CN110078580B - 一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置和方法。该流化床反应装置包括至少两个甲烷氧化偶联制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接有换热器。第一流化床底端设有主进气口和副进气口，主进气口与分布板相通，副进气口与分布管相通；在流化床中下部内置有换热管，换热管在耐火材料内侧，在换热管底端有循环冷却介质进口，在换热管顶端有循环冷却介质出口；在分布板的上方有催化剂放料口，在换热管上方设有催化剂进料口；每个流化床的结构相同。本发明具有甲烷高转化率、乙烯高选择性、运行稳定的优点。

Description

一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置和方法
技术领域
本发明涉及一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置和方法，具体涉及甲烷一步法制乙烯的流化床反应装置和方法。
背景技术
乙烯是石油化工和有机化工的重要产品，随着世界经济的发展，乙烯的需求量将逐年增加，原料更加轻质化和清洁化。甲烷氧化偶联制乙烯（OCM）是生产乙烯的重要技术，它以天然气为原料，在催化剂作用下经氧化偶联一步即可得到乙烯，具有能耗低、过程简单的优点。
近年来，国内外一些科研工作者在OCM催化剂转化率、选择性及寿命等方面做了大量的改进工作，提高了乙烯的收率。其中，国外以美国Siluria公司（US2017/0107162 A1）为代表，其开发的OCM催化剂在固定床反应器中已进入中试阶段；国内中科院兰州化学物理研究所（CN 1187118C，CN102093157A）针对OCM过程，开发了Na2WO3-Mn/SiO2化剂，具有良好的应用前景。值得注意的是中科院大连化学物理研究所开发的无氧催化转化制乙烯技术（CN107335386A），获得了国内外的广泛关注。
高效催化剂的研发推进了OCM技术的工业化进程，但OCM过程强放热、温度分布不均等特点降低了催化剂的寿命。因此，开发一种高性能OCM反应器迫在眉睫。目前用于OCM反应工艺的反应器类型主要有固定床反应器和流化床反应器，流化床反应器具有温度均匀、高效移热、可在线更换催化剂、易大型化生产等优点，成为技术研发的重点。
发明内容
本发明旨在提供一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置和方法，具有甲烷高转化率、乙烯高选择性和高收率。
本发明提供了一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置，包括至少两个甲烷氧化偶联制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接有换热器；每个流化床底端设有主进气口和副进气口，主进气口与分布板相通，副进气口与分布管相通，第一流化床的主进气口与原料反应气管道想通，第二流化床与第一流化床的气体出口管连接；在流化床中下部内置有换热管，换热管设在流化床内壁的耐火材料内侧，在换热管底端有循环冷却介质进口，在换热管顶端有循环冷却介质出口；在分布板的上方有催化剂放料口，在换热管上方设有催化剂进料口；每个流化床的结构相同。
所述甲烷氧化偶联制乙烯的流化床设有2~5个，设有两个时，第一流化床、第一换热器、第二流化床、第二换热器依次串联连接。
所述的分布板可以是烧结板或多孔板。
所述的分布管可以是烧结筒或多孔管。
所述的分布管高度低于冷却介质出口的高度。
本发明提供了采用上述装置进行甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应方法，包括以下步骤：
（1）原料反应气分为三路，一路从第一流化床的主进气口进入反应器内部，另外两路分别从第一流化床的副进气口和第二流化床的副进气口进入反应器内部，第一流化床的产品气体从气体出口，通过换热器降温后进入第二流化床的主进气口，第二流化床的产品气体从气体出口排出，通过换热器冷却后排出界区；催化剂通过两个流化床上方的催化剂进料口加入，反应停止后可以从两个流化床底部的催化剂放料口排出；
（2）低温循环冷却介质分两路分别从第一流化床的冷却介质进口和第二流化床的冷却介质进口进入换热管，经过加热后的高温循环冷却介质从第一流化床的冷却介质出口和第二流化床的冷却介质出口流出；
（3）低温循环冷却介质分两路分别进入第一换热器和第二换热器，加热后的高温循环冷却介质流出界区。
上述方法中，所述的原料反应气可以是甲烷、氧气、氮气或它们的混合气体。
所述低温循环冷却介质包括水、水蒸汽中的一种或两者混合物。
上述方法中，催化剂的粒径为20~200μm；反应温度为600~800℃；反应压力为常压至1.0MPaG；空速为2000~20000h-1，烷氧比为2:1~8:1，氧氮比为2:1~1:5的条件下，甲烷转化率为＞35%，乙烯的选择性为＞55%。
本发明的有益效果：
（1）催化剂在流化床内处于流态化状态，有利于传质传热，保证流化床内温度均匀，避免了局部过热。
（2）原料气分级进入流化床反应器，增加了流化床运行调节手段，保证了流化床操作的安全稳定性。
（3）流化床的甲烷/氧气比例可调节，实现了原料甲烷的高转化率和产品乙烯的高选择性。
附图说明
图1是本发明流化床反应装置的结构示意图。
图中：1为第一流化床；2为第二流化床；1a为第一主进气口；2a为第二主进气口；1b为第一副进气口；2b为第二副进气口；1c为第一气体出口；2c为第二气体出口；1d为第一冷却介质进口；2d为第二冷却介质进口；1e为第一冷却介质出口；2e为第二冷却介质进口；1f为第一换热管；2f为第二换热管；1g为第一分布管；2g为第二分布管；1h为第一耐火材料；2h为第二耐火材料；1j为第一分布板；2j为第二分布板；1m为第一放料口；2m为第二放料口；1n为第一进料口；2n为第二进料口；3为第一换热器；4为第二换热器；5a为第一原料反应气；5b为第二原料反应气；6a为第一低温循环冷却介质；6b为第二低温循环冷却介质；7a为第一高温循环冷却介质；7b为第二高温循环冷却介质；8为产品气。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施例以两个流化床串联为例来说明本发明。
如图1所示，一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置，包括两个甲烷氧化偶联制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接有换热器；每个流化床底端设有主进气口和副进气口，主进气口与分布板相通，副进气口与分布管相通，第一流化床1的第一主进气口1a与原料反应气管道相通，第二流化床2与第一流化床的气体出口管连接；在流化床中下部内置有换热管，换热管设在流化床内壁的耐火材料内侧，在换热管底端有循环冷却介质进口，在换热管顶端有循环冷却介质出口；在分布板的上方有催化剂放料口，在换热管上方设有催化剂进料口；每个流化床的结构相同。
上述装置中，所述甲烷氧化偶联制乙烯的流化床设有2~5个，设有两个时，第一流化床、第一换热器、第二流化床、第二换热器依次串联连接。
上述装置中，所述的分布板是烧结板或多孔板。
上述装置中，所述的分布管是烧结筒或多孔管，且分布管高度低于冷却介质出口的高度。
如图1所示，开车前先将两个流化床烘炉至反应温度，分别从第一流化床1的第一进料口1n和第二流化床2的第二进料口2n加入催化剂，然后第二原料反应气5b从第一流化床1的第一主进气口1a进入反应器内部，第一原料反应气5a（第一原料反应气5a和第二原料反应气5b的气体组分、流量不同）分为两路分别从第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床2的第二副进气口2b进入反应器内部，第一流化床1产品气体从气体出口1c，通过第一换热器3降温后进入第二流化床2的第二主进气口2a，第二流化床2的产品气体从气体出口2c排出，通过第二换热器4冷却后排出界区。第一低温循环冷却介质6a分两路分别从第一流化床1的第一冷却介质进口1d和第二流化床2的第二冷却介质进口2d分别进入第一换热管1f、第二换热管2f，经过加热后的第一高温循环冷却介质7a从第一流化床1的第一冷却介质出口1e和第二流化床2的第二冷却介质出口2e流出。第二低温循环冷却介质6b（第二低温循环冷却介质6b和第一低温循环冷却介质6a的组分可以相同，也可以不同）分两路分别进入第一换热器3和第二换热器4，加热后的第二高温循环冷却介质7b流出界区。甲烷氧化偶联制乙烯反应是强放热过程，通过循环冷却介质移出多余热量，保证反应在最佳的反应条件下进行。
采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为80μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷，第一流化床1的第一副进气口2a和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为720℃，反应压力为常压，空速为2000h-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为42%，乙烯的选择性为58%。
实施例2
采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为100μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷，第一流化床1的第一副进气口2a和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为700℃，反应压力为0.5MPaG，空速为9000h-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为45%，乙烯的选择性为56%。
实施例3
采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为80μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷和氧气，第一流化床1的第一副进气口2a和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为720℃，反应压力为0.2MPaG，空速为5000h-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为44%，乙烯的选择性为59%。
实施例4
采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为50μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷和氧气，第一流化床1的第一副进气口2a和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为700℃，反应压力为0.8MPaG，空速为14000h-1，烷氧比为4:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为38%，乙烯的选择性为61%。

Claims (3)

1.一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置，其特征在于：包括至少两个甲烷氧化偶联制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接有换热器；每个流化床底端设有主进气口和副进气口，主进气口与分布板相通，副进气口与分布管相通，第一流化床的主进气口与原料反应气管道想通，第二流化床与第一流化床的气体出口管连接；在流化床中下部内置有换热管，换热管设在流化床内壁的耐火材料内侧，在换热管底端有循环冷却介质进口，在换热管顶端有循环冷却介质出口；在分布板的上方有催化剂放料口，在换热管上方设有催化剂进料口；每个流化床的结构相同；所述的分布板是烧结板或多孔板；所述的分布管是烧结筒或多孔管，且分布管高度低于冷却介质出口的高度；
所述甲烷氧化偶联制乙烯的流化床设有2~5个，设有两个时，第一流化床、第一换热器、第二流化床、第二换热器依次串联连接；
采用上述装置进行甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应方法，包括以下步骤：
（1）原料反应气分为三路，一路从第一流化床的主进气口进入反应器内部，另外两路分别从第一流化床的副进气口和第二流化床的副进气口进入反应器内部，第一流化床的产品气体从气体出口，通过换热器降温后进入第二流化床的主进气口，第二流化床的产品气体从气体出口排出，通过换热器冷却后排出界区；催化剂通过两个流化床上方的催化剂进料口加入，反应停止后从两个流化床底部的催化剂放料口排出；
（2）低温循环冷却介质分两路分别从第一流化床的冷却介质进口和第二流化床的冷却介质进口进入换热管，经过加热后的高温循环冷却介质从第一流化床的冷却介质出口和第二流化床的冷却介质出口流出；
（3）低温循环冷却介质分两路分别进入第一换热器和第二换热器，加热后的高温循环冷却介质流出界区。
2.一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应方法，采用权利要求1所述的甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置，其特征在于：包括以下步骤：
（1）原料反应气分为三路，一路从第一流化床的主进气口进入反应器内部，另外两路分别从第一流化床的副进气口和第二流化床的副进气口进入反应器内部，第一流化床的产品气体从气体出口，通过换热器降温后进入第二流化床的主进气口，第二流化床的产品气体从气体出口排出，通过换热器冷却后排出界区；催化剂通过两个流化床上方的催化剂进料口加入，反应停止后从两个流化床底部的催化剂放料口排出；
（2）低温循环冷却介质分两路分别从第一流化床的冷却介质进口和第二流化床的冷却介质进口进入换热管，经过加热后的高温循环冷却介质从第一流化床的冷却介质出口和第二流化床的冷却介质出口流出；
（3）低温循环冷却介质分两路分别进入第一换热器和第二换热器，加热后的高温循环冷却介质流出界区；
所述的原料反应气是甲烷、氧气、氮气或它们的混合气体；催化剂的粒径为20~200 μm；反应温度为600~800 ℃；反应压力为常压至1.0 MPaG；空速为2000~20000 h-1，烷氧比为2:1~8:1，氧氮比为2:1~1:5的条件下，甲烷转化率为＞35%，乙烯的选择性为＞55%。
3.根据权利要求2所述的甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应方法，其特征在于：所述低温循环冷却介质包括水、水蒸汽中的一种或两者混合物。
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