；反应器分离区1内的气固旋风分离器12为1级。保持催化剂流动控制的稳定性，反应器出口产物采用在线气相色谱分析，低碳烯烃碳基收率达到84.23％重量。
【实施例4】
按照实施例1所述的条件，第一反应区10与第二反应区4的直径之比为5.5∶1；气固快速分离设备11的直径与第一反应区10的直径之比为0.2∶1；第一反应区10内下行床16出口与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.1，催化剂循环斜管9入口与第二反应区4出口的水平距离为整个第一反应区10高度的0.25；径向进料口I 8与第一反应区10底部的水平距离为整个第一反应区10高度的0.2；保持催化剂流动控制的稳定性，反应器出口产物采用在线气相色谱分析，低碳烯烃碳基收率达到88.44％重量。
【实施例5】
按照实施例4所述的条件，径向进料口I个数增为2个，径向进料总量保持不变，保持催化剂流动控制的稳定性，反应器出口产物采用在线气相色谱分析，低碳烯烃碳基收率达到88.61％重量。
【比较例1】
按照实施例1所述的条件，不设第二反应区4，再生催化剂直接返回到第一反应区10的下部，催化剂无预积碳，低碳烯烃碳基收率为80.50％重量。
【比较例2】
按照实施例1所述的条件，不设第二反应区4，再生催化剂直接返回到第一反应区10的下部，催化剂无预积碳，不设进料口I 8，原料全部从进料口II 7进入第一反应区10，低碳烯烃碳基收率为79.92％重量。
显然，采用本发明的方法，可以达到提高低碳烯烃收率的目的，具有较大的技术优势，可用于低碳烯烃的工业生产中。

Claims (8)

1.一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，主要包括第一反应区(10)、第二反应区(4)、催化剂循环区、反应器分离区(1)；第一反应区(10)下部开有径向进料口Ⅰ(8)和轴向进料口Ⅱ(7)，上部设有气固快速分离设备(11)；反应器分离区(1)内部设有气固旋风分离器(12)，上部开有产品出口(13)；反应器分离区(1)下部开有三个催化剂出口，第一个通过催化剂循环斜管(9)连接第一反应区(10)，第二个通过待生催化剂斜管(2)连接再生器，第三个与反应器外取热器(3)相连；再生后的催化剂通过再生催化剂斜管(5)到第二反应区(4)；第二反应区(4)开有进料口Ⅲ(6)；其中，第二反应区(4)为倒“U”型复合反应区，包括提升管(14)、弧形连接管(15)、下行床(16)，下行床(16)出口位于第一反应区(10)内的下部。
2.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述第一反应区(10)与第二反应区(4)的直径之比为4.0～9.0∶1；气固快速分离设备(11)的直径与第一反应区(10)的直径之比为0.1～0.5∶1。
3.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述第一反应区(10)内下行床(16)出口与第一反应区(10)底部的水平距离为整个第一反应区(10)高度的0.01～0.2。
4.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述第一反应区(10)内催化剂循环斜管(9)入口与第一反应区(10)底部的水平距离为整个第一反应区(10)高度的0.05～0.5。
5.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述第一反应区(10)内径向进料口Ⅰ(8)与第一反应区(10)底部的水平距离为整个第一反应区(10)高度的0.01～0.5。
6.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述径向进料口Ⅰ(8)的个数为1～4。
7.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述反应器分离区(1)内的气固旋风分离器(12)为1～3级。
8.根据权利要求1所述含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置，其特征在于所述催化剂包括SAPO-34分子筛。
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