CN110227394A

CN110227394A - 一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器

Info

Publication number: CN110227394A
Application number: CN201910331432.3A
Authority: CN
Inventors: 李德宝; 房倚天; 李春玉; 郝振华; 林明桂; 徐奕丰; 贾丽涛; 侯博
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明涉及一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，包括流化床（9）、旋风分离器（13）和换热器（16），流化床（9）的反应腔外壁由有耐火材料（10）构成，流化床（9）底端设有主进气口（2）和副进气口（1），主进气口（2）与分布板（3）相通，二次风进气口与分配管相连，在流化床（9）中下部内置有第一换热管（5a），催化剂在反应器内处于流化状态，气体和颗粒的相对速度大，有利于传质传热，保证流化床内温度均匀，避免了局部过热。

Description

一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器

技术领域

本发明涉及一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，特别涉及甲烷一步法制乙烯的流化床反应器。

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，乙烯的需求量逐年增加。未来世界乙烯产能将继续较快增长，原料更加轻质化和多样化。天然气资源不仅来源丰富，而且清洁环保。甲烷是天然气、页岩气、煤层气、可燃冰的主要成分。长远来看，甲烷制乙烯技术具备较好的发展前景。

相比天然气间接转化法，甲烷氧化偶联（OCM）制乙烯只需一步反应即可将甲烷转化为乙烯，具有流程短和经济性好的优势，OCM技术的应用将是传统乙烯生产工艺变革过程中的一场革命，受到世界各国普遍重视。目前国内外研发单位通过改进催化剂性能和优化反应器结构，实现乙烯的高收率。国外OCM技术研发以美国Siluria公司最为典型，目前正在进行中试开发。国内中科院兰州化学物理研究所针对OCM过程，开发了Na₂WO₃-Mn/SiO₂催化剂，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，获得了国内外的广泛关注。

OCM技术的反应是强放热反应，反应过程中需要及时转移反应热，避免反应器局部过热，影响催化剂的催化活性，降低乙烯的收率。因此，选择合适反应器并能够及时移出反应热的控制工艺是OCM技术工程化研发的关键问题。目前用于OCM反应工艺的反应器类型主要有流化床反应器、固定床反应器、膜反应器等，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，成为研究和开发的重点。

发明内容

本发明的目的是针对甲烷氧化偶联制乙烯反应特性，提供一种具有甲烷高转化率、乙烯高选择性和高收率的甲烷氧化偶联制乙烯流化床反应器。

为了达到本发明的目的，采用技术方案如下：

一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，包括流化床（9）、旋风分离器（13）和换热器（16），流化床（9）的反应腔外壁由有耐火材料（10）构成（耐火材料是硅酸铝和氧化铝中的一种或者两种），流化床（9）底端设有主进气口（2）和副进气口（1），主进气口（2）与分布板（3）相通（分布板是烧结板或多孔板），二次风进气口与分配管相连，在流化床（9）中下部内置有第一换热管（5a），第一换热管（5a）在耐火材料（10）内侧，在第一换热管（5a）下方有第一循环冷却介质进口（4a）（所有的循环冷却介质都是水和水蒸汽混合物），在第一换热管（5a）上方有第一循环冷却介质出口（8a），分配管处于第一循环冷却介质进口（4a）和第一循环冷却介质出口（8a）之间，流化床（9）的顶端出口（11）与旋风分离器（13）的进口连接，旋风分离器（13）的固体出口通过料腿（15）与换热器（16）相连，在料腿（15）上设有进料口（14），换热器（16）底端设有吹送气口（17）和卸料口（18），换热器（16）内部有第二换热管（5b），换热器（16）下部设有第二循环冷却介质进口（4b），第二换热器（16）上部设有第二循环冷却介质出口（8b），换热器（16）通过返料管（20）与流化床（9）相连，返料管（20）上设有返料阀（19）。

所述二次风进气口和分配管都为1~4个。

所述的分配管管壁上沿着分配管长度方向均匀布置有4~20个布气孔（21）。

所述的换热器（16）用于降低固体催化剂的温度。

所述从主进气口（2）、副进气口（1）和二次风进口进入流化床（9）的原料反应气是甲烷、氧气、氮气的混合气体。

用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，开车前先将流化床9烘炉至反应温度，然后将原料反应气从主进气口2、副进气口1和二次风进口通入流化床9内，打开吹送气口17引入吹送气；并打开返料阀19，将催化剂从进料口14加入流化床9；打开流化床9、换热器16的第一和第二循环冷却介质进口和出口；催化剂与反应气在流化床9内呈流态化状态并发生催化反应；携带催化剂颗粒的气流在流化床9内向上运动，进入旋风分离器13，经旋风分离器13气固分离后，固体催化剂落入料腿15（圆筒），分离后的产品气从旋风分离器13的气体出口12排出；旋风分离器13分离下的固体催化剂首先进入料腿15，在通过换热器16降温，在返料阀19的控制下经返料管20返回流化床9，整个过程循环进行。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。

本发明的优点在于：

1、催化剂在反应器内处于流化状态，气体和颗粒的相对速度大，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、环形二次风的多点进气方式提高了反应器内原料的均匀分配，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、部分反应气通过二次风进入流化床内，保证了高甲烷转化率和乙烯选择性。

附图说明

图1是本发明流化床反应器的结构示意图；

图2是本发明分配管的结构示意图；

图3是图2是A-A剖面图

图中：1、副进气口，2、主进气口，3、分布板，4a、第一循环冷却介质进口，4b、第二循环冷却介质进口，5a、第一换热管，5b、第二换热管，6a、第一分配管，6b、第二分配管，7a、第一二次风进口，7b、第二二次风进口，8a、第一循环冷却介质出口，8b、第二循环冷却介质出口，9、流化床，10、耐火材料，11、流化床气体出口，12、旋风分离器气体出口，13、旋风分离器，14、进料口，15、料腿，16、换热器，17、吹送气口，18、卸料口，19、返料阀，20、返料管，21、布气孔。

具体实施方式

实施例1

一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，它是由流化床9、旋风分离器13和换热器16构成，流化床最外层有耐火材料10，流化床9底端设有主进气口2和副进气口1，与主进气口相通的是分布板3，在流化床9中下部内置有第一换热管5a，第一换热管5a在耐火材料10内，在第一换热管5a下方有第一循环冷却介质进口4a，在换热管上方有第一循环冷却介质出口8a，第一循环冷却介质进口4a和第一循环冷却介质出口8a之间有二次风进口，本实施例中，二次风进口有两个，第一二次风进口7a连接第一分配管6a，第二二次风进口7b连接第二分配管6b，流化床9顶端出口11与旋风分离器13的进口连接，旋风分离器13的固体出口通过圆筒状的料腿15与换热器16相连，在料腿15上设有进料口14，换热器16底端设有吹送气口17和卸料口18，换热器16内部有第二换热管5b，换热器16下部设有第二循环冷却介质进口4b，换热器16上部设有第二循环冷却介质出口8b，换热器16通过返料管20与流化床9相连，返料管20上设有返料阀19。

如图1所示，开车前先将流化床9烘炉至反应温度，然后将原料反应气从主进气口2、副进气口1和第一二次风进口7a、第二二次风进口7b通入流化床9内，打开吹送气口17引入吹送气（吹送气为氮气）；并打开返料阀19，将催化剂从进料口14加入流化床9；打开流化床9、换热器16的第一循环冷却介质进口4a、第二循环冷却介质进口4b和第一循环冷却介质出口8a、第二循环冷却介质出口8b；催化剂与反应气在流化床9内呈流态化状态并发生催化反应；携带催化剂颗粒的气流在流化床9内向上运动，进入旋风分离器13，经旋风分离器13气固分离后，固体催化剂落入料腿15，分离后的产品气从旋风分离器13的气体出口12排出；旋风分离器13分离下的固体催化剂首先进入料腿15，在通过换热器16降温，在返料阀19的控制下经返料管20返回流化床9，整个过程循环进行。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140μm的催化剂颗粒，以甲烷、氧气和氮气为反应气，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41%，乙烯的收率为24%。

实施例2

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，以甲烷、氧气和氮气为反应气，在反应温度为720℃，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46%，乙烯的收率为23%。

实施例3

采用图1所示的流化床反应器，循环冷却介质进口4a和出口8a之间有二个二次风进口7a、7b，与二次风进口7a、7b相连的是共二个分配管6a、6b，其余部分与实施例1相同。采用平均粒径为100μm的催化剂颗粒，以甲烷、氧气和氮气为反应气，在反应温度为680℃，反应压力为0.2MPaG，空速为4000h^-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为47%，乙烯的收率为26%。

实施例4

采用图1所示的流化床反应器，循环冷却介质进口4a和出口8a之间有二个二次风进口7a、7b，与二次风进口7a、7b相连的是共二个分配管6a、6b，其余部分与实施例1相同。采用平均粒径为50μm的催化剂颗粒，以甲烷、氧气和氮气为反应气，在反应温度为650℃，反应压力为0.8MPaG，空速为14000h^-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为48%，乙烯的收率为25%。

Claims

1.一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：包括流化床（9）、旋风分离器（13）和换热器（16），流化床（9）的反应腔外壁由有耐火材料（10）构成，流化床（9）底端设有主进气口（2）和副进气口（1），主进气口（2）与分布板（3）相通，二次风进气口与分配管相连，在流化床（9）中下部内置有第一换热管（5a），第一换热管（5a）在耐火材料（10）内侧，在第一换热管（5a）下方有第一循环冷却介质进口（4a），在第一换热管（5a）上方有第一循环冷却介质出口（8a），分配管处于第一循环冷却介质进口（4a）和第一循环冷却介质出口（8a）之间，流化床（9）的顶端出口（11）与旋风分离器（13）的进口连接，旋风分离器（13）的固体出口通过料腿（15）与换热器（16）相连，在料腿（15）上设有进料口（14），换热器（16）底端设有吹送气口（17）和卸料口（18），换热器（16）内部有第二换热管（5b），换热器（16）下部设有第二循环冷却介质进口（4b），第二换热器（16）上部设有第二循环冷却介质出口（8b），换热器（16）通过返料管（20）与流化床（9）相连，返料管（20）上设有返料阀（19）。

2.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：所述二次风进气口和分配管都为1~4个。

3.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：所述的分配管管壁上沿着分配管长度方向均匀布置有4~20个布气孔（21）。

4.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：所述的换热器（16）用于降低固体催化剂的温度。

5.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：所述从主进气口（2）、副进气口（1）和二次风进口进入流化床（9）的原料反应气都是甲烷、氧气、氮气的混合气体。

6.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：分布板是烧结板或多孔板。

7.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：第一循环冷却介质和第二循环冷却介质是水和水蒸汽。

8.如权利要求1所述一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应器，其特征在于：耐火材料为硅酸铝和氧化铝中的一种或者两种混合物。