CN103908929B - 一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备及其生产方法，属于烯烃生产技术领域，解决了现有固定床反应器反应设备复杂，难于控制反应移热的技术问题，本发明首先提出了一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，包括主反应器，主反应器的上管板和下管板之间安装有隔板，将由上管板、下管板和反应器本体围成的腔体分隔成二至十个互不相通的换热壳程，包括第一换热壳程和其余换热壳程，列管贯穿隔板；每个换热壳程的反应器本体上均设置有冷却介质进出口。本发明还提供了采用上述设备来生产烯烃的方法。本发明通过组合式高效换热可以降低原料气中水蒸气配比、原料气加热炉负荷。

Description

一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备及其生 产方法

技术领域

本发明涉及由甲醇或二甲醚生产丙烯、及其C4烯烃和汽油的技术领域，尤其涉及一种非绝热的、可控温度式固定床反应器甲醇制丙烯等烯烃的生产方法和设备。

背景技术

乙烯、丙烯是一种需求量很大的基本有机化工原料，主要来源于石油加工过程。随着石油资源的日益匮乏,发展由煤或天然气等非石油资源生产丙烯的技术越来越引起国内外的重视。煤或天然气制合成气，再由合成气制备甲醇或二甲醚是成熟的工艺技术。因此从甲醇或二甲醚制备乙烯、丙烯是煤制烯烃的关键技术。

从甲醇或二甲醚制丙烯的工艺主要分为2类，即以烯烃（乙烯、丙烯）为主的流化床MTO工艺，和以丙烯为目的产物的固定床MTP工艺。MTP为甲醇制丙烯工艺，主产物为丙烯，副产乙烯、丁烯、及汽油等，MTO为甲醇制烯烃工艺，主产物为乙烯和丙烯，副产丁烯，基本没有汽油。前者以UOP/Hydro、Exxon-Mobil的MTO工艺为代表。MTO工艺以SAPO-34分子筛为催化剂，反应主产物为乙烯、丙烯等低碳烯烃。通过控制操作温度、及催化剂的配方等,总烯烃收率可确保80wt%以上，其中乙烯与丙烯的碳基收率比例为1.4~0.7。

MTP工艺以Lurgi为代表(EP448000,DE1020050159232,WO2006136433/CN101208281A,WO192190)，甲醇预反应器（固定床）与MTP反应器（多级绝热式固定床）串联操作。甲醇在预反应器中在250~320℃操作温度下部分脱水，得到二甲醚、甲醇和水的混合蒸汽，然后再与/或循环烃混合进入MTP主反应器（ZSM-5沸石分子筛催化剂），在450~500℃下反应得到丙烯为主的烯烃、燃料气、及汽油等。Lurgi MTP工艺通过原料急冷或列管融盐来控制反应温度。

甲醇或二甲醚等含氧化合物脱水制丙烯是强放热反应。MTO流化床工艺有很好的传热性能，反应温度易于控制。但MTO工艺以低碳烯烃为目的产物,若主产丙烯，需将一次MTO流化床反应器的C4以上烯烃及C1~C2烯烃循环至MTO下游的裂解反应器（CN1962573A），以提高丙烯收率；或者将C1~C2烯烃大量循环至MTO反应器、以及C4以上烯烃循环至裂解反应器(CN101177374A)，来提高丙烯收率。上述工艺的能耗及催化剂磨损因大量烯烃循环而大大增加。上述系统复杂，设备投资及运行成本也远高于Lurgi固定床反应器。

为提高丙烯收率,Lurgi专利(WO2006136433/CN101208281A)同样将C2及C4以上烯烃循环至多级薄层ZSM-5MTP主反应器,使系统的丙烯/乙烯比提高至10~20,二者总产率达到73.2%（《煤化工》，2005,1172，P6~7）。因其主绝热固定床反应器中ZSM-5沸石催化剂结碳严重，导致连续反应400~700小时后需用空气和氮气的混合气体再生。需要说明的是，对于多级绝热薄层反应器，通过原料急冷来调节进口温度及控制床层绝热温升有一定的局限性,这是因为急冷原料在各级进口的分配存在相当的相互干扰，很难保证稳定操作。

欧洲专利DE19723363公开了一种采用列管式固定床反应器的甲醇制丙烯工艺，反应器内采用融盐间接撤热，对高温下设备的材质要求高，且工艺较复杂，运行成本高。

另外，UOP公开了移动床制丙烯（USP7,663,012，USP7,414,167）技术，该技术仅适用于积碳速度较快但并不迅速的催化剂，移动床反应器对催化剂的要求相对较高，且系统比较复杂。

专利WO0192190A1公开了一种三个反应器串联的甲醇制丙烯工艺，反应器为轴向绝热反应器，每级反应器之间设有换热设备，控制每级反应器的绝热温升在30~100℃之间。由于采用了多段反应器的组合，反应器投资较大，此外，这种反应器组合未集成MTP主反应器进口原料的预热要求。

Lurgi专利DE10233975A1公开了一种立式多级固定床反应器，级间设有换热器移除反应热，同时催化剂床层设有预反应器出口物料急冷，来控制每级反应器的绝热温升。该组合反应器移热效果好，反应器之间设置换热器增加了设备投资，而预反物料作级间急冷也存在调节干扰问题。此外，这一方案也未集成预反出口物料到MTP主反应器进口的预热要求。

中国专利CN101876618A公开了一种以含氧化合物（甲醇/二甲醚）生产丙烯的卧式固定床反应器，反应器由多孔隔板隔成横向排列的相互分割的反应区和冷却区，冷却区设置急冷液喷嘴。该反应器采用急冷液冷却可较好地控制每一反应区的温升，但因为急冷液横向流过冷却区簿层，存在急冷液在其中的均匀分布问题。此外，这种反应器布置方式同样未集成预反出口物料到MTP主反应器的预热要求。

发明内容

为解决现有固定床反应器采用原料急冷或列管融盐来控制反应温度，造成反应设备复杂，难于控制反应移热的技术问题，本发明提供一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，其技术方案如下：

一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，包括一级或一级以上串接连接的主反应器，主反应器包括反应器壳体，反应器壳体由顶部的上封头、底部的下封头和位于上封头与下封头之间的呈圆筒状的反应器本体构成，上封头上设置有反应气体进口，下封头上设置有反应气体出口，上封头下方设置有上管板，下封头上方设置有下管板，上管板和下管板之间安装有沿竖直方向延伸的若干根相互平行的列管，列管中填充有催化剂；

所述上管板和下管板之间安装有一块以上沿水平方向延伸的隔板，将由上管板、下管板和反应器本体围成的腔体沿竖直方向分隔成二至十个互不相通的换热壳程，包括位于顶部的由上管板与相邻的的隔板之间的腔体构成的第一换热壳程，第一换热壳程以下的各个换热壳程为其余换热壳程，其余换热壳程包括由各相邻的隔板之间的腔体构成的换热壳程，以及由下管板与相邻的隔板之间的腔体构成的换热壳程，所述隔板边缘与反应器本体密封连接，所述列管贯穿隔板；

每个换热壳程的反应器本体上均设置有冷却介质进口和冷却介质出口；

所述一级以上串接连接的主反应器是指将上一级的主反应器的反应气体出口通过管线与下一级的主反应器的反应气体进口连接。

作为本发明的优选方案：

所述其余换热壳程上的冷却介质出口通过管线依次与加热炉和反应气体进口连接；

所述其余换热壳程上的冷却介质进口通过管线与预反应器的出口连接，预反应器为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程上的冷却介质进口通过管线与汽包及热水循环泵系统的出口连接；

所述预反应器的出口还与水蒸气进料管线连接；

所述预反应器的进口与原料进料管线连接，原料进料管线上设置有加热器。

作为本发明的优选方案：

所述主反应器的反应气体出口通过管线与第一换热器上的壳程介质进口连接；

所述预反应器的出口与第一换热器上的管程介质进口连接，第一换热器的管程介质出口经管线与其余换热壳程上的冷却介质进口连接。

作为本发明的优选方案：

所述水蒸气进料管线安装在第二换热器的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器上的壳程介质出口与第二换热器上的壳程介质进口连接。

作为本发明的优选方案：

所述原料进料管线安装在第三换热器上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器的壳程介质出口与第三换热器的壳程介质进口连接。

作为本发明的优选方案：

所述列管中填充的催化剂为ZSM-分子筛；

所述冷却介质进口和冷却介质出口均为管箱接口或管嘴，每个换热壳程内的管嘴之间连接有导流筒。

本发明还提供了采用上述组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备来生产烯烃的方法，包括以下步骤：

将甲醇在200~400℃的温度下部分脱水反应，得到甲醇、二甲醚和水蒸气的混合体系；

然后在混合体系中通入水蒸气，使甲醇、二甲醚和水蒸气的重量配比为1：0.5~1:2，配制得到原料气体，将原料气体以5~20m/s的壳程主轴纵向截面表观速度通入主反应器的其余换热壳程，使其升温至410~430℃，再通过加热炉，升温至所需反应温度420~480℃后，再经反应气体进口通入主反应器中；在第一换热壳程中通入220~280℃的高温饱和锅炉水进行撤热，将撤热后形成的高温高压水蒸气用于配制下一个工作循环的原料气体；所述主反应器的列管中填充的催化剂为ZSM-5分子筛；

经过2~20秒反应后，从反应气体出口处得到烯烃产物，完成一个工作循环。

作为本发明的优选方案：

所述将甲醇在200~400℃操作温度下脱水反应的过程在预反应器中完成；

所述其余换热壳程上的冷却介质进口通过管线与预反应器的出口连接，预反应器为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程上的冷却介质进口通过管线与汽包及热水循环泵系统的出口连接；

所述预反应器的出口还与水蒸气进料管线连接；

所述预反应器的进口与原料进料管线连接，原料进料管线上设置有加热器；

所述其余换热壳程的冷却介质出口通过管线依次与加热炉和反应气体进口连接，撤热后形成的原料气体送经加热炉加热到410~430℃，作为原料气体通入主反应器的反应气体进口中；

第一换热壳程中通入220~280℃的高温饱和锅炉水由高压热水泵从汽包中泵入，撤热后形成的含蒸汽的高温饱和锅炉水通过锅炉汽包形成高温高压饱和蒸汽，用于配制下一个工作循环的原料气体。

作为本发明的优选方案：

所述主反应器的反应气体出口通过管线与第一换热器上的壳程介质进口连接；

所述预反应器的出口与第一换热器上的管程介质进口连接，第一换热器的管程介质出口经管线与其余换热壳程上的冷却介质进口连接；

用第一换热器上的外壳体中的烯烃产物的余热对第一换热器上的内管中的预反应器的出口物料进行预热，使其温度上升接近主反应器的反应气体进口所需的温度；

所述水蒸气进料管线安装在第二换热器的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器上的壳程介质出口与第二换热器上的壳程介质进口连接；

第二换热器用于对在混合体系中通入的水蒸气进行加热，使其温度接近预反应器的出口的气体的温度；

所述原料进料管线安装在第三换热器上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器的壳程介质出口与第三换热器的壳程介质进口连接；

第三换热器用于预热或汽化甲醇进料。

作为本发明的优选方案：

所述上管板和下管板之间安装有一至五块以上沿水平方向延伸的隔板，将由上管板、下管板和反应器本体围成的腔体沿竖直方向分隔成二至六个互不相通的换热壳程；

所述冷却介质进口和冷却介质出口均为管箱接口或均为管嘴，每个换热壳程内的管嘴之间连接有导流筒；通过管箱接口与管箱连通，将高温饱和锅炉水或原料气通过管箱单程通过各自壳程，或者将高温饱和锅炉水或原料气由单个管嘴进入各自壳程，经导流筒后，与列管内高温反应气体进行间接逆流换热；

所述原料气体通过壳程主轴纵向截面的表观速度为5~20m/s。

本发明中的每个壳程的长度根据列管内反应情况定，列管的长度L等于原料气通过列管的速度u乘以所需的时间t，即L=ug×t，在反应器入口处，原料气浓度高，反应剧烈，反应放热速率快，此时壳程长度短，壳程内需要通过高温饱和锅炉水，来撤除列管内的反应热。在列管内反应较缓时，壳程长度可以加大，壳程内可以通过原料气撤除反应热。

本发明中的反应气体在预反应器中的化学反应方程式如下：

2MEOH（甲醇）=DME（二甲醚）+H2O；

本发明中的反应气体在主反应器中的化学反应方程式如下：

n MeOH=C_nH_2n+n H₂O，其中n=5~9时，C_nH_2n可以是乙烯、丙烯、C4烯烃或汽油等。

本发明提供了一种集成主反应原料预热与MTP反应放热的组合换热式多壳程列管固定床反应器，列管内装填催化剂。但不同于普通的列管式固定床反应器，本发明的列管固定床反应器的壳程不均等地被分割成2～10个换热壳程，优选为2～6个。每个换热壳程可以通反应原料气，一方面用于撤除列管内的反应放热，另一方面用于预热反应进料。预热后的反应进料须/或通过燃烧炉等加热系统，升温至主反应所需的进口温度。此外每个换热壳程也可以通220～280℃高温饱和水（优选为250～260℃），此时列管内大量反应放热通过饱和水的汽化带走。固定床催化反应的热生成速率为反应速率与单位mole量的反应放热的乘积，因此列管中反应速率极快的区域必然为放热速率极快的区域，在此区域列管内固定床易形成反应热点，造成反应飞温。对于列管式固定床反应器，通常反应热点靠近反应器进口处，距离反应器进口1/6～1/2管长。在此反应热点区域管束间的壳程宜通高温饱和水，及时带走大量反应热。在热点区域外的壳程，反应放热较缓，可以通反应原料气体带走列管内固定床反应放热，同时原料气体得以预热，节约了原料气体加热炉的能耗。

不同于欧洲专利DE19723363复杂的融盐间接撤热系统，本发明的组合换热式多壳程列管固定床反应器仅采用易处理的高温饱和水或原料气换热，整体结构简化。采用高温饱和水可有效带走反应热同时副产高压蒸汽，从而可大幅降低原料气中的热沉淀剂，即水蒸气的比例，因此这种进料低水蒸气配比的方法也是一种节能的方法。另外甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃的反应采用ZSM-5分子筛催化剂，在反应温度下高水蒸气含量容易造成分子筛骨架铝流失，导致催化剂永久失活，因此，这种通过组合式换热有效移除反应放热来降低进料中水蒸气配比的方法实际也有利于保护催化剂的活性。当列管反应器的壳程通待预热原料气体作为撤热介质时，一方面可有效利用反应热降低了原料气加热炉的负荷，另一方面对于反应放热速率较低的区域，若壳程仍采用高温饱和水换热，列管内反应放热速率可能会低于壳程移热速率，这样会造成列管内反应温度持续下降直至低于反应设定温度，而甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃的反应产物对反应温度非常敏感，过低的反应温度不利于生成丙烯等所需产物，此时壳程采用原料气体换热恰好可避免此类问题，同时还集成了能量利用。其中待预热原料来自预反应器，即预反应器出口物料首先通过与MTP主反应器出口产物换热，然后进入列管式反应器壳程，来撤除部分MTP反应热。反应器之间的原料急冷或进一步水冷却作为补充手段，控制每级反应器的进口温度。

本发明的组合换热式多壳程列管固定床反应器可以为单级，也可以为2～4级，优选为1～2级。对于多级固定床反应器，作为辅助的控温方式，级间物料可进一步通过原料急冷或其它冷却介质，如冷却水换热，来保证每级反应器的进口温度。本发明提供了一种通过组合式高效换热来降低原料气中水蒸气配比、原料气加热炉负荷、及延长催化剂寿命的方法。

本发明的技术关键点如下：

甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃的主反应器为组合换热式多壳程列管固定床反应器，列管内装填分子筛催化剂，反应器壳程被分割成不均等的多个壳程，壳程个数可为2～10个，优选为2～6个。通过各个壳程的冷却介质可以为高温饱和锅炉水，也可以为预反应器产物同时也是主反应器原料。本发明通过组合式高效换热可以降低原料气中水蒸气配比、原料气加热炉负荷、及延长催化剂寿命，并可通过控制列管内反应温升来确保所需的烯烃产物分布；

高温饱和锅炉水的温度为220～280℃，优选为250～260℃；

主反应器原料气来自甲醇脱水制二甲醚的预反应器，并经过与主反应产物换热升温至340～360℃后再进入主反应器的各个壳程；

高温饱和锅炉水宜用于列管内反应很有可能形成热点的区域，通常反应热点靠近反应器进口处，距离反应器进口1/6～1/2管长。在此反应热点区域管束间的壳程通高温饱和锅炉水，及时带走大量反应热；

主反应器原料气宜用于反应放热速率较缓的区域，在此区域列管外的反应原料气进入各自壳程移除列管内一部分反应热，同时原料气自身进一步升温，由此可降低原料气加热炉的负荷10%～40%，优选为15%～30%；

本发明的组合换热式多壳程列管反应器及其方法可有效降低原料气中的水蒸气配比至0.1～0.8，优选为0.1～0.3，更优选为0.15～0.25。

冷却介质（高温饱和锅炉水或原料气）可以通过一排管箱单程通过各自壳程，也可以由单个管嘴进入各自壳程，在壳程内设置导流筒，与列管内高温反应气体间接逆流换热。

下面通过实施例对本发明作进一步阐述，这些方案仅仅是进一步说明而不是限值权利要求书的范围。

附图说明

图1为本发明甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃工艺流程示意图；

图2为图1中甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃、组合换热式多壳程列管反应器布置示意图，其中冷却介质通过管箱单程通过各个壳程；

图3为图1中甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃、组合换热式多壳程列管反应器布置示意图，其中冷却介质通过管嘴进入各个壳程；

图4为本发明的组合换热式多壳程列管固定床反应器的操作曲线；

图5为图1中的主反应器的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，如图5所示，包括一级或一级以上串接连接的主反应器11，主反应器11包括反应器壳体19，反应器壳体19由顶部的上封头20、底部的下封头21和位于上封头20与下封头21之间的呈圆筒状的反应器本体22构成，上封头20上设置有反应气体进口23，下封头21上设置有反应气体出口24，上封头20下方设置有上管板25，下封头21上方设置有下管板26，上管板25和下管板26之间安装有沿竖直方向延伸的若干根相互平行的列管12，列管12中填充有催化剂；

所述上管板25和下管板26之间安装有一块以上沿水平方向延伸的隔板27，将由上管板25、下管板26和反应器本体22围成的反应器壳程沿竖直方向分隔成二至十个互不相通的换热壳程，其中由上管板25及其相邻的位于顶部的隔板27之间的腔体构成第一换热壳程13，由下管板26及其相邻的位于底部的隔板27之间的腔体，以及各相邻的隔板27之间的腔体构成其余换热壳程28，其余换热壳程28包括第二换热壳程14，……第N换热壳程15，N=2～10,优选N=2～6，所述隔板27边缘与反应器本体22密封连接，所述列管12贯穿隔板27；

每个换热壳程28的反应器本体22上均设置有冷却介质进口29和冷却介质出口30；

所述一级以上串接连接的主反应器11是指将上一级的主反应器11的反应气体出口24通过管线与下一级的主反应器11的反应气体进口23连接。

如图1所示，所述其余换热壳程28的冷却介质出口30通过管线依次与加热炉7和反应气体进口23连接；

所述其余换热壳程28上的冷却介质进口29通过管线与预反应器4的出口连接，预反应器4为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程13上的冷却介质进口29通过管线与汽包及热水循环泵系统34的出口连接；

所述预反应器4的出口还与水蒸气进料管线10连接；

所述预反应器4的进口与原料进料管线1连接，原料进料管线1上设置有加热器3。

所述主反应器11的反应气体出口24通过管线与第一换热器5上的壳程介质进口连接；

所述预反应器4的出口与第一换热器5的管程介质进口连接，第一换热器5的管程介质出口经管线与其余换热壳程28上的冷却介质进口29连接。

所述水蒸气进料管线10安装在第二换热器9的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器5上的壳程介质出口与第二换热器9上的壳程介质进口连接。

所述原料进料管线1安装在第三换热器2上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器9的壳程介质出口与第三换热器2的壳程介质进口连接。

所述列管12中填充的催化剂为ZSM-5分子筛；

所述冷却介质进口29和冷却介质出口30均为管箱接口或管嘴，每个换热壳程内管嘴之间连接有导流筒。

如图1所示，用上述一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备来生产烯烃的方法，包括以下步骤：

将甲醇在200~400℃的温度下部分脱水反应，得到甲醇、二甲醚和水蒸气的混合体系；

然后在混合体系中通入水蒸气，使甲醇、二甲醚和水蒸气的重量配比为1：0.5～1:2，配制得到原料气体，原料气体经主反应器壳程及加热炉7升温到420~480℃后，作为预热后原料气17，经所述反应气体进口23通入主反应器11中.预热后原料气17通过壳程主轴纵向截面的表观速度为5~20m/s。在第一换热壳程13中通入220~280℃的高温饱和锅炉水32进行撤热，将撤热后形成的高温高压水蒸气33用于配制下一个工作循环的原料气体或用于其它工艺。在其余换热壳程28中通入原料气体16进行撤热，将撤热后形成的温度为410~430℃的原料气体31与水蒸气配比，使甲醇、二甲醚和水蒸气的重量配比达到1：0.5~1:2，再经加热炉7升温到420~480℃后，作为下一个工作循环的预热后原料气17，从反应气体进口23再次通入主反应器11中，所述主反应器11的列管12中填充的催化剂为ZSM-5分子筛；

经过2~20秒反应后，从反应气体出口24处得到烯烃产物18，完成一个工作循环。

所述将甲醇在200~400℃操作温度下脱水反应的过程在预反应器4中完成；

所述其余换热壳程28上的冷却介质进口29通过管线与预反应器4的出口连接，预反应器4为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程13上的冷却介质进口29通过管线与汽包及热水循环泵系统34的出口连接；

所述预反应器4的出口还与水蒸气进料管线10连接；

所述预反应器4的进口与原料进料管线1连接，原料进料管线1上设置有加热器3；

所述其余换热壳程28的冷却介质出口30通过管线依次与加热炉7和反应气体进口23连接，撤热后形成的原料气体31送经加热炉7加热到420~480℃，作为下一个工作循环的预热后原料气17通入主反应器11的反应气体进口23中；

第一换热壳程13中通入的220~280℃的高温饱和锅炉水32由高压热水泵从汽包中泵入，撤热后形成的含蒸汽的高温饱和锅炉水33通过锅炉汽包形成高温高压饱和蒸汽35，用于配制下一个工作循环的预热后原料气17或其它工艺。

所述主反应器11的反应气体出口24通过管线与第一换热器5上的壳程介质进口连接；

所述预反应器4的出口与第一换热器5的管程介质进口连接，第一换热器5的管程介质出口经管线与其余换热壳程28上的冷却介质进口29连接；

用第一换热器5上的壳程中的烯烃产物的余热对第一换热器5上的管程中的预反应器4的出口物料进行预热，使其温度上升到接近主反应器11的反应气体进口23所需的温度；

所述水蒸气进料管线10安装在第二换热器9的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器5上的壳程介质出口与第二换热器9上的壳程介质进口连接；

第二换热器9用于对在混合体系中通入的水蒸气进行加热，使其温度接近预反应器4的出口的气体的温度；

所述原料进料管线1安装在第三换热器2上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器9的壳程介质出口与第三换热器2的壳程介质进口连接；

第三换热器2用于预热或汽化甲醇进料。

所述冷却介质进口29和冷却介质出口30均为管箱接口或均为管嘴，每个换热壳程内的管嘴之间连接有导流筒；如图2所示，通过管箱接口与管箱连通，将高温饱和锅炉水32或原料气16通过管箱单程通过各自壳程，或者如图3所示，将高温饱和锅炉水32或原料气16由单个管嘴进入各自壳程，经导流筒后，与列管内高温反应气体进行间接逆流换热；

所述预热后原料气17通过壳程主轴纵向截面的表观速度为5～20m/s。

图4为本发明的组合换热式多壳程列管固定床反应器的操作曲线，其中Tin为反应器进口温度，也是催化反应所需的“点火”温度。Tout1为反应器出口温度，也是催化反应所允许的上限温度。Tout2为列管内固定床反应器绝热操作曲线，此时Tout2已超过催化反应所允许的上限。对于甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃反应而言，超温不仅会加剧催化剂结焦和失活，而且会导致反应产物中不希望的甲烷含量大幅增加。因此本发明的组合式高效换热方法不仅可以降低原料气中水蒸气配比、原料气加热炉负荷、及延长催化剂寿命，而且可通过控制列管内反应温升来确保所需的烯烃产物分布。

简而言之，图1为甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃工艺流程示意图。如图1所示，一种用于甲醇制丙烯的列管式固定床反应器及其工艺，包括以下主要设备：甲醇部分脱水生成二甲醚（DME）的预反应器4；甲醇或二甲醚脱水制丙烯等烯烃的主反应器6；主反应器原料气加热器（如加热炉）7；主反应器出口物料的3个换热器，其中第一换热器5用于预热预反应器出口物料，使其温度上升接近主反应器进口所需的温度，第二换热器9用于汽化主反应器所需的补充水蒸气，第三换热器2用于预热或汽化甲醇进料；换热器5用于加热甲醇蒸汽到预反应器所需的进料温度；高温饱和锅炉水32；含蒸汽的高温饱和锅炉水33；汽包及热水循环泵系统34；高温高压饱和蒸汽35。甲醇原料通过管线1进入本反应系统，而主反应器所需的补充水蒸气则通过管线10进入本反应系统。

如图1，甲醇或二甲醚来通过与主反应器出口气体换热、以及加热器3加热后进入绝热固定床预反应器4，预反应器的操作温度为200～400℃，优选为240～360℃。主反应器6的操作温度为420～500℃，优选为460～480℃。高温主反应器出口气体用于进一步加热预反应器出口原料，使其升温至340～360℃，再进入列管式主反应器壳程作为冷却介质。本发明的列管式主反应器为多壳程组合换热式列管固定床反应器，反应器壳程除通入来自预反应器的原料气外，还可通入高温饱和锅炉水作为冷却介质。高温饱和锅炉水的温度为220～280℃，优选为250～260℃。冷却介质进入壳程的方式见图2。

图2为本发明的组合换热式多壳程列管固定床反应器示意图，包括单级或多级反应器11；装填催化剂的列管12；第一、第二、及第N级壳程，即第一换热壳程13、第二换热壳程14、第N换热壳程15；换热介质（高温饱和锅炉水32或原料气16）；预热后原料气17；及反应产物即烯烃产物18。

如图2，来自预反应器4的原料气通过一排管箱单程通过列管反应器各个壳程，或如图3原料气通过管嘴进入各个壳程，壳程内布置导流筒，使冷却介质与列管内反应物料间接逆流换热。

Claims (9)

1.一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，包括二级以上串接连接的主反应器(11)，主反应器(11)包括反应器壳体(19)，反应器壳体(19)由顶部的上封头(20)、底部的下封头(21)和位于上封头(20)与下封头(21)之间的呈圆筒状的反应器本体(22)构成，上封头(20)上设置有反应气体进口(23)，下封头(21)上设置有反应气体出口(24)，上封头(20)下方设置有上管板(25)，下封头(21)上方设置有下管板(26)，上管板(25)和下管板(26)之间安装有沿竖直方向延伸的若干根相互平行的列管(12)，列管(12)中填充有催化剂；

其特征在于：

所述上管板(25)和下管板(26)之间安装有一块以上沿水平方向延伸的隔板(27)，将由上管板(25)、下管板(26)和反应器本体(22)围成的腔体沿竖直方向分隔成二至十个互不相通的换热壳程，包括位于顶部的由上管板(25)与相邻的隔板(27)之间的腔体构成的第一换热壳程(13)，第一换热壳程(13)以下的各个换热壳程为其余换热壳程(28)，其余换热壳程(28)包括由各相邻的隔板(27)之间的腔体构成的换热壳程，以及由下管板(26)与相邻的隔板(27)之间的腔体构成的换热壳程，所述隔板(27)边缘与反应器本体(22)密封连接，所述列管(12)贯穿隔板(27)；

每个换热壳程的反应器本体(22)上均设置有冷却介质进口(29)和冷却介质出口(30)；

所述二级以上串接连接的主反应器(11)是指将上一级的主反应器(11)的反应气体出口(24)通过管线与下一级的主反应器(11)的反应气体进口(23)连接；

所述其余换热壳程(28)上的冷却介质出口(30)通过管线依次与加热炉(7)和反应气体进口(23)连接；

所述其余换热壳程(28)上的冷却介质进口(29)通过管线与预反应器(4)的出口连接，预反应器(4)为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程(13)上的冷却介质进口(29)通过管线与汽包及热水循环泵系统(34)的出口连接；

所述预反应器(4)的出口还与水蒸气进料管线(10)连接；

所述预反应器(4)的进口与原料进料管线(1)连接，原料进料管线(1)上设置有加热器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，其特征在于：

所述主反应器(11)的反应气体出口(24)通过管线与第一换热器(5)上的壳程介质进口连接；

所述预反应器(4)的出口与第一换热器(5)上的管程介质进口连接，第一换热器(5)的管程介质出口经管线与其余换热壳程(28)上的冷却介质进口(29)连接。

3.根据权利要求2所述的一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，其特征在于：

所述水蒸气进料管线(10)安装在第二换热器(9)的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器(5)上的壳程介质出口与第二换热器(9)上的壳程介质进口连接。

4.根据权利要求3所述的一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，其特征在于：

所述原料进料管线(1)安装在第三换热器(2)上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器(9)的壳程介质出口与第三换热器(2)的壳程介质进口连接。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备，其特征在于：

所述列管(12)中填充的催化剂为ZSM-5分子筛；

所述冷却介质进口(29)和冷却介质出口(30)均为管箱接口或管嘴，每个换热壳程内的管嘴之间连接有导流筒。

6.采用权利要求1所述的一种组合换热式多壳程的甲醇制烯烃固定床生产设备来生产烯烃的方法，其特征在于包括以下步骤：

将甲醇在200～400℃的温度下部分脱水反应，得到甲醇、二甲醚和水蒸气的混合体系；

然后在混合体系中通入水蒸气，使甲醇、二甲醚和水蒸气的重量配比为1：0.5～1:2，配制得到原料气体，将原料气体以5～20m/s的壳程主轴纵向截面表观速度通入主反应器(11)的其余换热壳程(28)，使其升温至410～430℃，再通过加热炉(7)，升温至所需反应温度420～480℃后，再经反应气体进口(23)通入主反应器(11)中；在第一换热壳程(13)中通入220～280℃的高温饱和锅炉水(32)进行撤热，将撤热后形成的高温高压水蒸气用于配制下一个工作循环的原料气体；所述主反应器(11)的列管(12)中填充的催化剂为ZSM-5分子筛；

经过2～20秒反应后，从反应气体出口(24)处得到烯烃产物，完成一个工作循环。

7.根据权利要求6所述的生产烯烃的方法，其特征在于：

所述将甲醇在200～400℃操作温度下脱水反应的过程在预反应器(4)中完成；

所述其余换热壳程(28)上的冷却介质进口(29)通过管线与预反应器(4)的出口连接，预反应器(4)为绝热反应器，包括反应器筒体，在反应器筒体内装填有固体催化剂氧化铝；所述第一换热壳程(13)上的冷却介质进口(29)通过管线与汽包及热水循环泵系统(34)的出口连接；

所述预反应器(4)的出口还与水蒸气进料管线(10)连接；

所述预反应器(4)的进口与原料进料管线(1)连接，原料进料管线(1)上设置有加热器(3)；

所述其余换热壳程(28)的冷却介质出口(30)通过管线依次与加热炉(7)和反应气体进口(23)连接，撤热后形成的原料气体送经加热炉(7)加热到410～430℃，再作为原料气体通入主反应器(11)的反应气体进口(23)中；

第一换热壳程(13)中通入的220～280℃的高温饱和锅炉水(32)由高压热水泵从汽包中泵入，撤热后形成的含蒸汽的高温饱和锅炉水(33)通过锅炉汽包形成高温高压饱和蒸汽(35)，用于配制下一个工作循环的原料气体。

8.根据权利要求7所述的生产烯烃的方法，其特征在于：

所述主反应器(11)的反应气体出口(24)通过管线与第一换热器(5)上的壳程介质进口连接；

所述预反应器(4)的出口与第一换热器(5)上的管程介质进口连接，第一换热器(5)的管程介质出口经管线与其余换热壳程(28)上的冷却介质进口(29)连接；

用第一换热器(5)上的壳程中的烯烃产物的余热对第一换热器(5)上的管程中的预反应器(4)的出口物料进行预热，使其温度上升接近主反应器(11)的反应气体进口(23)所需的温度；

所述水蒸气进料管线(10)安装在第二换热器(9)的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第一换热器(5)上的壳程介质出口与第二换热器(9)上的壳程介质进口连接；

第二换热器(9)用于对在混合体系中通入的水蒸气进行加热，使其温度接近预反应器(4)的出口的气体的温度；

所述原料进料管线(1)安装在第三换热器(2)上的管程介质进口和管程介质出口上；

所述第二换热器(9)的壳程介质出口与第三换热器(2)的壳程介质进口连接；

第三换热器(2)用于预热或汽化甲醇进料。

9.根据权利要求8所述的生产烯烃的方法，其特征在于：

所述上管板(25)和下管板(26)之间安装有一至五块以上沿水平方向延伸的隔板(27)，将由上管板(25)、下管板(26)和反应器本体(22)围成的腔体沿竖直方向分隔成二至六个互不相通的换热壳程(28)；

所述冷却介质进口(29)和冷却介质出口(30)均为管箱接口或均为管嘴，每个换热壳程内的管嘴之间连接有导流筒；通过管箱接口与管箱连通，将高温饱和锅炉水(32)或原料气通过管箱单程通过各自壳程，或者将高温饱和锅炉水(32)或原料气由单个管嘴进入各自壳程，经导流筒后，与列管内高温反应气体进行间接逆流换热；

所述原料气体通过壳程主轴纵向截面的表观速度为5～20m/s。