CN105218288A - 用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，主要解决沉降器过大、气体滞留时间长、过度的二次反应、烯烃收率较低的问题。本发明通过采用一种用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，包括以下步骤：主要为甲醇的原料进入下行床反应器中，与催化剂接触生成产物气与催化剂，反应完成后，经过粗旋分离出的产物气与少量催化剂快速通过立管直接进入旋风分离器，得到烯烃产物，而由粗旋与旋风分离器分离出来的待生催化剂经过提升管进入再生器再生后返回气固分配器内的技术方案较好地解决了上述问题，可改善产品分布，提高烯烃收率，用于甲醇制烯烃工业生产中。

Description

用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法

技术领域

本发明涉及一种用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法。

背景技术

乙烯与丙烯作为现代石油化工领域最为关键的两大基础原料，为工农业、交通、国防等领域提供着化工原料。乙烯的大量下游产品主要有聚乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯、环氧乙烷、乙二醇等。乙烯产量的大小是衡量石化工业乃至国民经济的标志。丙烯主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷、异丙醇等。目前世界上近67％的丙烯来自于蒸汽裂解生产乙烯的副产品，约30％的产品来自于催化裂化炼油工艺中生产汽、柴油的副产品，还有少量丙烯产品来自于丙烷脱氢与乙烯-丁烯易位反应。

而近些年来，乙烯与丙烯的需求持续走高，而石油资源日趋匮乏的情况下，非石油资源生产乙烯、丙烯的煤化工技术，能够极大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以及社会、经济效益。

当前，甲醇制烯烃工艺无论从技术还是从经济上都具备了工业化应用的基础与条件，目前甲醇制烯烃工艺流程与催化裂化装置相似，采用的是连续反应-再生方式。对甲醇制烯烃工艺的工程技术特点的分析研究表明，甲醇制烯烃工艺所用的SAPO催化剂不同于催化裂化的分子筛催化剂，有着其独特的对工程技术的要求。具体表现在反应原料的状态、进料分布方式、催化剂流化、催化剂循环、剂醇比、反应温度、生焦率等等。在甲醇制烯烃工艺中，流化床反应器是原料发生反应的主要场所，催化剂与原料气体的混合物通过反应器的时间为4-8秒。MTO工艺催化流化床反应器出口处，是由气固快速分离装置来实现催化剂与低碳烯烃的分离，避免过度反应。目前主要采用典型的旋流快分器或粗旋分离装置，分离后的低碳烯烃夹带部分未分离的催化剂细粉经过升气管进入沉降器空间，然后以较慢的速度上升，经10秒以上进入沉降器内的旋风分离器内进行再次分离。而由快分器(或粗旋)的下端立管排出的催化剂夹带大约占总低碳烯烃量的8％的低碳烯烃气体，直接下落到沉降器底层的汽提段。这部分低碳烯烃气体与汽提蒸汽混合后，在沉降器内缓缓上升至沉降器上端的旋风分离器中。这部分低碳烯烃气体在沉降器内的停留时间大约高达20s之久，在温度较高的沉降器中存在着较为不利的二次反应，影响着烯烃收率。因此要求催化剂与反应后的产物气快速分离、沉降后引出。

文献US166282中公布了一种氧化物转化为低碳烯烃的方法与反应器，采用的是快速流化床反应器，气体在气速较低的反应区反应完成后，上升到内径急剧变小的快分区后，采用粗旋进行初步分离出夹带催化剂。由于产物气与催化剂分离快速，有效防止了二次反应的发生。该文献采用传统的上行快速流化床作为反应器。

文献CN101164685A公布了一种用于甲醇或乙二醚催化反应的组合式快速流化床反应器。提出将沉降段的分离装置外置，有效缩小了沉降器的空间，提高催化剂沉降速度，减小烯烃停留时间，有效解决了乙烯及丙烯选择性低、收率低的技术问题。相对于传统沉降器外置的快速流化床反应器而言，乙烯收率可提高大于4％，丙烯收率可提高大于3％。

文献CN1723262公布了一种带有中央催化剂回路的多级提升管反应器用于烃转化装置与方法。该装置包括多个提升管反应器、多个入口的分离区、多个偏移元件等。针对传统反应器高度偏高(尤其是顶部的大型重型分离器)导致昂贵的支撑结构以及维修上的困难，提出了带有独立分离器的多个完备且独立的反应器系统，有效降低了整个烃转化装置的高度。但是该方法以牺牲占地面积为代价，同时管线布置较为复杂，能耗也偏高，此方法尤为适用于天气较为恶劣的地区(如风力较大等地区)。

综上所述，研究者已经进行了较多的工作开发气体与催化剂的快速分离技术，但对于气体在沉降器内长时间停留以及返混的问题研究还不够。由于沉降器的结构尺寸大，内部空间也较大，因此气体流动线速比较小，从而导致气体在沉降器内部的停留时间较长，而这部分气体与夹混的催化剂长时间高温接触后非常容易发生二次反应。传统沉降器内部大空间由于容纳了粗旋、顶旋等分离设备，导致沉降器尺寸无法减小，因此很难实现气体与催化剂的快速分离与沉降。而本发明有针对性地解决了这些问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是现有技术中沉降器过大、气体滞留时间长、过度的二次反应、烯烃收率较低的问题，提供一种新的用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法。该方法中流化床反应器具有沉降器小，气体滞留时间短，二次反应得到改善，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：一种用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，包括以下步骤：主要为甲醇的原料进入下行床反应器中，与催化剂接触生成产物气与催化剂，反应完成后，经过粗旋分离出的产物气与少量催化剂快速通过立管进入旋风分离器，得到烯烃产物，而由粗旋与旋风分离器分离出来的待生催化剂经过提升管进入再生器再生后返回气固分配器内。

上述技术方案中，下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0-0.4MPa、平均温度为380-550℃、气相线速0.8-10.0m/s，再生器内再生条件为：再生温度为600-700℃，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.01-0.5％，所述再生介质为空气。下行床反应器上端与下行床入口气固分配器相连通，下行床反应器底部出口与粗旋相连通；下行床反应器的中后段通过补充催化剂斜管与低温催化剂储罐相连通；粗旋的顶部出口与立管相连通，粗旋的底部插入汽提器内；立管的底部与汽提器相连通，立管的上端与气固分离器相连通；下行床入口气固分配器通过再生斜管与再生器相连通；下行床入口气固分配器通过低温催化剂储罐与换热斜管相连通。立管的直径是汽提器直径的0.1～1倍。立管内气体线速为10～30m/s，温度为370-560℃。补充催化剂斜管位于下行床反应器中后段距离下行床顶部的距离为下行床床高的0.5～0.8处。优选的技术方案为，下行床反应器筒壁均匀设有2～12个补充催化剂斜管，且补充催化剂斜管与下行床反应器的锐角夹角为5～45°。补充催化剂斜管的截面积为下行床反应器截面积的0.025～0.2倍。旋风分离器由1～2个并联的一级旋风分离器与2～10个并联的旋风分离器组成，旋风分离器的旋向为逆时针或顺时针。气固分配器的气固混合方式采用先将催化剂颗粒进行预分散，再通过喷嘴的方式将原料气引入催化剂流体之中，且气固混合相在气固分配器中的停留时间小于0.6s。

本发明所述下行床反应器是指气固流动方向自上而下的反应器型式，补充再生斜管内催化剂流动方向也是自上而下流动。

由于甲醇制烯烃的反应过程中，要求气固进行快速混合接触，反应时间要求短，且生成产物气后，需快速分离沉降，避免二次反应。而本领域所公知的，现有技术中一般所用为上行流化床反应器，其特点在于固体催化剂颗粒的浓度分布较为不均匀，径向上为中间稀、四周密的分布特征；轴向上看，底部为密相顶部为稀相，径向与轴向的返混较为严重，对反应极为不利。同时随着反应的进行，底部催化剂逐渐结焦，导致顶部的催化剂的积炭量较高，对反应较为不利。此外常规方法的产物气出口端，经过粗旋分离出的产物气在直径很大的沉降器内慢速上升，一般15秒才得以进入沉降器上部的旋风分离器，在旋风分离器内进一步分离夹带的催化剂颗粒之后再进入集气室汇总，再经管线引出。被惯性气固快速分离装置分离的催化剂落入沉降器下部床层，被旋风分离器捕集的催化剂沿旋风分离器料腿也进入沉降器下部床层，这些分离下来的催化剂黏附和夹带着一定量的产物气，产物气需要在沉降器下部床层的汽提器中用蒸汽汽提出来，汽提出来的这部分油气需要约60秒以上的时间上升到沉降器上部的入口。由于这部分产物气在沉降器大空间内的停留时间较长，结果使反应后的产物气返混率高，而常规沉降器内的温度在高达550℃以上，易于发生高温二次过裂化反应，使烯烃收率降低。因此采用本发明的反应再生装置中的下行床型式，其近似于平推流的气固流态可以有效避免颗粒返混与气体的径向扩散，从而有效提高产率；而正是由于下行床的自上而下的流动的型式，使得在反应器中段补充催化剂变为可能，这样将有效提高反应后半段的催化剂积炭量的控制，进而提高烯烃收率；在产物气出口端，经过粗旋分离出的产物气与少量催化剂快速通过立管，直接进入旋风分离器，得到烯烃产物，与传统方法中产物气需经过直径巨大的沉降器自然沉降后分离的方法相比，产物气引出时间得到有效减小，平均停留时间降低在5秒以下，避免了在沉降器中的二次反应，同时本方法有效降低了散热面积，缩短了产物气和催化剂的行程，使各处的温度趋于一致，避免了局部区域的温差导致相变，进而有效提高烯烃产率。

采用本发明的技术方案，低碳烯烃收率达到86.27％以上(重量)，比现有技术的低碳烯烃的收率高出达到4个百分点以上，同时沉降器小，结构简单且紧凑，大大节省了设备费用，降低了生产成本，散热表面积大大降低，减少了催化裂化装置的散热能耗，具有很好的节能效果，取得较好的技术效果。

附图说明

图1为用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降反应装置的流程示意图：

图1中，1为汽提介质进料管线；2为汽提器；3为粗旋；4为立管；5为气固旋风分离器；6为集气室；7为产物气出口管线；8为下行床反应器；9为下行床入口气固分配器；10为气体原料进料管线；11为再生斜管；12为换热斜管；13为低温催化剂储罐；14为低温储罐取热器；15为补充催化剂斜管；16为烟气出口管线；17为再生器；18为气固旋风分离器；19为再生器外取热器；20为提升管；21为待生斜管；22为再生介质进料管线。

气体原料自管线10进入下行床入口气固分配器9中，与来自再生器17的高温催化剂、低温催化剂储罐13的低温催化剂颗粒混合后，进入下行床反应器8中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂。在下行床8的中后段位置附近补充足量的来自低温催化剂储罐13的低温再生催化剂，与下行床8中未反应完全的原料继续进行高效接触反应。反应后的产物携带待生催化剂以较高的速度进入粗旋3中进行初步快速分离，产物气与少量待生催化剂经过立管4后，通过气固旋风分离器5进行进一步分离，产物气进入集气室6再经由产物气出口管线7进入后续分离工段；由粗旋3分离出的大量待生催化剂与由气固旋风分离器18分离出的少量待生催化剂经过汽提器2汽提后，经过待生斜管21与来自再生介质进料管线22的再生介质经过提升管20并行向上，进入再生器17中。再生完成后的新鲜催化剂一部分进入低温催化剂储罐14，另一部分经过再生斜管11进入气固分配器9与来自低温催化剂储罐14中的低温催化剂混合并流向下，进入下行床反应器8中继续反应。

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】

用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降的反应-再生装置为本实施例所采用的小型热模实验装置，实验目的是验证本发明的新型装置对甲醇制烯烃反应器内的沉降器过大、气体滞留时间长、过度的二次反应、烯烃收率较低的改进作用。实验流程如下：气体原料自管线进入下行床入口气固分配器中，与来自再生器的高温催化剂、低温催化剂储罐的低温催化剂颗粒混合后，进入下行床反应器中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂。在下行床的中后段位置附近补充足量的来自低温催化剂储罐的低温再生催化剂，与下行床中未反应完全的原料继续进行高效接触反应。反应后的产物携带待生催化剂以较高的速度进入粗旋中进行初步快速分离，产物气与少量待生催化剂经过立管后，通过气固旋风分离器进行进一步分离，产物气进入集气室再经由产物气出口管线进入后续分离工段；由粗旋分离出的大量待生催化剂与由气固旋风分离器分离出的少量待生催化剂经过汽提器汽提后，经过待生斜管与来自再生介质进料管线的再生介质经过提升管并行向上，进入再生器中。再生完成后的新鲜催化剂一部分进入低温催化剂储罐，另一部分经过再生斜管进入气固分配器与来自低温催化剂储罐中的低温催化剂混合并流向下，进入下行床反应器中继续反应。实验所用流化床反应器内径50mm，床高1.2m，设定2个内径为10mm的补充催化剂斜管在距下行管入口0.6m处位置，补充催化剂斜管与上行管的角度为20°，立管的筒径是汽提器筒径的0.15倍，立管内气体线速为25m/s，温度为550℃，气固混合相在气固分配器中的停留时间控制在0.5s，催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。反应压力以表压计为0.01MPa、反应温度为500℃、气相线速为3.0m/s，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.5％。反应产品采用在线气相色谱分析，低碳烯烃收率为84.9％(重量)。

【实施例2】

用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降的反应-再生装置为本实施例所采用的小型热模实验装置，实验目的是验证本发明的新型装置对甲醇制烯烃反应器内的沉降器过大、气体滞留时间长、过度的二次反应、烯烃收率较低的改进作用。实验流程如下：气体原料自管线进入下行床入口气固分配器中，与来自再生器的高温催化剂、低温催化剂储罐的低温催化剂颗粒混合后，进入下行床反应器中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂。在下行床的中后段位置附近补充足量的来自低温催化剂储罐的低温再生催化剂，与下行床中未反应完全的原料继续进行高效接触反应。反应后的产物携带待生催化剂以较高的速度进入粗旋中进行初步快速分离，产物气与少量待生催化剂经过立管后，通过气固旋风分离器进行进一步分离，产物气进入集气室再经由产物气出口管线进入后续分离工段；由粗旋分离出的大量待生催化剂与由气固旋风分离器分离出的少量待生催化剂经过汽提器汽提后，经过待生斜管与来自再生介质进料管线的再生介质经过提升管并行向上，进入再生器中。再生完成后的新鲜催化剂一部分进入低温催化剂储罐，另一部分经过再生斜管进入气固分配器与来自低温催化剂储罐中的低温催化剂混合并流向下，进入下行床反应器中继续反应。实验所用流化床反应器内径50mm，床高1.2m，设定4个内径为10mm的补充催化剂斜管在距下行管入口0.6m处位置，补充催化剂斜管与上行管的角度为15°，立管的筒径是汽提器筒径的0.4倍，立管内气体线速为18m/s，温度为540℃，气固混合相在气固分配器中的停留时间控制在0.5s，催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。反应压力以表压计为0.01MPa、反应温度为500℃、气相线速为3.0m/s，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.5％。反应产品采用在线气相色谱分析，低碳烯烃收率为85.5％(重量)。

【实施例3】

用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降的反应-再生装置为本实施例所采用的小型热模实验装置，实验目的是验证本发明的新型装置对甲醇制烯烃反应器内的沉降器过大、气体滞留时间长、过度的二次反应、烯烃收率较低的改进作用。实验流程如下：气体原料自管线进入下行床入口气固分配器中，与来自再生器的高温催化剂、低温催化剂储罐的低温催化剂颗粒混合后，进入下行床反应器中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂。在下行床的中后段位置附近补充足量的来自低温催化剂储罐的低温再生催化剂，与下行床中未反应完全的原料继续进行高效接触反应。反应后的产物携带待生催化剂以较高的速度进入粗旋中进行初步快速分离，产物气与少量待生催化剂经过立管后，通过气固旋风分离器进行进一步分离，产物气进入集气室再经由产物气出口管线进入后续分离工段；由粗旋分离出的大量待生催化剂与由气固旋风分离器分离出的少量待生催化剂经过汽提器汽提后，经过待生斜管与来自再生介质进料管线的再生介质经过提升管并行向上，进入再生器中。再生完成后的新鲜催化剂一部分进入低温催化剂储罐，另一部分经过再生斜管进入气固分配器与来自低温催化剂储罐中的低温催化剂混合并流向下，进入下行床反应器中继续反应。实验所用流化床反应器内径50mm，床高1.2m，设定2个内径为10mm的补充催化剂斜管在距下行管入口0.6m处位置，补充催化剂斜管与上行管的角度为15°，立管的筒径是汽提器筒径的0.6倍，立管内气体线速为11m/s，温度为540℃，气固混合相在气固分配器中的停留时间控制在0.5s，催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为2m/s。反应压力以表压计为0.05MPa、反应温度为480℃、气相线速为3.0m/s，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.5％。反应产品采用在线气相色谱分析，低碳烯烃收率为86.27％(重量)。

【比较例1】

采用传统的无补充催化剂斜管、带沉降器的上行流化床进行试验，实验所用流化床反应器内径50mm，床高1.2m，沉降器内温度为560℃，催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。反应压力以表压计为0.01MPa、反应温度为500℃、气相线速为3.0m/s，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.5％。反应产品采用在线气相色谱分析，低碳烯烃收率为82.14％(重量)。

【比较例2】

采用传统的无补充催化剂斜管、带沉降器的下行流化床进行试验，实验所用流化床反应器内径50mm，床高1.2m，沉降器内温度为560℃，催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。催化剂颗粒采用SAPO-34，线速为1.8m/s。反应压力以表压计为0.01MPa、反应温度为500℃、气相线速为3.0m/s，再生催化剂平均积炭量质量分数为0.5％。反应产品采用在线气相色谱分析，低碳烯烃收率为80.47％(重量)。

Claims (10)

1.一种用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，包括以下步骤：甲醇的原料进入下行床反应器(8)中，与催化剂接触生成产物气与催化剂，反应完成后，经过粗旋(3)分离出的产物气与少量催化剂快速通过立管(4)进入旋风分离器(5)后，得到烯烃产物，而由粗旋(3)与旋风分离器(5)分离出来的待生催化剂经过提升管(20)进入再生器(17)再生后返回气固分配器(9)内。

2.根据权利要求1所述的甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0-0.4MPa、平均温度为380-550℃、气相线速0.8-10.0m/s，再生器内再生条件为：再生温度为600-700℃，再生介质为空气。

3.根据权利要求1所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于下行床反应器(8)上端与下行床入口气固分配器(9)相连通，下行床反应器(8)底部出口与粗旋(3)相连通；下行床反应器(8)的中后段通过补充催化剂斜管(15)与低温催化剂储罐(13)相连通；粗旋(3)的顶部出口与立管(4)相连通，粗旋(3)的底部插入汽提器(2)内；立管(4)的底部与汽提器(2)相连通，立管(4)的上端与气固分离器(5)相连通；下行床入口气固分配器(9)通过再生斜管(11)与再生器(17)相连通；下行床入口气固分配器(9)通过低温催化剂储罐(13)与换热斜管(12)相连通。

4.根据权利要求1所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于立管(4)的直径是汽提器(2)直径的0.1～1倍。

5.根据权利要求1所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于立管(4)内气体线速为10～30m/s，温度为370-560℃。

6.根据权利要求3所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于补充催化剂斜管(15)位于下行床反应器(8)中后段，距离下行床顶部的距离为下行床床高的0.5～0.8处。

7.根据权利要求3所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于，下行床反应器(8)筒壁均匀设有2～12个补充催化剂斜管(15)，且补充催化剂斜管(15)与下行床反应器(8)的锐角夹角为5～45°。

8.根据权利要求3所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于补充催化剂斜管(15)的截面积为下行床反应器(8)截面积的0.025～0.2倍。

9.根据权利要求1所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于旋风分离器(5)由1～2个并联的一级旋风分离器与2～10个并联的旋风分离器组成，旋风分离器的旋向为逆时针或顺时针。

10.根据权利要求1所述用于甲醇制烯烃的高效气固快速分离与沉降方法，其特征在于气固分配器(9)的气固混合方式采用先将催化剂颗粒进行预分散，再通过喷嘴的方式将原料气引入催化剂流体之中，且气固混合相在气固分配器(9)中的停留时间小于0.6s。