CN114728251A - 化学反应器中的热存储 - Google Patents
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Abstract
一种用于生产烯烃的方法可以包括在第一反应器中使第一烷烃脱氢以产生包括第一正烯烃或第一二烯烃中的至少一种的第一流出物;从第一反应器中去除第一流出物;和使第一反应器再生。第一反应器可以包括第一脱氢催化剂和第一相变材料。
Description
背景技术
许多工业上重要的催化反应是吸热反应,并且引起反应器温度的下降。为了抵消这种可能对几个反应参数产生负面影响的温度下降,需要向反应器添加热量以维持反应。
一种这样的吸热过程是脂肪烃的脱氢,这产生用于生产许多石化产品的烯烃。每分子具有2至5个碳原子的短链饱和烃常常经历脱氢以形成对应的烯烃。烯烃又可以用于异链烷烃的烷基化、醇类的醚化以制备发动机燃料混合添加剂,或者作为用于生产各种聚合物材料的单体。烯烃也可以经历后续的脱氢成二烯烃。
一种特别有用的烯烃是丙烯,丙烯可以通过丙烷的脱氢生产。丙烯是世界第二大石化商品,且用于生产聚丙烯、丙烯腈、丙烯酸、丙烯醛、环氧丙烷和二醇类、增塑剂羰基合成醇、异丙苯、异丙醇和丙酮。丙烯产量的增长主要是由于工业对聚丙烯的需求驱动的,聚丙烯用于包装材料和户外服装等日常产品。其他有用的烯烃包括丁烯、异丁烯和异戊烯,它们同样具有多样化的最终用途。
一种特别有用的二烯烃是丁二烯,丁二烯可以通过正丁烯的脱氢生产。丁二烯主要在制造诸如包括丁苯橡胶(SBR)、聚丁二烯橡胶(PBR)、聚氯丁二烯(Neoprene)和丁腈橡胶(NR)的合成橡胶或弹性体的聚合物中作为化学中间体和作为单体使用。另一种有用的二烯烃是异戊二烯。异戊二烯的主要应用包括作为制造聚异戊二烯橡胶、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)和丁基橡胶的单体使用。
发明内容
提供该概述是为了介绍下面在详细描述中进一步描述的概念的选择。该概述不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征,也不旨在帮助限制所要求保护的主题的范围。
在一个方面,本文公开的实施方案涉及一种用于生产烯烃的方法,可以包括在第一反应器中使第一烷烃脱氢以产生包括第一正烯烃或第一二烯烃中的至少一种的第一流出物;从第一反应器中去除第一流出物;和使第一反应器再生。第一反应器可以包括第一脱氢催化剂和第一相变材料。
在另一个方面,本文公开的实施方案涉及一种包括脱氢催化剂和相变材料的反应器。相变材料可以在525℃以上且675℃以下的温度下经历相变。
其他方面和优点将从以下描述和所附权利要求中变得明显。
具体实施方式
本文公开的一个或多个实施方案总体上涉及包含相变材料(PCM)的反应器。PCM可以有利地向反应器的一个或多个区域,诸如向催化剂提供热量。当用于一个或多个实施方案中的吸热过程中时,由PCM提供的热量可以在一定程度上抵消由吸热反应引起的温度下降,并且能够延长催化反应。本文公开的其他实施方案涉及可以使用含PCM的反应来进行吸热反应的方法。
通过仔细选择具有适当的相变温度的PCM,从业者可以利用放热相变为反应提供热量。因此,当与反应器中使用的典型组分相比,PCM可以提供高得多的存储和释放热量的能力。这可以用于多种吸热过程,但对于动态或分批运行的反应器或者对于催化剂用于携带所需反应热的情况特别有利。实施例可以包括在相当短的时间内运行的仅具有催化剂的循环过程。实施例可以包括反应器、用于催化裂化(诸如流化催化裂化、FCC)的反应器、间歇反应器和循环催化重整反应器。
相变材料
根据本公开的实施方案的PCM可以是在化学反应期间在反应器中建立的条件下经历相变的材料。PCM没有特别限制并且可以是与本公开一致的通过相变潜热存储热能的任何材料。例如,PCM可以经历任何放热相变,诸如固体到固体(SS)、液体到固体(冷冻)、气体到液体(冷凝)或者气体到固体(沉积)转变。受益于本公开,本领域普通技术人员将理解相变的性质将影响反应器中PCM的布置和容纳。在一些实施方案中,一种或多种PCM可以组合使用。
在一个或多个实施方案中,表现出固体到固体相变(SS-PCM)或者液体到固体相变的PCM可以是优选的。这样的PCM可以不需要封装,并且当经历相变时提供小的体积变化。此外,SS-PCM限制了潜在的泄漏形成。
根据本公开的PCM通常会在高温下进行相变并且是热稳定的。可以选择PCM以在使用该PCM的反应器将达到的温度下经历相变。例如,反应器的初始温度可以为690℃,并且PCM的相变温度可以为610℃。随着吸热反应的进行,反应器和PCM将冷却。一旦PCM的温度达到610℃,就会发生相变,释放热量并维持化学反应。
在一个或多个实施方案中,PCM可以具有从约300℃至约700℃范围内的相变温度。例如,PCM可以具有从300、350、400、450、500、550或600℃中任一个的下限至400、450、500、550、600、650或700℃中任一个的上限的范围内的相变温度,其中任何下限可以与任何上限组合使用。在一些实施方案中,其中PCM用于过程,PCM可以具体具有从约550℃至约650℃的范围内的相变温度。例如,PCM可以具有从550、570、590、600、610、620或630℃中任一个的下限至570、590、600、610、620、630或650℃中任一个的上限的范围内的相变温度,其中任何下限可以与任何上限组合使用。
特定的实施方案中的PCM可以选择为对原料、产物和用于特定过程产生的任何中间体的一种或多种,但优选所有是催化惰性的。使用在反应器条件下催化惰性的PCM可以有利地限制副产物的产生并且可以提高过程的选择性和/或效率。PCM可以通过本领域已知的任何方法来生产。
一个或多个实施方案中的PCM可以包括一种或多种金属盐和/或金属合金。根据本公开的PCM可以包括NaNO3、CaCl2/NaCl、Al、Si/Al、BaCl2或Zn。在特定的实施方案中,PCM可以包括35.9mol%的BaCl2和64.1mol%的CaCl2的混合物,提供约608℃的熔点。普通技术人员将理解,PCM的组成可以影响其相变的潜热(即,其储存热量的能力)以及其相变温度(即,其在给定过程中使用的适用性)。
一个或多个实施方案中的PCM可以是封闭的,这可以有利地抑制腐蚀。一个或多个实施方案的封闭件(enclosure)可以是一种或多种管子、管道或其他小容器。封闭PCM的材料的选择取决于PCM将被暴露的条件。一个或多个实施方案中的封闭件可以由氧化铝陶瓷(诸如Fukahori等人,AppliedEnergy,170,2016,第324至328页的那些)或者各种金属(诸如Jacob等人,Renewable andSustainableEnergyReviews,48,2015,第79至87页的那些)制成。
在一些实施方案中,PCM可以被封装。在特定的实施方案中,PCM可以由小的封装颗粒组成(诸如在US 2017/0283258和US 2015/0190796中的)。
含PCM的反应器
本公开的一个或多个实施方案中的反应器可以包括一种或多种催化剂和一种或多种PCM。本领域普通技术人员将理解,催化剂的选择高度依赖于要进行的反应,并且没有特别限制。如上所述,PCM的选择主要取决于反应的工艺条件(即温度、压力)和PCM的催化惰性。
一个或多个实施方案中的催化剂没有特别限制。在一些实施方案中,它可以是本领域已知的用于实现烃的催化脱氢以产生烯烃的任何脱氢催化剂。在一个或多个实施方案中,催化剂可以是对丙烷转化为丙烯具有活性的脱氢催化剂。在一些实施方案中,催化剂可以包括第4至6族金属氧化物。在一个或多个实施方案中,催化剂可以包括分散在载体上的催化活性材料。可以选择这样的载体以增加活性材料的表面积,并且这样的载体可以是本领域已知的任何载体。在特定的实施方案中,载体可以是氧化铝、二氧化硅等中的一种或多种。
一个或多个实施方案中的反应器可以进一步包括惰性材料。惰性材料的选择取决于手头的过程。例如,对于脱氢反应,诸如过程,可以选择惰性材料以提供高热容量以限制吸热脱氢反应期间催化剂床的温度变化。在一些实施方案中,惰性材料可以是高密度氧化铝。一些实施方案中的惰性材料可以与催化剂床中的催化剂混合。惰性材料的物理形式没有特别限制,但可以是大致粒状或丸状形式。在脱氢过程中,惰性材料和催化剂的相对体积可以取决于许多因素,包括使用的烃进料的类型。
一个或多个实施方案中的反应器可以是固定床反应器或流化床反应器。普通技术人员将理解,使用的反应器的类型取决于要进行的特定反应的需要。例如,过程通常利用固定床反应器。使用的反应器的类型可能影响PCM所需的物理性质。例如,一个或多个实施方案中的流化床反应器可以使用封装的PCM,其具有足够小的粒径和足够的强度以通过流化床。这样的实施方案可以允许降低催化剂/进料比率。
一个或多个实施方案中的反应器可以通过将催化剂、PCM和任选的惰性材料物理地组合来制备。所需量的催化剂可以与预定量的PCM和惰性材料组合。本领域普通技术人员将理解,这些组分的相对量取决于反应器的预期用途。
在一个或多个实施方案中,本公开的反应器可以包括,相对于反应器装载物的总重量,从1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0重量%中任一个的下限到3.0、5.0、7.0、9.0和15.0重量%中任一个的上限的范围内的量的PCM,其中任何下限可以与任何数学上兼容的上限组合使用。在一个或多个实施方案中,本公开的反应器可以包括,相对于反应器装载物的总体积,从1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0体积%中任一个的下限到3.0、5.0、7.0、9.0和15.0体积%中任一个的上限的范围内的量的PCM,其中任何下限可以与任何数学上兼容的上限组合使用。
在一个或多个实施方案中,本公开的反应器可以包括,相对于脱氢催化剂的总重量,从1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0重量%中任一个的下限到15.0、20.0、25.0、30.0和35.0重量%中任一个的上限的范围内的量的PCM,其中任何下限可以与任何数学上兼容的上限组合使用。在一个或多个实施方案中,本公开的反应器可以包括,相对于脱氢催化剂的总体积,从1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0体积%中任一个的下限到15.0、20.0、25.0、30.0和35.0体积%中任一个的上限的范围内的量的PCM,其中任何下限可以与任何数学上兼容的上限组合使用。
一个或多个实施方案中的反应器可以将PCM放置在相对于催化剂的特定位置以提供所需的热传递速率。在一些实施方案中,PCM可以通过将其存储在密封的圆柱形管内部来结合到反应器中,这些圆柱形管以网格图案间隔开以均匀分布热量。催化剂可以装载在圆筒周围以填充空间。
一个或多个实施方案中的反应器可以进一步包括发热材料(HGM)。HGM可以在工艺条件下是催化惰性的,但在被还原和/或氧化后会产生热量。这种HGM可以是本领域已知的任何合适的材料,例如,可以选自铜、铬、钼、钒、铈、钇、钪、钨、锰、铁、钴、镍、银、铋及其组合。在一个或多个实施方案中,反应器可以包括从1.0、3.0、5.0、7.0或9.0重量%的下限至7.0、9.0、11.0、13.0、15.0或20.0重量%的上限的范围内的量的HGM,其中任何上限可以与任何数学上兼容的下限一起使用。
方法
本公开的一个或多个实施方案中的方法可以涉及任何吸热催化反应,并且可以包括使用任何可能适合的上述催化剂床。在特定的实施方案中,该方法可以是循环过程。
在一些实施方案中,PCM的使用可以增加反应器中生产循环的持续时间,其中大部分反应热是通过冷却催化剂供应的。例如,在过程中。以PCM的潜热形式在催化剂床中存储更多的能量可以允许较长持续时间的生产循环和减少的再生循环。在例如涉及过程的实施方案中,其中反应器在脱氢和再生循环之间动态交替,PCM的使用可以通过减少每个反应器的再生时间来降低资金成本,这意味着需要更少的反应器来提供给定的生产能力。
一个或多个实施方案中的过程可以包括使用一个或多个含PCM的反应器。尽管含PCM的反应器的数量没有特别限制,但在特定的实施方案中,该过程可以包括使用两个反应器、四个反应器、八个反应器或十个反应器。过程可以是连续过程,其中多个含PCM的反应器以循环方式运行,具有受控的脱氢和再加热/再生顺序。
在一个或多个实施方案的过程的脱氢循环期间,随着时间的推移,随着脱氢的进行,通过吸热反应从催化剂床吸收热量,逐渐降低催化剂床的温度。这种温度降低,结合催化剂上沉积的焦炭,会降低其生产所需产物的能力。然而,当达到PCM的相变温度时,PCM可以经历放热转变并向催化剂床提供热量,与传统的过程相比,增加了反应循环的持续时间。然而,为了去除焦炭并将必要的热量恢复到催化剂床,需要用热空气周期性地再加热催化剂。
在一个或多个实施方案中,相对于再生循环,PCM的使用可以导致脱氢循环的持续时间增加。在一些实施方案中,脱氢循环的持续时间可以是再生循环持续时间的1.1倍或更多、1.2倍或更多、1.3倍或更多、1.4倍或更多、或者1.5倍或更多。
因此,一个或多个实施方案中的方法可以包括一个或多个脱氢反应区,每个区包括两个或多个并联操作的反应器,其中一个反应器可以生产烯烃和/或二烯烃,而另一个反应器被吹扫,并且在回到在线生产烯烃和/或二烯烃之前,催化剂再生和再加热至所需的反应器温度。
根据本文实施方案的脱氢过程可以包括在低压和提高的温度下操作的固定床反应器。可以选择条件以优化转化率、选择性和能耗之间的复杂关系。温度和压力可以分别在从400至750℃和从0.01至1kg/cm2绝对压力的范围内。在特定的实施方案中,它们可以在从575至650℃和从0.1至0.5kg/cm2绝对压力的范围内。
一个或多个实施方案中的方法可以包括一种或多种烃的脱氢。在一些实施方案中,烃中的一种或多种可以选自C2–C5脂肪烃。在特定的实施方案中,烃中的一种或多种可以选自丙烷、正丁烷和异丁烷。例如,在反应段中,在通过含PCM的催化剂床时,丙烷转化为丙烯,异丁烷转化为异丁烯,和/或正丁烷可以转化为正丁烯和丁二烯。如果丙烷和丁烷的加工同时进行,单独的专用C3脱氢反应器用于丙烷到丙烯的转化,而单独的专用C4脱氢反应器用于丁烷到丁烯和/或异丁烷到异丁烯的转化。反应器条件(催化剂、催化剂装载、空速、烃进料温度、空气/烃比、空气温度等)可以针对反应器中要进行的过程进行优化。
在一个或多个实施方案中,与主反应同时发生的副反应导致一些轻烃气体和重烃的形成,以及焦炭在催化剂上的沉积。与在同一反应区共加工丙烷、异丁烷和正丁烷组合时可以实现的选择性相比,当在专用反应区中使丙烷脱氢时,丙烷对丙烯的总体选择性更高,当在专用反应区中使异丁烷脱氢时,异丁烷对异丁烯的总体选择性更高,并且当在专用反应区中使正丁烷/正丁烯脱氢时,正丁烷对正丁烯/丁二烯的总体选择性更高。在一些实施方案中,丙烷对丙烯的总体选择性可以大于88摩尔%,异丁烷对异丁烯的总体选择性可以大于90摩尔%,并且正丁烷对正丁烯/丁二烯的总体选择性可以大于60摩尔%。
如上所述,本文的方法可以包括循环操作。根据本文实施方案的系统可以包括控制系统,该控制系统被配置为:在脱氢循环中运行每个反应区中的一个反应器;在再生循环中运行一个反应器;以及在吹扫或抽空/还原循环中运行一个反应器。控制系统可以进一步被配置为顺序操作设置在平行流动布置中的两个或更多个阀门,用于根据需要从公用再生系统向再加热/再生循环中的反应器和吹扫/抽空/还原循环中的反应器提供空气、蒸汽和惰性气体,并且用于根据需要向脱氢循环中的反应器提供丙烷、正丁烷和异丁烷。换句话说,控制系统可以被配置为以交错的循环操作脱氢循环中的反应器,使得反应器的吹扫循环、再生循环或抽空/还原循环不重叠。循环计时仪表对液压操作阀的致动进行排序以控制操作。该系统可以适当地联锁以依次确保阀门的安全操作并防止空气和烃气体的混合。
在脱氢反应循环之后,当反应器系统仍在真空下时,可以用蒸汽彻底吹扫反应器,从而将残余烃从催化剂和反应器汽提到回收系统中。催化剂的再加热可以在略高于大气压的压力下进行。再加热空气通常由燃气轮机或空气压缩机供应,并在通过反应器之前在直燃式管道燃烧器中加热至所需温度。除了将焦炭从催化剂上烧掉之外,再加热空气还用于将床的温度分布恢复到其初始开工条件和催化剂活性。离开反应器的再加热空气可用于在废热锅炉中产生蒸汽。
当反应器的再加热完成时,反应器在下一个开工脱氢周期之前被再抽空。在引入烃进料之前,可将富含氢气的尾气引入反应器持续短时间以从催化剂床中去除吸收的氧。该还原步骤减少了燃烧造成的进料损失,并将催化剂上的催化金属(诸如铬)恢复到其活性状态。离开反应器的再加热空气流流动到废热锅炉,该锅炉可以用于产生和过热高压蒸汽。
本文的实施方案可以用于任何相对量的丙烯、异丁烯和丁二烯的生产,以及以任何容量组合。本文的方法可以用于生产:丙烯和异丁烯、丙烯和丁二烯;异丁烯和正丁二烯;丙烯、异丁烯和丁二烯;以及任意产品比例的组合。在生产丁二烯的情况下,正丁烯可以作为副产品被提取。设备可以设计为“单程(once-thru)”操作。在各种实施方案中,异丁烷和正丁烷可以在相同的专用脱氢反应器中一起被加工;可选地,异丁烷和丙烷可以在相同的专用脱氢反应器中一起被加工。
在一个或多个实施方案中,可以根据产品容量使用任何数量的脱氢反应器。LTRU和蒸馏系列装置(train)可以根据产品结构和容量进行定制。在每个循环期间,每个脱氢反应器的反应器条件可以不同。在每个脱氢反应器的再加热/再生步骤期间可以改变空气流量和温度,以维持整个反应器热平衡。蒸馏系列装置可以包括用于丙烯生产的脱乙烷塔、脱丙烷塔和/或C3分流塔。蒸馏系列装置还可以包括用于丁二烯分离的预分馏器。可以添加C2分流塔以回收高纯度乙烯产品。
实施例
以下实施例仅是说明性的,不应被解释为限制本公开的范围。
模拟了用于三个实施例的以下工艺条件:
烃循环:
烃进料温度=578.8℃/851.9K
烃WHSV=0.483h-1
压力=42kPa(在反应器中假定为恒定的)
蒸汽吹扫:
本次模拟忽略
空气再生循环:
空气入口温度=908.5K
空气WHSV=31/h
还原:
还原气体入口温度=783.9K
还原气体WHSV=0.31/h
还原气体设置为60体积%的氢气
表1:模拟结果
上述实施例表明,PCM的使用使反应器在脱氢循环中运行更长的时间。这可以最终导致更高的催化剂利用率并且必须构造更少的反应器,这意味着构建Catofin单元的资金成本更低。
尽管前面的描述已经参考特定的装置、材料和实施方案在本文中进行了描述,但其并不意在限于本文所公开的细节;相反,它扩展到所有功能等效的结构、方法和用途,诸如在所附权利要求的范围内。在权利要求中,装置加功能条款旨在覆盖在本文描述为执行所述功能的结构,并且不仅包括结构等效物,还包括等效结构。因此,虽然钉子(nail)和螺钉(screw)可能不是结构等效物,因为钉子采用圆柱形表面将木制部件固定在一起,而螺钉采用螺旋表面,但是在紧固木制部件的环境中,钉子和螺钉可以是等效结构。申请人明确表示不援用35U.S.C.§112(f)对本文中任何权利要求的任何限制,但权利要求明确使用“意味着”一词以及相关联功能的限制除外。
Claims (20)
1.一种用于生产烯烃的方法,所述方法包括:
在第一反应器中使第一烷烃脱氢以产生包括第一正烯烃或第一二烯烃中的至少一种的第一流出物;
从所述第一反应器中去除所述第一流出物;和
使所述第一反应器再生,
其中所述第一反应器包括第一脱氢催化剂和第一相变材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述第一烷烃的脱氢导致所述第一相变材料的温度下降,使得所述第一相变材料经历相变。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述第一相变材料的相变向所述第一脱氢催化剂提供足以维持所述第一烷烃的脱氢的热能。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一烷烃的脱氢被执行为持续所述第一反应器的再生的持续时间的至少1.2倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中相对于所述脱氢催化剂的总重量,所述第一反应器包含5至30重量%的量的所述第一相变材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中相对于所述脱氢催化剂的总体积,所述第一反应器包含5至30体积%的量的所述第一相变材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一相变材料在600℃以上且620℃以下的温度下经历相变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一烷烃是由丙烷、丁烷和异丁烷组成的组中的一种。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述第一相变材料包括氯化钡和氯化钙。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,进一步包括:
在第二反应器中使第二烷烃脱氢以产生包括第二正烯烃或第二二烯烃中的至少一种的第二流出物,
从所述第二反应器中去除所述第二流出物;和
使所述第二反应器再生,
其中所述第二反应器包括第二脱氢催化剂和第二相变材料,且
其中所述第二烷烃不同于所述第一烷烃。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述第二相变材料的相变温度不同于所述第一相变材料的相变温度。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其中所述第二烷烃的脱氢导致所述第二相变材料的温度下降,使得所述第二相变材料经历相变。
13.一种反应器,包括:
脱氢催化剂;和
相变材料,其中所述相变材料在525℃以上且675℃以下的温度下经历相变。
14.根据权利要求13所述的反应器,其中相对于所述脱氢催化剂的总重量,所述反应器包含5至30重量%的量的所述相变材料。
15.根据权利要求13或14所述的反应器,其中相对于所述脱氢催化剂的总体积,所述反应器包含5至30体积%的量的所述相变材料。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的反应器,其中所述相变材料在550℃以上且650℃以下的温度下经历相变。
17.根据权利要求16所述的反应器,其中所述相变材料在600℃以上且620℃以下的温度下经历相变。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的反应器,其中所述相变材料包括氯化钡和氯化钙。
19.根据权利要求18所述的反应器,其中所述相变材料由氯化钡和氯化钙组成。
20.根据权利要求18至19中任一项所述的反应器,其中所述相变材料被封装。
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