CN111606771B - 一种甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法 - Google Patents

一种甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法，属于石油化工技术领域。该装置包括提升管反应器和流化床反应器，提升管反应器的一端设有轻烃进料口和催化剂进口，另一端与流化床反应器连通，流化床反应器与提升管反应器连通的一端设有甲醇进料口。上述装置使用提升管和流化床相结合的串联反应器，能实现轻烃裂化反应与甲醇裂化反应的耦合，确保了轻烃裂解所需的气固接触时间，提高了低碳烯烃的单程收率。采用上述装置，将轻烃与第一催化剂于提升管反应器内接触并发生裂解反应，生成的低碳烯烃与反应后的第一催化剂进入流化床反应器与甲醇接触并反应，两种反应共用一种催化剂和一个反应器，实现能量和反应的耦合，达到多产低碳烯烃的目的。

Description

一种甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法
技术领域
本发明涉及石油化工技术领域，具体而言，涉及一种甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法。
背景技术
乙烯、丙烯等低碳烯烃是石油化工行业的重要原料。低碳烯烃的生产技术包括蒸汽裂解、催化裂化、丙烷脱氢、甲醇制烯烃、烯烃歧化和轻烃催化裂解等技术。目前，低碳烯烃的生产主要采用蒸汽裂解工艺，其原料通常为直馏石脑油、加氢裂化石脑油、加氢轻蜡油和来自重整装置的拔头油。经过几十年的发展，蒸气裂解已经成为一项极为成熟的技术，但是仍在存在以下问题：反应能耗高，低碳烯烃产率较低。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一包括提供一种甲醇与轻烃耦合裂解装置，能实现轻烃裂化反应与甲醇裂化反应的耦合，提高低碳烯烃的单程收率。
本发明的目的之二包括提供一种甲醇与轻烃耦合裂解方法，将轻烃催化裂解反应与甲醇转化反应共同使用一种催化剂和一个反应器，实现能量和反应的耦合，达到多产低碳烯烃的目的。
本发明是这样实现的：
第一方面，本申请提供一种甲醇与轻烃耦合裂解装置，包括提升管反应器和流化床反应器。
提升管反应器的一端设有轻烃进料口和催化剂进口，提升管反应器的另一端与流化床反应器连通，流化床反应器与提升管反应器连通的一端设有甲醇进料口。
在可选的实施方式中，流化床反应器的直径与提升管反应器直径之比为1.2-5:1。
在可选的实施方式中，甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括沉降器以及再生器。
流化床反应器的远离提升管反应器的一端与沉降器的入料口连通，沉降器的出料口与再生器连通。
在可选的实施方式中，沉降器的上部设有分离段，分离段内设有与流化床反应器连通的沉降器旋风分离器，分离段的顶部设有集气室以及与集气室连通的产品物流出口。
在可选的实施方式中，沉降器的下部设有汽提段，汽提段的两端分别与沉降器旋风分离器以及再生器连通。
在可选的实施方式中，沉降器还设有料腿，汽提段和再生器通过料腿连通。
在可选的实施方式中，甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括再生催化剂斜管换热器、第一再生斜管和第二再生斜管，再生器设有再生催化剂第一出口，第一再生斜管的两端分别与再生催化剂第一出口和再生催化剂斜管换热器的入口连通，第二再生斜管的两端分别与再生催化剂斜管换热器的出口和提升管反应器连通。
在可选的实施方式中，第一再生斜管与再生催化剂第一出口的连接处高于第二再生斜管与提升管反应器的连接处。
在可选的实施方式中，甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括脱气罐、第三再生斜管和第四再生斜管，再生器设有再生催化剂第二出口，脱气罐的底部和顶部分别设有催化剂出口和气体出口，第三再生斜管的两端分别与再生催化剂第二出口和脱气罐的入口连通，第四再生斜管的两端分别与脱气罐的催化剂出口和流化床反应器连通，脱气罐的气体出口与再生器连通。
在可选的实施方式中，第三再生斜管与再生催化剂第二出口的连接处高于第四再生斜管与流化床反应器的连接处。
在可选的实施方式中，再生器内还设有用于分离再生烟气的再生器旋风分离器。
第二方面，本申请还提供一种甲醇与轻烃耦合裂解的方法，包括以下步骤：
采用上述甲醇与轻烃耦合裂解装置，将轻烃与第一催化剂于提升管反应器内接触并发生裂解反应，生成低碳烯烃及其他产物，反应产物与反应后的第一催化剂经提升管反应器进入流化床反应器与流化床反应器内的甲醇接触并反应。
在可选的实施方式中，第一催化剂为分子筛催化剂，优选地，分子筛为ZSM-5。
在可选的实施方式中，提升管反应器内的反应条件包括：反应温度为600-650℃，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa。
在可选的实施方式中，流化床反应器内的反应条件包括：反应温度为570-650℃，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa。
在可选的实施方式中，当甲醇与轻烃耦合裂解装置包括再生器、第一再生斜管、第二再生斜管、第三再生斜管和第四再生斜管时，将再生器内的部分再生催化剂作为第一催化剂经第一再生斜管以及第二再生斜管输入提升管反应器与轻烃反应，生成低碳烯烃及其他产物，再生器内的部分再生催化剂作为第二催化剂经第三再生斜管以及第四再生斜管输入流化床反应器与经提升管反应器进入流化床反应器内的低碳烯烃和第一催化剂以及流化床反应器内的甲醇接触并反应。
在可选的实施方式中，第一催化剂的质量为再生催化剂循环总量的50-80％。
在可选的实施方式中，第二催化剂的质量为再生催化剂循环总量的20-50％。
在可选的实施方式中，第一再生斜管中第一催化剂的质量流量以及第二再生斜管中第一催化剂的质量流量与进入提升管反应器的轻烃的质量流量之比均为15-30：1。
在可选的实施方式中，轻烃的馏程为20-220℃。
在可选的实施方式中，第三再生斜管中第二催化剂的质量流量以及第四再生斜管中第二催化剂的质量流量与进入流化床反应器的甲醇的质量流量之比均为5-8：1。
在可选的实施方式中，当甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括沉降器时，流化床反应器内反应后的产物和催化剂进入沉降器内，经沉降器旋风分离器气固分离，分离后的产物进入沉降器的分离段，积碳的催化剂经沉降器的汽提段汽提后进入再生器再生。
在优选的实施方式中，再生器内再生后的催化剂作为新的第一催化剂和新的第二催化剂分别输入至提升管反应器和流化床反应器。
本申请的有益效果包括：
甲醇与轻烃耦合裂解装置中将提升管反应器和流化床反应器相结合作为串联反应器，可实现轻烃裂化反应与甲醇裂化反应的耦合，确保了轻烃裂解所需的气固接触时间，提高了低碳烯烃的单程收率。采用上述装置，将轻烃催化裂解反应与甲醇转化反应共用一种催化剂和一个反应器，实现能量和反应的耦合，达到多产低碳烯烃的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的甲醇与轻烃耦合裂解装置的结构示意图。
附图标记：1-轻烃进料管线；2-提升管反应器；3-再生催化剂斜管换热器；4-第一再生斜管；5-甲醇进料管线；6-流化床反应器；7-脱气罐；8-再生器；9-再生器旋风分离器；10-汽提段；11-沉降器旋风分离器；12-沉降器；13-集气室；14-产品物流出口管线；15-第三再生斜管；16-第四再生斜管；17-第二再生斜管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的甲醇与轻烃耦合裂解装置及方法进行具体说明。
发明人经研究发现：轻烃催化裂解工艺具有较高的低碳烯烃产率，与管式炉蒸汽裂解工艺相比反应温度显著降低(反应温度在600℃-700℃之间)，但其是一个强吸热的反应过程。由于轻烃裂解生焦低，自身热量难以平衡，因此该工艺过程需要不断补热。而甲醇制烯烃工艺是一个强放热过程。轻烃催化裂解和甲醇制烯烃工艺均可使用酸性分子筛催化剂，将轻烃与甲醇共裂解，可通过甲醇转化反应为轻烃催化裂解提供必要的热量，实现能量的耦合，降低工艺能耗。轻油裂解过程中引入甲醇，易进行的甲醇转化反应会带动不容易进行的轻烃裂解反应，降低轻烃裂解反应的苛刻度，实现轻烃裂解反应与甲醇裂化反应的耦合，提高低碳烯烃的收率。
鉴于此，本申请提出一种甲醇与轻烃耦合裂解装置，其包括提升管反应器2和流化床反应器6。
提升管反应器2的一端设有轻烃进料口和催化剂进口，提升管反应器2的另一端与流化床反应器6连通，流化床反应器6与提升管反应器2连通的一端设有甲醇进料口。
其中，轻烃进料口和催化剂进口均设置于提升管反应器2的下端，较佳地，轻烃进料口位于催化剂进口的上方，轻烃可通过与轻烃进料口连通的轻烃进料管线1输入至提升管反应器2内。流化床反应器6中的甲醇可通过与甲醇进料口连通的甲醇进料管线5输入至流化床反应器6内。
在可选的实施方式中，流化床反应器6的直径与提升管反应器2的直径之比可以为1.2-5:1，如1.2:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1或5:1等。
轻烃经过轻烃进料管线1进入提升管反应器2，与催化剂(分子筛催化剂)接触，发生裂解反应，生成低碳烯烃及其他产物，反应产物与催化剂一起快速经过提升管反应器2进入流化床反应器6，甲醇经过甲醇进料管线5进入流化床反应器6，与轻烃裂解产物和分子筛催化剂在流化床反应器6内混合，发生甲醇转化反应。
值得说明的是，进入流化床反应器6内的催化剂可以仅为由提升管反应器2提升而来的催化剂，也可以是额外通入流化床反应器6的新的催化剂，还可以是上述两种催化剂的结合。
进一步地，本申请中的甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括沉降器12以及再生器8。
流化床反应器6的远离提升管反应器2的一端与沉降器12的入料口连通，沉降器12的出料口与再生器8连通。
在可选的实施方式中，沉降器12的上部设有分离段，分离段内设有与流化床反应器6(与流化床反应器6的远离提升管反应器2的一端)连通的沉降器旋风分离器11，分离段的顶部设有集气室13以及与集气室13连通的产品物流出口。
在可选的实施方式中，流化床反应器6的远离提升管反应器2的一端连接输送管，输送管的另一端伸入至沉降器12的内部并与沉降器旋风分离器11连通。甲醇转化反应所得的反应产物与待生催化剂从流化床反应器6内流出后进入沉降器12内，经过沉降器旋风分离器11实现反应产物与待生催化剂的分离，反应产物进入集气室13，之后从产品物流出口经产品物流出口管线14进入下一操作单元。
在可选的实施方式中，沉降器12的下部设有汽提段10，汽提段10的两端分别与沉降器旋风分离器11以及再生器8连通。
在可选的实施方式中，沉降器12还设有料腿，汽提段10和再生器8通过料腿连通。待生催化剂经过汽提段10汽提后经过料腿进入再生器8。
在可选的实施方式中，甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括再生催化剂斜管换热器3、第一再生斜管4和第二再生斜管17，再生器8设有再生催化剂第一出口，第一再生斜管4的两端分别与再生催化剂第一出口和再生催化剂斜管换热器3的入口连通，第二再生斜管17的两端分别与再生催化剂斜管换热器3的出口和提升管反应器2连通。
其中，再生催化剂第一出口可设置于再生器8的下部，较佳地，第一再生斜管4与再生催化剂第一出口的连接处高于第二再生斜管17与提升管反应器2的连接处。
在可选的实施方式中，甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括脱气罐7、第三再生斜管15和第四再生斜管16，再生器8设有再生催化剂第二出口，脱气罐7的底部和顶部分别设有催化剂出口和气体出口，第三再生斜管15的两端分别与再生催化剂第二出口和脱气罐7的入口连通，第四再生斜管16的两端分别与脱气罐7的催化剂出口和流化床反应器6连通，脱气罐7的气体出口与再生器8连通。
其中，再生催化剂第二出口可设置于再生器8的中上部，较佳地，第三再生斜管15与再生催化剂第二出口的连接处高于第四再生斜管16与流化床反应器6的连接处。
在可选的实施方式中，再生器8内还设有用于分离再生烟气的再生器旋风分离器9。
由此，再生器8内的一部分再生剂由第一再生斜管4输入至再生催化剂斜管换热器3加热后再经第二再生斜管17进入提升管反应器2底部，经过提升后与轻烃原料接触，再生器8内的另一部分再生剂经过第三再生斜管15输入至脱气罐7后再经第四再生斜管16进入流化床反应器6，再生烟气经过再生器旋风分离器9分离并进入下一操作单元。
此外，本申请还对应提供一种甲醇与轻烃耦合裂解的方法，其主要包括以下步骤：
采用上述甲醇与轻烃耦合裂解装置，将轻烃与第一催化剂于提升管反应器2内接触并发生裂解反应，生成低碳烯烃及其他产物，反应产物与反应后的第一催化剂经提升管反应器2进入流化床反应器6与流化床反应器6内的甲醇接触并反应。
在可选的实施方式中，第一催化剂为分子筛催化剂，优选地，分子筛为ZSM-5。
在可选的实施方式中，提升管反应器2内的反应条件例如可以包括：反应温度为600-650℃(如600℃、610℃、620℃、630℃、640℃或650℃等)，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa(如0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa或0.3MPa等)。
在可选的实施方式中，流化床反应器6内的反应条件例如可以包括：反应温度为570-650℃(如570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃或650℃等)，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa(如0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa或0.3MPa等)。
在可选的实施方式中，当甲醇与轻烃耦合裂解装置包括上述的再生器8、第一再生斜管4、第二再生斜管17、第三再生斜管15和第四再生斜管16时，将再生器8内的部分再生催化剂作为第一催化剂经第一再生斜管4以及第二再生斜管17输入提升管反应器2以与轻烃反应，生成低碳烯烃及其他产物，再生器8内的部分再生催化剂作为第二催化剂经第三再生斜管15以及第四再生斜管16输入流化床反应器6与经提升管反应器2进入流化床反应器6内的述低碳烯烃和第一催化剂以及流化床反应器6内的甲醇接触并反应。
在可选的实施方式中，第一催化剂的质量可以为再生催化剂循环总量的50-80％(如50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％等)。
在可选的实施方式中，第二催化剂的质量可以为再生催化剂循环总量的20-50％(如20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％等)。
在可选的实施方式中，第一再生斜管4中第一催化剂的质量流量以及第二再生斜管17中第一催化剂的质量流量与进入提升管反应器2的轻烃的质量流量之比均可以为15-30：1，如15:1、20:1、25:1或30:1等。
在可选的实施方式中，轻烃的馏程可以为20-220℃，如20℃、50℃、100℃、150℃、200℃或220℃等。
在可选的实施方式中，第三再生斜管15中第二催化剂的质量流量以及第四再生斜管16中第二催化剂的质量流量与进入流化床反应器6的甲醇的质量流量之比均可以为5-8：1，如5:1、6:1、7:1或8:1等。
在可选的实施方式中，当甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括沉降器12时，流化床反应器6内反应后的产物和催化剂进入沉降器12内，经沉降器旋风分离器11气固分离，分离后的产物进入沉降器12的分离段，积碳的催化剂经沉降器12的汽提段10汽提后进入再生器8再生。
在优选的实施方式中，再生器8内再生后的催化剂作为新的第一催化剂和新的第二催化剂分别输入至提升管反应器2和流化床反应器6。
承上，轻烃裂解与甲醇制烯烃的耦合方法为：轻烃进入提升管反应器2，与再生器8来的高温分子筛催化剂接触，发生裂解反应，生成低碳烯烃及其他产物，反应产物及催化剂快速经过提升管反应器2，进入流化床反应器6，同时裂解反应导致油剂温度降低，催化剂活性下降；反应产物及催化剂进入流化床反应器6后，与高温的再生剂和甲醇原料接触，并在流化床反应器6下部混合，催化剂活性中心得到补充，同时由于发生甲醇转化反应释放热量，使油剂混合温度提高，促进轻烃进一步裂解；轻烃、甲醇和反应产物在流化床反应器6内充分反应后，产物与催化剂进入沉降器12内，经过气固分离后，产物进入分离单元，积碳的催化剂经过汽提后进入再生器8内再生。
通过上述方法将轻烃裂化反应与甲醇裂化反应耦合在一起，两种反应共用一种催化剂和一个反应器，实现能量和反应的耦合，达到多产低碳烯烃的目的。同时，本申请中采用提升管和流化床相结合的串联反应器，确保了轻烃裂解所需要的气固接触时间，提高了低碳烯烃的单程收率。因此，采用本发明的方法，可以实现提高低碳烯烃收率的目的。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
在如图1所示的甲醇与轻烃耦合裂解装置中，轻烃进料为直馏石脑油，直馏石脑油性质见表1。第一再生斜管中第一催化剂的质量流量以及第二再生斜管中第一催化剂的质量流量与进入提升管反应器的直馏石脑油的质量流量比为30:1，再生剂温度为700℃，提升管反应器的入口温度为680℃，出口温度为630℃，反应压力为0.1MPa。流化床反应器的入口温度为630℃，出口温度为600℃，反应压力为0.1MPa，第三再生斜管中第二催化剂的质量流量以及第四再生斜管中第二催化剂的质量流量与进入流化床反应器的甲醇的质量流量之比为8:1。催化剂采用ZSM-5，硅铝比为50。产品分布数据见表2。
对比例1
按照实施例1的条件，但较实施例提供的甲醇与轻烃耦合裂解装置不设置甲醇进料管线(也即在轻油裂解过程中不引入甲醇)。
表1直馏石脑油性质
Figure BDA0002534333910000111
表2产品分布对比
Figure BDA0002534333910000112
Figure BDA0002534333910000121
从表2数据对比情况可见，实施例1的乙烯和丙烯产率达到43.1％重量，显著高于对比例1的35.3％重量。将轻烃裂化反应与甲醇裂化反应耦合在一起，用易进行的甲醇转化反应会带动不容易进行的轻烃裂解反应，可以显著提升乙烯和丙烯产率。
综上所述，本申请的甲醇与轻烃耦合裂解装置中将提升管反应器和流化床反应器相结合作为串联反应器，可实现轻烃裂化反应与甲醇裂化反应的耦合，确保了轻烃裂解所需的气固接触时间，提高了低碳烯烃的单程收率。采用上述装置，将轻烃催化裂解反应与甲醇转化反应共用一种催化剂和一个反应器，实现能量和反应的耦合，达到多产低碳烯烃的目的。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种甲醇与轻烃耦合裂解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用甲醇与轻烃耦合裂解装置，将轻烃与第一催化剂于提升管反应器内接触并发生裂解反应，生成低碳烯烃及其他产物，反应产物与反应后的第一催化剂经提升管反应器进入流化床反应器与流化床反应器内的甲醇接触并反应；将再生器内的部分再生催化剂作为第一催化剂经第一再生斜管以及第二再生斜管输入提升管反应器与轻烃反应，生成低碳烯烃及其他产物，再生器内的部分再生催化剂作为第二催化剂经第三再生斜管以及第四再生斜管输入流化床反应器与经提升管反应器进入流化床反应器内的低碳烯烃和第一催化剂以及流化床反应器内的甲醇接触并反应；流化床反应器内反应后的产物和催化剂进入沉降器内，经沉降器旋风分离器气固分离，分离后的产物进入沉降器的分离段，积碳的催化剂经沉降器的汽提段汽提后进入再生器再生；再生器内再生后的催化剂作为新的第一催化剂和新的第二催化剂分别输入至提升管反应器和流化床反应器；
所述甲醇与轻烃耦合裂解装置包括提升管反应器和流化床反应器；所述提升管反应器的一端设有轻烃进料口和催化剂进口，所述提升管反应器的另一端与所述流化床反应器连通，所述流化床反应器与所述提升管反应器连通的一端设有甲醇进料口；
所述甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括沉降器以及再生器；所述流化床反应器的远离所述提升管反应器的一端与所述沉降器的入料口连通，所述沉降器的出料口与所述再生器连通；
所述沉降器的上部设有分离段，所述分离段内设有与所述流化床反应器连通的沉降器旋风分离器，所述分离段的顶部设有集气室以及与所述集气室连通的产品物流出口；
所述沉降器的下部设有汽提段，所述汽提段的两端分别与所述沉降器旋风分离器以及所述再生器连通；
所述沉降器还设有料腿，所述汽提段和所述再生器通过所述料腿连通；
所述甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括再生催化剂斜管换热器、第一再生斜管和第二再生斜管，所述再生器设有再生催化剂第一出口，所述第一再生斜管的两端分别与所述再生催化剂第一出口和所述再生催化剂斜管换热器的入口连通，所述第二再生斜管的两端分别与所述再生催化剂斜管换热器的出口和所述提升管反应器连通；
所述第一再生斜管与所述再生催化剂第一出口的连接处高于所述第二再生斜管与所述提升管反应器的连接处；
所述甲醇与轻烃耦合裂解装置还包括脱气罐、第三再生斜管和第四再生斜管，所述再生器设有再生催化剂第二出口，所述脱气罐的底部和顶部分别设有催化剂出口和气体出口，所述第三再生斜管的两端分别与所述再生催化剂第二出口和所述脱气罐的入口连通，所述第四再生斜管的两端分别与所述脱气罐的所述催化剂出口和所述流化床反应器连通，所述脱气罐的所述气体出口与所述再生器连通；
所述第三再生斜管与所述再生催化剂第二出口的连接处高于所述第四再生斜管与所述流化床反应器的连接处；
所述再生器内还设有用于分离再生烟气的再生器旋风分离器；
所述流化床反应器的直径与所述提升管反应器径之比为1.2-5:1；
所述第一催化剂为分子筛催化剂；
所述提升管反应器内的反应条件包括：反应温度为600-650℃，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa；
所述流化床反应器内的反应条件包括：反应温度为570-650℃，反应压力以表压计为0.1-0.3MPa；
所述第一催化剂的质量为所述再生催化剂循环总量的50-80％；所述第二催化剂的质量为所述再生催化剂循环总量的20-50％；
所述第一再生斜管中所述第一催化剂的质量流量以及所述第二再生斜管中所述第一催化剂的质量流量与进入所述提升管反应器的所述轻烃的质量流量之比均为15-30：1；
所述轻烃的馏程为20-220℃；
所述第三再生斜管中所述第二催化剂的质量流量以及所述第四再生斜管中所述第二催化剂的质量流量与进入所述流化床反应器的所述甲醇的质量流量之比均为5-8：1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分子筛为ZSM-5。
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