CN105561895B - 带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法，主要解决进口区再生催化剂、换热催化剂与调碳催化剂混合不均匀，气体原料与催化剂颗粒接触不充分，低碳烯烃收率较低的问题。本发明通过一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法，再生催化剂、换热催化剂与调碳待生催化剂共同进入内部为鼓泡流化床的催化剂混合器中后，由进料喷嘴的高速气体原料卷吸夹带进入流化床反应器中，反应生成烯烃产物，同时形成待生的积炭催化剂，待生催化剂分别作为调碳催化剂、经外换热器换热的换热催化剂以及经过再生的再生催化剂返回催化剂混合器的技术方案，较好的解决了上述技术问题，可应用于甲醇制烯烃工业生产中。

Description

带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法

技术领域

本发明涉及一种用于甲醇制烯烃工艺的带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法。

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。

对于快速反应系统，下行床反应器在石油化工、煤化工及生物质加工等领域有着广泛的应用。这种气固顺重力场并流向下的流动特性中，气固轴向返混较低，颗粒浓度的径向分布较为均匀，且强化了气固接触。

文献CN1390916A公布了一种利用下行床反应器进行烃类催化热裂解的方法，应用在石油产品分馏裂解技术中。它以下行床为反应器，使原料油在高温与催化剂作用下进行催化裂解反应，生成烯烃产物。该方法中的下行床反应器能够实现气固的超短接触反应，具有均匀的气固径向流动结构，可以提高轻烯烃收益，有效抑制甲烷与焦炭等副产物的抑制。

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。

文献CN103120918A公布了一种含氧化合物转化制低碳烯烃的反应装置。装置中设有两个反应区，第一反应区以积炭催化剂用于甲醇转化制低碳烯烃，第二反应区为倒“U”型复合反应区，耦合提升管与下行床的结构，保证足够的反应时间，最大化地转化碳四烯烃为低碳烯烃。该发明方法有效提高了产物低碳烯烃的收率。

根据甲醇制烯烃的工艺中的反应过程的传统流程中，通常可以将整个流化床反应器分为进口区、反应区、上行区与出口快速分离区四个部分。传统进口区是由再生催化剂、换热催化剂与调碳催化剂这三股不同状况的催化剂颗粒直接进入反应区中，催化原料气体进行反应。这三股催化剂的混合效果直接关系到烯烃选择性。进口区的气固流动、气体与催化剂颗粒的混合效果与进口区的反应行为对整个反应器的效果产生显著的影响。上述文献没有针对进口区的颗粒混合以及进入反应区后气体与催化剂颗粒的接触效率的问题提出解决思路。

众所周知，在反应区前将这三股不同状况的催化剂混合均匀，同时在与原料气体混合时，气固两相以一种均布的形式快速接触充分混合，是进口区的设计关键。传统进口区没有针对催化剂的混合进行特有的设计，常规的方法是将这三股催化剂的入口均布在反应器的四周，在不同的区域分别与原料气体接触，在局部的区域中，尤其在反应器的底部，这种不均匀的催化剂远远偏离优选的反应所要求的催化剂的特性（具有特定的温度与特点的碳含量），因此严重影响了产物气的选择性。

此外，针对气固混合结构而言，一般气固入口结构有两大类，第一类为分布器同时分布气固两相，使得气固两相实现快速均布以及气固两相的较充分接触；第二类采用颗粒入口与气体喷嘴或气体分布器的独立设计，优势在于保证颗粒在与气体接触前的有效传质与传热，保证颗粒的均布。

甲醇制烯烃工艺的特殊性使得在气固混合结构方面选择第二类的入口结构会更有利于反应的进行与产物气体的选择，而当前工业上常用的为第一类气固入口结构，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之一是现有技术中甲醇制烯烃进口区的多股催化剂在进入反应区时混合不均匀、气固两相接触不合理以及低碳烯烃收率较低等的问题，提供一种新的甲醇制烯烃的反应-再生的装置及方法。该装置与方法用于低碳烯烃的工艺中，具有进口区的再生催化剂、换热催化剂与调碳催化剂这三股催化剂颗粒混合均匀、气固两相接触充分、低碳烯烃收率较高的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的反应方法。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，主要设备包括：催化剂混合器2、换热斜管3、流化床反应器5、再生器13、调碳斜管16、再生斜管17、进料喷嘴18，其特征为，催化剂混合器2分别通过再生斜管17、换热斜管3、调碳斜管16与再生器13、外换热器4、汽提器6相连通，催化剂混合器2顶部与流化床反应器5相连通，流化床反应器5与粗旋21相连通，粗旋21位于沉降器8内，沉降器8底部与汽提器6相连通，汽提器6通过待生斜管20与再生器13相连通，外换热器4与汽提器6相连通。

上述技术方案中，气体原料进料管线1与进料喷嘴18相连通，流化床反应器5在催化剂混合器2腔内的底部的反应器入口22的形状为变径锥体，反应器底部直径与顶部直径比为1.05-3，进料喷嘴18与流化床反应器5底部的反应器入口22距离为催化剂混合器2的高度的0-0.5倍，进料喷嘴18的直径是流化床反应器5的底部的反应器入口22直径的0.2-0.9倍，且小于气体原料进料管线1的直径，进料喷嘴18由外套管、喷头、定位管以及测温管组成，催化剂混合器2中具有气体分布器19，气体分布器19为树枝状气体分布器、大筛孔分布板或环形分布器中的一种，气体分布器19的流化气体为水蒸气。

为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃的方法，采用上述的反应装置，包括如下几个步骤：

a、来自再生器13的再生催化剂、来自外换热器4的换热催化剂以及来自汽提器6的调碳待生催化剂共同进入催化剂混合器2中后，经过气体分布器19的气体流化，这三股催化剂在催化剂混合器2中形成鼓泡流态化；

b、气体原料自气体原料进料管线1经过进料喷嘴18卷吸夹带来自催化剂混合器2中混合后的催化剂进入流化床反应器5中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂；

c、反应后的产物携带待生催化剂经过粗旋21与气固旋风分离器9分离后进入沉降器8内，其中，产物气体经过产物气出口管线11进入后续分离工段；待生催化剂颗粒经过汽提器6后，一部分作为调碳催化剂直接返回催化剂混合器2中，一部分作为换热催化剂经过外换热器4换热后进入催化剂混合器2中，剩余的待生催化剂则进入再生器13中经过再生后进入催化剂混合器2中。

上述技术方案中，所述催化剂为SAPO-34，下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0-0.5 MPa、平均温度为400-560℃、气相线速为0.2-8.0m/s，再生器内再生条件为：再生温度为600-700℃，催化剂混合器2中的温度为350-550℃、催化剂平均含碳量为1-3.5%。

由于甲醇制烯烃的反应过程中，通常可以将整个流化床反应器分为进口区、反应区、上行区与出口快速分离区四个部分。传统进口区是由再生催化剂、换热催化剂与调碳催化剂这三股不同状况的催化剂颗粒直接进入反应区中，催化原料气体进行反应。这三股催化剂的混合效果直接关系到烯烃选择性。进口区的气固流动、气体与催化剂颗粒的混合效果与进口区的反应行为对整个反应器的效果产生显著的影响。

本发明中催化剂混合器2内的气固流动结构为鼓泡流态化，由于鼓泡流化床具有较为高效的颗粒混合能力，使得进入混合器的三股催化剂在流入流化床反应器之前就已经混合较为均匀，达到理想的催化剂的状态。

本发明中进口区内催化剂与原料气体混合采用的方法是，直径较小的喷嘴高速喷出原料气体，在反应器的入口处形成相对低压，周边已混合均匀的催化剂颗粒则通过夹带进入反应器中，优势在于保证颗粒在与气体接触前的有效传质与传热，保证颗粒的均布，提高反应效率。

采用本发明的技术方案，通过一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置及反应方法，再生催化剂、换热催化剂与调碳待生催化剂共同进入内部为鼓泡流化床的催化剂混合器中后，由气体分布器的气体原料卷吸夹带进入流化床反应器中，反应生成烯烃产物，同时形成待生的积炭催化剂，待生催化剂分别作为调碳催化剂、经外换热器换热的换热催化剂以及经过再生的再生催化剂返回催化剂混合器，采用上述装置及方法在甲醇制烯烃中，低碳烯烃收率达到85.02%（重量），比现有技术的低碳烯烃碳基收率高5%以上，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为本发明所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃方法的流程示意图：

图1中，1为气体原料进料管线；2为催化剂混合器；3为换热斜管；4为外换热器；5为流化床反应器；6为汽提器；7为上行管；8为沉降器；9为气固旋风分离器；10为集气室；11为产物气出口管线；12为烟气出口管线；13为再生器；14为气固旋风分离器；15为再生器外换热器；16为调碳斜管；17为再生斜管；18为进料喷嘴；19为气体分布器；20为待生斜管；21为粗旋；22为反应器入口。

来自再生斜管17的再生催化剂、来自换热斜管3的换热催化剂以及来自调碳斜管16的调碳待生催化剂共同进入催化剂混合器2中后，经过气体分布器19的水蒸气流化后，这三股催化剂在催化剂混合器2中形成鼓泡流态化；气体原料自气体原料进料管线1经过进料喷嘴18卷吸夹带来自催化剂混合器2中混合后的催化剂进入流化床反应器5中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂。反应后的产物携带待生催化剂经过粗旋21与气固旋风分离器9分离后进入沉降器8内，其中，产物气体经过产物气出口管线11进入后续分离工段；待生催化剂颗粒经过汽提器6后，一部分作为调碳催化剂直接返回催化剂混合器2中，一部分作为换热催化剂经过外换热器4换热后进入催化剂混合器2中，剩余的待生催化剂则进入再生器13中经过再生再进入催化剂混合器2中。

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】

如图1所示的反应-再生装置，采用进料喷嘴作为原料气体的进料设备，喷嘴的直径与原料进料管线直径比为0.7，反应器入口的形状为变径椎体，底部直径是顶部直径的1.2倍，进料喷嘴是反应器入口直径的0.7倍，进料喷嘴与流化床反应器的底部入口距离为催化剂混合器高度的0.1倍，催化剂混合器中气体分布器为大筛孔分布板。再生介质为空气，催化剂为SAPO-34，下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0.1 MPa、平均温度为480 ℃、气相线速为0.5 m/s，催化剂混合器中的温度为480℃、催化剂平均含碳量为2%。反应产品采用气相色谱分析，反应器出口的低碳烯烃碳基收率为85.02%（重量）。

【实施例2】

如图1所示的反应-再生装置，采用进料喷嘴作为原料气体的进料设备，喷嘴的直径与原料进料管线直径比为0.6，反应器入口的形状为变径椎体，底部直径是顶部直径的1.2倍，进料喷嘴是反应器入口直径的0.5倍，进料喷嘴与流化床反应器的底部入口距离为催化剂混合器高度的0.2倍，催化剂混合器中气体分布器为树枝状分布器。再生介质为空气，催化剂为SAPO-34，下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0.1 MPa、平均温度为480 ℃、气相线速为0.5 m/s，催化剂混合器中的温度为480℃、催化剂平均含碳量为2%。反应产品采用气相色谱分析，反应器出口的低碳烯烃碳基收率为83.88%（重量）。

【实施例3】

如图1所示的反应-再生装置，采用进料喷嘴作为原料气体的进料设备，喷嘴的直径与原料进料管线直径比为0.7，反应器入口的形状为变径椎体，底部直径是顶部直径的1.5倍，进料喷嘴是反应器入口直径的0.6倍，进料喷嘴与流化床反应器的底部入口距离为催化剂混合器高度的0.15倍，催化剂混合器中气体分布器为大筛孔分布板。再生介质为空气，催化剂为SAPO-34，下行床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0.1 MPa、平均温度为480 ℃、气相线速为0.5 m/s，催化剂混合器中的温度为480℃、催化剂平均含碳量为2%。反应产品采用气相色谱分析，反应器出口的低碳烯烃碳基收率为84.66%（重量）。

【比较例1】

按照实施例1-3所述的条件与步骤，采用流化床反应器，换热斜管、调碳斜管与再生斜管直接接入反应器入口中，原料气体直接通过直管连接进入反应器中。再生介质为空气，催化剂为SAPO-34，流化床反应器内反应条件为：反应压力以表压计为0.1MPa、平均温度为480℃、气相线速为0.5m/s，催化剂平均含碳量为2%。反应产品采用气相色谱分析，反应器出口的低碳烯烃碳基收率为80.03%（重量）。

显然，采用本发明的装置及方法，可以达到解决进口区再生催化剂、换热催化剂与调碳催化剂这三股进料的混合不均匀、气体原料与催化剂颗粒进入反应区的接触不充分的问题，提高低碳烯烃收率的目的，具有较大的技术优势，可用于甲醇制烯烃的工业生产中。

Claims (10)

1.一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，主要设备包括：气体原料进料管线（1）、催化剂混合器（2）、换热斜管（3）、流化床反应器（5）、再生器（13）、调碳斜管（16）、再生斜管（17）、进料喷嘴（18），其特征为，催化剂混合器（2）分别通过再生斜管（17）、换热斜管（3）、调碳斜管（16）与再生器（13）、外换热器（4）、汽提器（6）相连通，催化剂混合器（2）顶部与流化床反应器（5）相连通，流化床反应器（5）与粗旋（21）相连通，粗旋（21）位于沉降器（8）内，沉降器（8）底部与汽提器（6）相连通，汽提器（6）通过待生斜管（20）与再生器（13）相连通，外换热器（4）与汽提器（6）相连通。

2.根据权利要求1所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述气体原料进料管线（1）与进料喷嘴（18）相连通。

3.根据权利要求1所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于反应器入口（22）的形状为变径锥体，反应器底部直径与顶部直径比为1.05～3。

4.根据权利要求1所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述进料喷嘴（18）与流化床反应器（5）底部的反应器入口（22）的距离为催化剂混合器（2）的高度的0～0.5倍。

5.根据权利要求2所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述进料喷嘴（18）的直径是流化床反应器（5）底部的反应器入口（22）直径的0.2～0.9倍，且小于气体原料进料管线（1）的直径。

6.根据权利要求1所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述进料喷嘴（18）由外套管、喷头、定位管以及测温管组成。

7.根据权利要求1所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述催化剂混合器（2）中具有气体分布器（19），气体分布器（19）为树枝状气体分布器或大筛孔分布板或环形分布器中的一种。

8.根据权利要求7所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃装置，其特征在于所述气体分布器（19）的流化气体为水蒸气。

9.一种带催化剂混合器的甲醇制烯烃的反应方法，采用权利要求1～8中任意一种装置，包括如下几个步骤：

（a）、来自再生器（13）的再生催化剂、来自外换热器（4）的换热催化剂以及来自汽提器（6）的调碳待生催化剂共同进入催化剂混合器（2）中后，经过气体分布器（19）的气体流化，这三股催化剂在催化剂混合器（2）中形成鼓泡流态化；

（b）、气体原料自气体原料进料管线（1）经过进料喷嘴（18）卷吸夹带来自催化剂混合器（2）中混合后的催化剂进入流化床反应器（5）中进行反应，生成烯烃产物，同时形成积炭催化剂；

（c）、反应后的产物携带待生催化剂经过粗旋（21）与气固旋风分离器（9）分离后进入沉降器（8）内，其中，产物气体经过产物气出口管线（11）进入后续分离工段；待生催化剂颗粒经过汽提器（6）后，一部分作为调碳催化剂直接返回催化剂混合器（2）中，一部分作为换热催化剂经过外换热器（4）换热后进入催化剂混合器（2）中，剩余的待生催化剂则进入再生器（13）中经过再生后进入催化剂混合器（2）中。

10.根据权利要求9所述带催化剂混合器的甲醇制烯烃的反应方法，其特征在于所述催化剂为SAPO-34，流化床反应器（5）内反应条件为：反应压力以表压计为0～0.5 MPa、平均温度为400～560℃、气相线速为0.2～8.0m/s，再生器内再生条件为：再生温度为600～700℃，催化剂混合器（2）中的温度为350～550℃、催化剂平均含碳量为1～3.5%。