CN112808181B - 一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及甲烷转化技术领域，一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，包括喷嘴、锥形底、导流筒、壳体、气体分布器、旋风分离器、换热器和返料装置，所述的喷嘴位于锥形底底部，锥形底位于壳体底部，导流筒置于壳体中且处于下部，气体分布器横贯壳体且其竖直中心线与导流筒中心线重合，壳体顶端设置壳体顶端气体出口与旋风分离器（8）的上部相连通。本发明利用喷嘴、锥形底、导流筒和气体分布器形成物料的强制内环流，能促进物料的规则运动，减小返混，强化传质、传热，有助于反应器内温度均匀分布，提高催化剂利用率和产品收率。

Description

一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器

技术领域

本发明涉及甲烷转化技术领域，特别是涉及一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器。

背景技术

乙烯是一种重要的基础有机化工产品及原料，其生产水平是衡量一个国家化工实力的重要指标。目前乙烯生产以石脑油裂解为主，存在成本、能耗较高及温室气体排放等问题。随着国际经济的发展，乙烯生产原料趋向于轻质化和多元化。甲烷氧化偶联（OCM）一步法直接制乙烯技术具有路线简单、经济性良好等优势，是一种发展前景广阔的乙烯生产技术，对我国能源结构优化有重大意义。

OCM反应是高温（750~950℃）下的强放热反应，乙烯收率对温度敏感度高。如何移除反应过程中的剧烈放热量是该技术工程化的关键。目前OCM反应器主要有固定床、流化床和膜反应器等。

传统固定床反应器技术成熟，在实施过程中常辅以多段冷激、控制原料量和添加稀释气等措施来控制床层温度，但针对OCM快速强放热的反应特点，实际生产过程中仍存在温度控制困难问题。公开号为CN 106732201 B公开了一种OCM薄层固定床反应器，包含至少两段的反应段床层，每段床层由1~2层催化剂组成,高度为20~40 mm，每段反应段间通过急冷换热器连接。这种反应器虽然克服了轴向温度梯度问题，但径向仍存在温度分布不均等问题，且各床层间温度控制较复杂，设备和操作成本较高。

流化床利用气固间的剧烈运动能有效强化传质、传热过程，消除反应器内热点。公开号为CN 108530248 A公开申请了一种OCM流化床装置，包含流化区和沉降区，流化区内包含换热器和气体分布器，沉降区内设置多个旋风分离器。该反应器虽然能有效消除热点，但反应器内气体返混严重，加剧二次反应过程，影响乙烯选择性。

Jaso（2011年，2011.03.23）提出了一种辅助流化床的膜反应器，通过膜控制氧气进料量，进而控制反应器温度和反应程度。虽然该膜反应器能实现温度的均匀分布和高乙烯收率，但工业化中膜的再生和污染问题不可避免。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，以解决反应器内温度分布不均、返混严重、乙烯收率低的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，包括喷嘴（1）、锥形底（2）、导流筒（5）、壳体（3）、气体分布器（4）、旋风分离器（8）、换热器（10）和返料装置，所述的喷嘴（1）位于锥形底（2）底部，锥形底（2）位于壳体（3）底部，导流筒（5）置于壳体（3）中且处于下部，气体分布器（4）横贯壳体（3）且其竖直中心线与导流筒（5）中心线重合，壳体（3）顶端设置壳体顶端气体出口（6）与旋风分离器（8）的上部相连通，旋风分离器（8）顶部设有产品气出口（7），旋风分离器（8）的底部的催化剂颗粒通过其底部的料腿（9）经过换热器（10）换热后通入返料装置进入锥形底（2）中，返料装置包含返料阀（11）、二次风进气口（12）、卸料阀（13）、返料管（14）及料腿（9）下部。

所述喷嘴（1）喷射气速为10~80 m/s，喷嘴（1）为一个或者多个。

所述锥形底（2）锥底角为50~70°。

所述导流筒（5）的直径与壳体（3）的直径比值为0.5~0.8；所述导流筒（5）的高度与壳体（3）高度比值为0.4~0.7；所述导流筒（5）的底部到壳体（3）底部的距离与壳体（3）直径比为-0.3~0.3，负值代表导流筒（5）的底部处于壳体（3）的底部之下。

所述气体分布器（4）为双环形气体分布器，气体分布器内环（16）处于导流筒（5）内部，气体分布器外环（19）处于导流筒（5）和壳体（3）之间，气体分布器内环（16）和气体分布器外环（19）通过4根依次成90°的导管（18）连接，气体气体分布器内环（16）均布有内环向上喷孔（15），气体分布器外环（19）上均布外环向下喷孔（20），内环向上喷孔（15）数量大于等于4且小于外环向下喷孔（20）数量，外环向下喷孔（20）数量小于等于28。

所述换热器（10）冷却介质为水。

所述二次风进气口（12）具有两种功能模式，分别为进气模式和进催化剂模式。

所述喷嘴（1）、气体分布器（4）和二次风进气口（12）的气体组成为甲烷、氧气、氮气的混合物。

所述喷嘴（1）的气体中甲烷体积百分比大于90%，所述气体分布器（4）和二次风进气口（12）的气体中氧气、氮气的气体百分比大于90%。

本发明的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器工作原理是：根据反应器结构，将反应器划分为锥形底区、环流区、气固分离区、旋风分离区和返料区。反应原料气通过喷嘴喷射进入锥形底，喷嘴产生的动能推动催化剂颗粒向上运动进入环流区的导流筒内，物料离开导流筒后一部分进入气固分离区、一部分进入导流筒和壳体环隙内，导流筒与环隙间气体和颗粒混合物的浓度差形成循环推动力，此外，利用气体分布器内、外环不同的进气方向加强循环和提供二次原料气，操作过程中，根据产物收率调整气体分布器的进气量。通过喷射、环流作用能强制气体和固体的有序内循环，减小返混。进入气固分离区的物料由于流道变宽，速度下降，从而分离气体和固体催化剂，大粒径固体返回环流区，气体和难分离的小粒径固体进入旋风分离区进一步分离。小粒径固体催化剂经换热器冷却后通过返料区返回反应器底部。返料区设置二次风进气口，通过控制二次风进气量来辅助调控产品收率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、利用喷嘴、锥形底、导流筒和气体分布器形成物料的强制内环流，能促进物料的规则运动，减小返混，强化传质、传热，有助于反应器内温度均匀分布，提高催化剂利用率和产品收率；

2、通过喷嘴、气体分布器、二次风进气口组成三级气体调控机制，控制反应器内氧气浓度，有效减少深度反应，提高乙烯收率；

3、所提出用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器结构简单，操作弹性大，易于工程放大。

附图说明

图1为OCM喷射环流反应器的结构示意图；

图2为气体分布器俯视图；

其中：1-喷嘴，2-锥形底，3-壳体，4-气体分布器，5-导流筒，6-壳体顶端气体出口，7-产品气出口，8-旋风分离器，9-料腿，10-换热器，11-返料阀，12-二次风进口，13-卸料阀，14-返料管，15-内环向上喷孔，16-环形分布器内环，17-进气口，18-导管，19-环形分布器外环，20-外环向下喷孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1

一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，分为锥形底区、环流区、气固分离区、旋风分离区和返料区。锥形底区包含喷嘴1和锥形底2；环流区包含壳体3中下部空间、气体分布器4和导流筒5；气固分离区包含壳体3上部空间；旋风分离区包含旋风分离器8；返料区包含料腿9、换热器10、返料阀11、二次风进口12、卸料阀13和返料管14。

如图1所示，喷嘴1位于锥形底2底部，锥形底2位于壳体3底部，导流筒5置于壳体3中下部，气体分布器4横贯壳体3且其竖直中心线与导流筒5中心线重合，壳体3顶端设置壳体顶端气体出口6并与旋风分离器8上部相连，旋风分离器8顶部设有产品气出口7，旋风分离器8底部连接料腿9，料腿9中部设置换热器10并，料腿9下部与返料装置的返料阀11相连，料腿9底端设置卸料阀13，二次风进口12和返料管14的中心线在同一直线上，返料管14和锥形底2连接。

在具体反应过程中，开车前将反应器整体加热至反应温度，反应原料气通过喷嘴1喷射进入锥形底2，通过二次风进气口12添加催化剂至目标值后切换二次风进气口12为进气模式。喷嘴1产生的动能推动催化剂颗粒向上运动进入环流区的导流筒5内，物料离开导流筒5后一部分进入气固分离区、一部分进入导流筒5和壳体3间的环隙区，副原料气通过进气口17进入双环形气体分布器4后经由环形分布器内环16和环形分布器外环19及其之间的导管18重新分布，重新分布后的副原料气一部分从环形分布器内环16的内环向上喷孔15向上喷射进入导流筒5区，另一部分从环形分布器外环19的外环向下喷孔20向下喷射进入环隙区。导流筒5内部与环隙间气体和颗粒混合物的浓度差形成循环推动力促进气体和固体的有序内循环，减小返混。进入气固分离区的物料由于流道变宽，速度下降，从而分离气体和固体催化剂，大粒径固体返回环流区，气体和难分离的小粒径固体通过壳体顶端气体出口6进入旋风分离8进一步分离，其中产品气从旋风分离器8顶端的产品气出口7排出，小粒径固体催化剂从旋风分离器8底部沉降进入料腿9,并经过换热器10冷却后通过返料管14返回反应器底部。换热器10中的冷却介质为水。在操作过程中，调整喷嘴1、气体分布器4和二次风进气口12的气体含量来调控产品收率。当需要更换或补充催化剂时，可切换二次风进气口12为进催化剂模式以实现在线不停车操作。

采用如图1的OCM喷射环流反应器，催化剂平均粒径为100μm， 反应温度800℃，常压操作，通过喷嘴的气体成分主要为甲烷，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分主要为氧气和氮气，体积空速为6000 h^-1,甲烷：氧气：氮气摩尔比为3:1:1的条件下，甲烷转化率为45%，乙烯收率为28%。

实施例2

与实施例1不同之处在于：催化剂平均粒径为100μm， 反应温度850℃，常压操作，通过喷嘴的气体成分主要为甲烷，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分主要为氧气和氮气，体积空速为8000 h^-1,甲烷：氧气：氮气摩尔比为3:1:1的条件下，甲烷转化率为47%，乙烯收率为31%。

实施例3

与实施例1不同之处在于：催化剂平均粒径为150μm， 反应温度800℃，操作压力为5 bar，通过喷嘴的气体成分主要为甲烷和氧气，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分主要为氧气和氮气，体积空速为6000 h^-1,甲烷：氧气：氮气摩尔比为3:1:1的条件下，甲烷转化率为46%，乙烯收率为27%。

实施例4

与实施例1不同之处在于：催化剂平均粒径为80μm， 反应温度800℃，常压操作，通过喷嘴的气体成分主要为甲烷和氧气，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分主要为氧气和氮气，体积空速为10000 h^-1,甲烷：氧气：氮气摩尔比为5:1:1的条件下，甲烷转化率为47%，乙烯收率为26%。

Claims (6)

1.一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：包括喷嘴（1）、锥形底（2）、导流筒（5）、壳体（3）、气体分布器（4）、旋风分离器（8）、换热器（10）和返料装置，所述的喷嘴（1）位于锥形底（2）底部，锥形底（2）位于壳体（3）底部，导流筒（5）置于壳体（3）中且处于下部，气体分布器（4）横贯壳体（3）且其竖直中心线与导流筒（5）中心线重合，壳体（3）顶端设置壳体顶端气体出口（6）与旋风分离器（8）的上部相连通，旋风分离器（8）顶部设有产品气出口（7），旋风分离器（8）的底部的催化剂颗粒通过其底部的料腿（9）经过换热器（10）换热后通入返料装置进入锥形底（2）中，返料装置包含返料阀（11）、二次风进气口（12）、卸料阀（13）、返料管（14）及料腿（9）下部；所述气体分布器（4）为双环形气体分布器，气体分布器内环（16）处于导流筒（5）内部，气体分布器外环（19）处于导流筒（5）和壳体（3）之间，气体分布器内环（16）和气体分布器外环（19）通过4根依次成90°的导管（18）连接，气体分布器内环（16）均布有内环向上喷孔（15），气体分布器外环（19）上均布外环向下喷孔（20），内环向上喷孔（15）数量大于等于4且小于外环向下喷孔（20）数量，外环向下喷孔（20）数量小于等于28；所述喷嘴（1）、气体分布器（4）和二次风进气口（12）的气体组成为甲烷、氧气、氮气的混合物；所述喷嘴（1）的气体中甲烷体积百分比大于90%，所述气体分布器（4）和二次风进气口（12）的气体中氧气、氮气的气体百分比大于90%。

2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：所述喷嘴（1）喷射气速为10~80 m/s，喷嘴（1）为一个或者多个。

3.根据权利要求1所述的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：所述锥形底（2）锥底角为50~70°。

4.根据权利要求1所述的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：所述导流筒（5）的直径与壳体（3）的直径比值为0.5~0.8；所述导流筒（5）的高度与壳体（3）高度比值为0.4~0.7；所述导流筒（5）的底部到壳体（3）底部的距离与壳体（3）直径比为-0.3~0.3，负值代表导流筒（5）的底部处于壳体（3）的底部之下。

5.根据权利要求1所述的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：所述换热器（10）冷却介质为水。

6.根据权利要求1所述的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的喷射环流反应器，其特征在于：所述二次风进气口（12）具有两种功能模式，分别为进气模式和进催化剂模式。

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