CN115501822B - 一种对流式流化床反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对流式流化床反应器及其应用，所述反应器其包括下段反应区、上段沉降区、催化剂循环管和催化剂再生管，所述下段反应区自下而上包括密相区和稀相区，在密相区的底部倾斜地设置有多个沿所述反应器轴向对称分布的进料喷嘴，在所述密相区和稀相区界面处或界面之上设置有物料分布板；在所述上段沉降区的顶部开设有产品气出口，在所述上段沉降区的中部设置有物料挡板，在所述上段沉降区的顶部、所述物料挡板周围均匀地设置有多个气固分离器。所述对流式流化床反应器通过改变传统原料进料位置、采用具有特殊结构的进料喷头等，使得原料扩散时间缩短、快速与新鲜催化剂和再生催化剂混合，达到保持反应器底部区域温度变化均衡的技术效果。

Description

一种对流式流化床反应器及其应用
技术领域
本发明属于流化床反应器领域，尤其涉及一种对流式流化床反应器及其应用。
背景技术
乙烯、丙烯等低碳的烯烃是现在有机化工中的重要原料，通常的获取方法是对轻烃和石脑油进行裂解制备。而我国能源的特点是“多煤少油”，石油的供应量远远不足，因此使用煤气化、合成气等方式制备甲醇，再由甲醇制备烯烃(即MTO技术)具有重大的意义。在近几年国内外最新开发的甲醇制烯烃(ΜΤ0)中有很多工艺采用流化床工艺。
现有MTO技术的竞争变得异常激烈，提高S-MTO技术的双烯选择性可有效增强技术的市场竞争力。但是在现有技术中研究较多的是甲醇制烯烃催化剂，而对于反应器研究较少。
快速流化床反应器是S-MTO技术的核心之一，其底部区域各股催化剂的混合情况、温度分布及气固相接触情况是影响甲醇转化率和双烯选择性的重要因素。因此，针对反应器研究实现催化剂更优混合意义重大。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种对流式流化床反应器及其应用，所述流化床反应器通过改变传统原料进料位置、采用具有特殊结构的进料喷头等，使得原料扩散时间缩短、快速与新鲜催化剂和再生催化剂混合，达到保持反应器底部区域温度变化均衡的技术效果。
本发明的目的之一在于提供一种对流式流化床反应器，其包括下段反应区、上段沉降区、催化剂循环管和催化剂再生管，其中，
所述下段反应区自下而上包括密相区和稀相区，在所述密相区的底部倾斜地设置有多个沿所述反应器轴向对称分布的进料喷嘴，在所述密相区和稀相区界面处或界面之上设置有物料分布板；
在所述上段沉降区的顶部开设有产品气出口，在所述上段沉降区的中部设置有物料挡板，在所述上段沉降区的顶部、所述物料挡板周围均匀地设置有多个气固分离器；
所述催化剂循环管设置于所述反应器一侧、连接所述上段沉降区和密相区；
所述催化剂再生管设置于所述催化剂循环管相对一侧、连接所述上段沉降区和密相区。
其中，所述上段沉降区的物料挡板通过支撑架与上段沉降区的筒壁连接固定。
在一种优选的实施方式中，所述稀相区上部自下而上依次包括渐缩段、管喉段、扩大段和输送段。
在进一步优选的实施方式中，所述渐缩段的内径逐渐减小、且所述渐缩段与水平方向的夹角为35～70°之间，所述管喉段的内径为渐缩段的最大内径的1/10～1/5倍，所述扩大段的内径逐渐增大、且所述扩大段与水平方向的夹角为45～65°之间，所述输送段呈直筒状，其内径等于所述扩大段的最大内径。
其中，自所述渐缩段至管喉段扩大段，随着内径逐渐变小实现对气固进行加速，到达上方扩大段后再降速促进气体和固体的分离(因为气体与固体的速度有较大差异)，这样，可以降低气固的接触时间，因为接触时间太长对反应不利。
在本发明中，所述渐缩段与水平方向的夹角是指渐缩段沿轴向的截面的侧边与水平方向的夹角，所述扩大段与水平方向的夹角是指扩大段沿轴向的截面的侧边与水平方向的夹角。
在更进一步优选的实施方式中，渐缩段、管喉段、扩大段和输送段的高度比为1:(1/5～3/5):(1/4～1/2):(2～5)。
其中，所述输送段用于将气固相输送至所述物料挡板。另一方面，自扩大段出来的物料由所述输送段保护，这样，自物料挡板处下降的固体催化剂基本机会影响到自扩大段出来的物料。
在一种优选的实施方式中，所述上段沉降区的最大内径大于所述下段反应区的最大内径。
在进一步优选的实施方式中，所述上段沉降区最大内径为下段反应区最大内径的2～4倍。
其中，发明人发现，当将上段沉降区的锥形底部与管喉(中心处)连接时，形成的倾斜面更利于催化剂进入所述催化剂循环管和所述催化剂再生管。
在一种优选的实施方式中，所述上段沉降区的底部为内径逐渐变小的锥形底部。
在进一步优选的实施方式中，所述上段沉降区的锥形底部与所述下段反应区的管喉段相接，优选与管喉段的中心处相接。
在一种优选的实施方式中，所述催化剂循环管的一端设置于所述锥形底部自下而上的1/3～1/2处，另一端设置于进料喷嘴与物料分布板之间。
在进一步优选的实施方式中，在所述催化剂循环管上设置有循环管控制阀。
在一种优选的实施方式中，所述催化剂再生管的一端设置于所述锥形底部自下而上的1/3～1/2处，另一端设置于所述密相区的底部。
其中，再生物料从反应器正下方循环回来，原因在于：原料自倾斜地方向进料，并且经过文丘里形式的喷嘴后进料速度较高，这样，如果设置再生催化剂自底部往上走可以在气流的带动下分布更好。
而现有技术为反应器侧下方循环回来，存在再生剂混合不充分，该物料对温度敏感，容易造成局部反应过量的情况。
在进一步优选的实施方式中，在所述催化剂再生管上设置有再生器。
在一种优选的实施方式中，所述多个气固分离器为多个沿所述反应器轴向均匀分布的旋风分离器。
其中，优选设置有2N(N＝1、2或3)个旋风分离器。
在进一步优选的实施方式中，所述旋风分离器包括物料入口和料腿。
在更进一步优选的实施方式中，所述料腿位于所述上段沉降区的锥形底部自下而上的1/2～3/4处。
在一种优选的实施方式中，所述进料喷嘴的中心轴线与水平方向呈35～75°的夹角。
其中，进料喷嘴倾斜设置，使进料气流发生碰撞，在碰撞气流的带动下可以对物料进行更好的分布，增加原料与催化剂的接触。
在进一步优选的实施方式中，所述进料喷嘴包括相互连通且整体截面呈T形的进料管和进料板，在所述进料板上设置有多个沿所述进料喷嘴轴向方向均匀分布的进料喷头。
在更进一步优选的实施方式中，所述进料喷头呈柱状，且自进料端至出料端所述进料喷头依次包括内径逐渐变小的喷头渐缩管、内径不变的喷头管喉和内径逐渐增大的喷头扩大管。
其中，甲醇经过进料喷嘴的进料板，原料分布均匀后，再经过进料板上的文丘里设计，使原料得到再次分布，主要是经过喷头渐缩管后，原料速度得到大幅度提高，离开喷头扩大管后对周围的原料进行卷吸，带动周围介质进行扰动，从而使催化剂的分布更加均匀。
优选地，所述喷头扩大管的最大内径(即进料喷头出料端的内径)为所述喷头渐缩管的最大内径(即进料喷头进料端的内径)的1/4～3/4倍。
其中，通过改变进料口位置以及特定的进料喷头(文丘里喷头)解决了现有技术中存在的扩散时间短的问题，使得进料可以快速充分地与再生物料接触混合，反应器底部区域温度变化均衡。
在一种优选的实施方式中，所述物料分布板包括中心区和边缘区，其中，所述中心区由多个相互交叉的格栅板I组成，所述边缘区由多个呈辐射状分布的格栅板II组成。
其中，所述物料分布板为沿所述反应器中心轴对称设置。
在进一步优选的实施方式中，所述格栅板I和格栅板II均倾斜设置，与所述反应器的轴向夹角为15～35°。
其中，反应器下方的物料分布板由具有特定形状和角度的格栅板组成，可以对物料进行二次均匀分布。
在更进一步优选的实施方式中，所述中心区的边缘为多边形或圆形(例如六边形)，所述边缘区的边缘为圆形(与反应器的筒形结构匹配)。
在本发明中，之所以将所述物料分布板设置为包括中心区和边缘区，是因为在本发明特殊进料喷嘴的作用下，物料呈现出向中心位置喷射的状态，中心位置物料最多也最混乱，因此，更需要对中心处物料进行二次分布。因此，将中心区设置为密度较大的交叉结构，而边缘区设置为密度较小的辐射状结构。
本发明目的之二在于提供本发明目的之一所述对流式流化床反应器在甲醇制烯烃中的应用。
本发明目的之三在于提供一种甲醇制烯烃的制备方法，采用本发明目的之一所述对流式流化床反应器进行。
在一种优选的实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：
(1)甲醇自所述进料喷嘴进入所述下段反应区的密相区，形成倾斜的撞击流，物料上升经过所述物料分布板进行二次分布；
其中，所述物料包括原料和催化剂；
(2)所有物料依次经过所述渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，最终达到所述物料挡板，其中，固体催化剂由此向下部运动，细粉催化剂随着气流进入所述气固分离器，分离出来的催化剂由气固分离器的料腿进入上段沉降区的锥形底部；
(3)部分进入锥形底部的催化剂经所述催化剂循环管进入所述密相区，部分经所述再生器循环管进入再生器进行再生，再生后的催化剂再由所述再生器循环管自所述密相区的底部进入所述密相区。
在一种优选的实施方式中，所述下段反应区中密相区中原料的停留时间为1～6s。
在一种优选的实施方式中，所述密相区的反应温度为350～650℃，所述密相区的表观气速为0.4～5m/s，所述反应器压力为0.1～0.6MPa。
在进一步优选的实施方式中，所述密相区的反应温度为400～450℃，所述密相区的表观气速为0.5～1m/s，所述反应器压力为0.1～0.3MPa。
在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。在下文中，各个技术方案之间原则上可以相互组合而得到新的技术方案，这也应被视为在本文中具体公开。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：所述对流式流化床反应器通过改变传统原料进料位置、采用具有特殊结构的进料喷头等，使得原料扩散时间缩短、快速与新鲜催化剂和再生催化剂混合，达到保持反应器底部区域温度变化均衡的技术效果。
附图说明
图1示出本发明所述对流式流化床反应器的结构示意图；
图2示出所述进料板的结构示意图；
图3示出所述进料喷头的结构示意图；
图4示出所述物料分布板的结构示意图。
1-下段反应区；11-密相区；12-稀相区；13-进料喷嘴；131-进料管；132-进料板；133-进料喷头；1331-喷头渐缩管；1332-喷头管喉；1333-喷头扩大管；14-物料分布板；141-中心区；1411-格栅板I；142-边缘区；1421-格栅板II；15-渐缩段；16-管喉段；17-扩大段；18-输送段；
2-上段沉降区；21-产品气出口；211-反应气；22-物料挡板；23-气固分离器；231-物料入口；232-料腿；24-锥形底部；
3-催化剂循环管；31-循环管控制阀；
4-催化剂再生管；41-再生器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在以下具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，由此而形成的技术方案属于本说明书原始公开内容的一部分，同时也落入本发明的保护范围。
【实施例1】
采用图1所示对流式流化床反应器进行甲醇制烯烃反应。
具体结构如下：
所述对流式流化床反应器包括下段反应区1、上段沉降区2、催化剂循环管3和催化剂再生管4，其中，所述下段反应区1自下而上包括密相区11和稀相区12，在所述密相区11的底部倾斜地设置有多个沿所述反应器轴向对称分布的进料喷嘴13，在所述密相区11和稀相区12界面处或界面之上设置有物料分布板14；在所述上段沉降区2的顶部开设有产品气出口21，在所述上段沉降区2的中部设置有物料挡板22，在所述上段沉降区2的顶部、所述物料挡板22周围均匀地设置有多个气固分离器23；所述催化剂循环管3设置于所述反应器一侧、连接所述上段沉降区2和密相区11；所述催化剂再生管4设置于所述催化剂循环管3相对一侧、连接所述上段沉降区2和密相区11。
所述稀相区12上部自下而上依次包括渐缩段15、管喉段16、扩大段17和输送段18。所述渐缩段15的内径逐渐减小、且所述渐缩段15与水平方向的夹角为35°，所述管喉段16的内径为渐缩段15的最大内径的1/10倍，所述扩大段17的内径逐渐增大、且所述扩大段17与水平方向的夹角为45°之间，所述输送段18的内径不变，渐缩段15、管喉段16、扩大段17和输送段18的高度比为1:1/5:1/4:5；所述上段沉降区2最大内径为下段反应区1最大内径的4倍。
所述上段沉降区2的底部为内径逐渐变小的锥形底部24，所述上段沉降区2的锥形底部21与所述下段反应区1的管喉段16中心处相接。
所述催化剂循环管3的一端设置于所述锥形底部24自下而上的1/2处，另一端设置于进料喷嘴13与物料分布板14之间。在所述催化剂循环管3上设置有循环管控制阀31。
所述催化剂再生管4的一端设置于所述锥形底部24自下而上的1/2处，另一端设置于所述密相区11的底部。在所述催化剂再生管4上设置有再生器41。
所述多个气固分离器23为4个沿所述反应器轴向均匀分布的旋风分离器，所述旋风分离器包括物料入口231和料腿232，所述料腿232位于所述上段沉降区2的锥形底部24自下而上的1/2处。
所述进料喷嘴13的中心轴线与水平方向呈35°的夹角。所述进料喷嘴13包括相互连通且整体截面呈T形的进料管131和进料板132，在所述进料板131上设置有10个沿所述进料喷嘴13轴向方向均匀分布的进料喷头133。所述进料喷头133呈柱状，且自进料端至出料端所述进料喷头133依次包括内径逐渐变小的喷头渐缩管1331、内径不变的喷头管喉1332和内径逐渐增大的喷头扩大管1333。所述喷头扩大管1333的最大内径(即进料喷头出料端的内径)为所述喷头渐缩管1331的最大内径(即进料喷头进料端的内径)的1/4倍。
所述物料分布板14包括中心区141和边缘区142，其中，所述中心区141由多个相互交叉的格栅板I 1411组成，所述边缘区142由多个呈辐射状分布的格栅板II 1421组成。所述格栅板I 1411和格栅板II 1421均倾斜设置、与所述反应器的轴向夹角为35°，所述中心区141的边缘为六边形，所述边缘区142的边缘为圆形。
具体方法如下：
(1)甲醇自所述进料喷嘴进入所述下段反应区的密相区，形成倾斜的撞击流，物料上升经过所述物料分布板进行二次分布；
其中，所述物料包括原料和催化剂；
(2)所有物料依次经过所述渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，最终达到所述物料挡板，其中，固体催化剂由此向下部运动，细粉催化剂随着气流进入所述气固分离器，分离出来的催化剂由气固分离器的料腿进入上段沉降区的锥形底部；
其中，采用的催化剂为SAPO-34分子筛，平均粒度为50μm。
(3)部分进入锥形底部的催化剂经所述催化剂循环管进入所述密相区，部分经所述再生器循环管进入再生器进行再生，再生后的催化剂再由所述再生器循环管自所述密相区的底部进入所述密相区。
所述密相区的反应温度为425℃，所述密相区的表观气速为0.6m/s，所述反应器压力为0.15MPa。
在反应器出口进行采样分析，双烯(乙烯+丙烯)碳基收率为87.53％，显然，由于催化剂底部混合架构的优化，双烯收率得到进一步提高，具有较大的技术优势。
【实施例2】
采用同实施例1所述的对流式流化床反应器。
具体方法如下：
(1)甲醇自所述进料喷嘴进入所述下段反应区的密相区，形成倾斜的撞击流，物料上升经过所述物料分布板进行二次分布；
其中，所述物料包括原料和催化剂；
(2)所有物料依次经过所述渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，最终达到所述物料挡板，其中，固体催化剂由此向下部运动，细粉催化剂随着气流进入所述气固分离器，分离出来的催化剂由气固分离器的料腿进入上段沉降区的锥形底部；
其中，采用的催化剂为SAPO-34分子筛，平均粒度为50μm。
(3)部分进入锥形底部的催化剂经所述催化剂循环管进入所述密相区，部分经所述再生器循环管进入再生器进行再生，再生后的催化剂再由所述再生器循环管自所述密相区的底部进入所述密相区。
所述密相区的反应温度为440℃，所述密相区的表观气速为0.9m/s，所述反应器压力为0.2MPa。
在反应器出口进行采样分析，双烯(乙烯+丙烯)碳基收率为86.66％，显然，由于催化剂底部混合架构的优化，双烯收率得到进一步提高，具有较大的技术优势。
【实施例3】
采用同实施例1所述的对流式流化床反应器。
具体方法如下：
(1)甲醇自所述进料喷嘴进入所述下段反应区的密相区，形成倾斜的撞击流，物料上升经过所述物料分布板进行二次分布；
其中，所述物料包括原料和催化剂；
(2)所有物料依次经过所述渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，最终达到所述物料挡板，其中，固体催化剂由此向下部运动，细粉催化剂随着气流进入所述气固分离器，分离出来的催化剂由气固分离器的料腿进入上段沉降区的锥形底部；
其中，采用的催化剂为SAPO-34分子筛，平均粒度为50μm。
(3)部分进入锥形底部的催化剂经所述催化剂循环管进入所述密相区，部分经所述再生器循环管进入再生器进行再生，再生后的催化剂再由所述再生器循环管自所述密相区的底部进入所述密相区。
所述密相区的反应温度为450℃，所述密相区的表观气速为1m/s，所述反应器压力为0.3MPa。
在反应器出口进行采样分析，双烯(乙烯+丙烯)碳基收率为86.14％，显然，由于催化剂底部混合架构的优化，双烯收率得到进一步提高，具有较大的技术优势。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种对流式流化床反应器，其包括下段反应区、上段沉降区、催化剂循环管和催化剂再生管，其中，
所述下段反应区自下而上包括密相区和稀相区；所述稀相区上部自下而上依次包括渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，渐缩段、管喉段、扩大段和输送段的高度比为1:(1/5~3/5):(1/4~1/2):(2~5)；在所述密相区的底部倾斜地设置有多个沿所述反应器轴向对称分布的进料喷嘴，所述进料喷嘴包括相互连通且整体截面呈T形的进料管和进料板，在所述进料板上设置有多个沿所述进料喷嘴轴向方向均匀分布的进料喷头，所述进料喷头呈柱状自进料端至出料端所述进料喷头依次包括内径逐渐变小的喷头渐缩管、内径不变的喷头管喉和内径逐渐增大的喷头扩大管；所述进料喷嘴的中心轴线与水平方向呈35~75°的夹角；在所述密相区和稀相区界面处或界面之上设置有物料分布板；所述物料分布板包括中心区和边缘区，其中，所述中心区由多个相互交叉的格栅板I组成，所述边缘区由多个呈辐射状分布的格栅板II组成；
所述上段沉降区的底部为内径逐渐变小的锥形底部，所述上段沉降区的锥形底部与所述下段反应区的管喉段相接；在所述上段沉降区的顶部开设有产品气出口，在所述上段沉降区的中部设置有物料挡板，在所述上段沉降区的顶部、所述物料挡板周围均匀地设置有多个气固分离器；
所述催化剂循环管设置于所述反应器一侧、连接所述上段沉降区和密相区；
所述催化剂再生管设置于所述催化剂循环管相对一侧、连接所述上段沉降区和密相区，所述催化剂再生管的一端设置于所述锥形底部自下而上的1/3~1/2处，另一端设置于所述密相区的底部。
2.根据权利要求1所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述渐缩段的内径逐渐减小、且所述渐缩段与水平方向的夹角为35~70°之间，所述管喉段的内径为渐缩段的最大内径的1/10~1/5倍，所述扩大段的内径逐渐增大、且所述扩大段与水平方向的夹角为45~65°之间，所述输送段呈直筒状，其内径等于所述扩大段的最大内径。
3.根据权利要求1所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述上段沉降区的最大内径大于所述下段反应区的最大内径。
4.根据权利要求1所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述上段沉降区最大内径为下段反应区最大内径的2~4倍。
5.根据权利要求4所述的对流式流化床反应器，其特征在于，
所述催化剂循环管的一端设置于所述锥形底部自下而上的1/3~1/2处，另一端设置于进料喷嘴与物料分布板之间。
6.根据权利要求4所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述多个气固分离器为多个沿所述反应器轴向均匀分布的旋风分离器。
7.根据权利要求6所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述旋风分离器包括物料入口和料腿。
8.根据权利要求7所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述料腿位于所述上段沉降区的锥形底部自下而上的1/2~3/4处。
9.根据权利要求1所述的对流式流化床反应器，其特征在于，
所述格栅板I和格栅板II均倾斜设置，与所述反应器的轴向夹角为15~35°。
10.根据权利要求1所述的对流式流化床反应器，其特征在于，所述中心区的边缘为多边形或圆形，所述边缘区的边缘为圆形。
11.权利要求1~10之一所述的对流式流化床反应器在甲醇制烯烃中的应用。
12.一种甲醇制烯烃的制备方法，采用权利要求1~10之一所述的对流式流化床反应器进行。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）甲醇自所述进料喷嘴进入所述下段反应区的密相区，形成倾斜的撞击流，物料上升经过所述物料分布板进行二次分布；
其中，所述物料包括原料和催化剂；
（2）所有物料依次经过所述渐缩段、管喉段、扩大段和输送段，最终达到所述物料挡板，其中，固体催化剂由此向下部运动，细粉催化剂随着气流进入所述气固分离器，分离出来的催化剂由气固分离器的料腿进入上段沉降区的锥形底部；
（3）部分进入锥形底部的催化剂经所述催化剂循环管进入所述密相区，部分经所述再生器循环管进入再生器进行再生，再生后的催化剂再由所述再生器循环管自所述密相区的底部进入所述密相区。
14. 根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，
所述下段反应区中密相区中原料的停留时间为1~6s；和/或
所述密相区的反应温度为350~650℃，和/或，所述密相区的表观气速为0.4~5m/s，和/或，所述反应器压力为0.1~0.6MPa。
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