一種用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置的製作方法

2023-09-14 12:37:25 1

專利名稱：一種用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種化工反應裝置，特別涉及一種應用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置。
背景技術：
乙烯和丙烯是現代化學工業中的重要基礎原料，尤其丙烯是全球需求量第二大化學品，隨著世界各國工業經濟的發展，其需求量將越來越大。製備乙烯和丙烯的傳統方法是採用輕質油裂解工藝，但全球石油儲量有限，且同時為不可再生資源，因此世界各國致力於非石油路線制乙烯和丙烯類低碳烯烴的開發和研究。其中，以煤或天然氣為原料制甲醇、再由甲醇制低碳烯烴的工藝日益受到研究人員的重視。在當前原油價格很高且今後也難以下降的情況下，對於缺油、少氣、富煤的中國來說，以上工藝技術更加突顯出較強的競爭力和深遠的戰略意義。目前國際上有幾種領先的甲醇制烯烴工藝，如美國UOP公司的甲醇制烯烴工藝 (MTO)和德國Lurgi公司的固定床甲醇制丙烯工藝(MTP)。國內則有中科院大連化學物理研究所開發的甲醇制低碳烯烴工藝(DMTO)和清華大學研究開發的流化床甲醇制丙烯工藝 (FMTP)。固定床甲醇制丙烯工藝主要由德國Lurgi公司開發完成並形成專利技術，歐洲專利EP0448000B1、中國專利CN1431982A等均已公開了該工藝方法以及所使用的催化劑。該工藝方法基於由德國南方化學公司提供的改性ZSM-5分子篩催化劑，採用單級與多級絕熱固定床反應器，具有較高的丙烯收率，同時副產少量乙烯、汽油和液化石油氣(LPG)。由於固定床中催化劑需進行原位間歇再生，因此通常採用設置多個固定床反應器(如二開一備) 進行切換以解決上述問題，但該設計方式造成了系統設備要求高、操作複雜的問題。流化床技術最初由UOP公司研究開發成功，除此之外，目前國內也有大連化物所、 清華大學從事該工藝的開發。流化床技術主要採用SAP0-34催化劑，對低碳烯烴有很高的選擇性，但對丙烯單選擇性不高。如欲提高丙烯收率，則需將副產的低碳烯烴進行二次轉化，無論是對催化劑還是對工藝投資都將提出更高的要求。移動床技術由於床內固體返混小、反應接近活塞流因而原料轉化率高，且床內催化劑不斷移動(再生)因而能保持良好的催化性能，愈來愈受到研究人員的重視。中國專利CN1803738A公開了一種移動床甲醇制丙烯技術，通過採用雙功能分子篩催化劑，利用反應_再生的方法實現催化劑的循環，同時引入副產物的循環轉化，從而提高丙烯的選擇性。 移動床本身撤熱能力較弱、控溫困難，而甲醇制丙烯反應為強放熱過程，如果反應器內熱量不及時移除，將導致反應溫度迅速提高，丙烯選擇性下降，嚴重時將導致反應器飛溫造成安全事故。上述專利申請中未提及如何解決移動床中的撤熱這一核心問題。中國專利CN101830769A申請公開了一種利用移動床技術將甲醇轉化為丙烯的方法，通過建立甲醇反應區、第一反應區、第二反應區等主要反應區，催化劑反應積炭後經再生區再生循環回反應區，以此提高丙烯選擇性。同時，該專利還指出，在移動床內和/或各移動床反應器之間設置換熱裝置以移去反應過程中產生的強反應熱，當放熱量過大時，可在移動床反應器間增設激冷裝置以有效移去多餘的反應熱。上述專利中雖有提及解決移動床中撤熱問題，但未提及具體實現撤熱的方式。常見的移除多級反應器內反應熱的方式有以下三種段間換熱式、冷激式和內部換熱式。段間換熱式是指在催化劑床層間設置間接換熱器，該方式的缺點是換熱器佔用了一定的反應器空間，使催化劑有效裝填體積分率下降，降低了反應器的經濟性；冷激式是指用未反應的低溫原料與已參與反應的高溫產物直接混合降溫，該方式的缺點是觸媒床層內每段設有冷熱原料混合分布器，裝拆困難，反應器操作彈性小；內部換熱式相當於「無級」的段間換熱式，一般指反應器內部設置換熱管，該方式的缺點是比冷激式結構複雜，且換熱管佔據了部分反應器的內部空間，使催化劑裝填量減少，同時還會引起管壁效應等不利於催化劑流型和反應氣體流型的不良操作因素。中國專利CNl 125216A公開了一種甲醇生產二甲醚的方法，其移除反應熱的方式為其合成塔反應器採用器內多段冷激式。甲醇蒸汽分段進入多段冷激式反應器，從塔頂進入的甲醇蒸汽溫度高於從中段進入的甲醇蒸汽，因此從上一段甲醇脫水反應後溫度較高的氣體，可以被下一段溫度較低的甲醇蒸汽冷卻。該專利中甲醇蒸汽作為冷激氣體在反應器內實現冷激式移除反應熱，激冷發生在多段合成塔反應器內，因此增加了設備結構的複雜性。尤其對於甲醇制丙烯技術採用的移動床反應器來說，本身設備結構已經較為複雜，因此器內冷激式移除反應熱具有一定的實現難度。因此，設計開發具有強撤熱能力同時又具有強可操作性的多級移動床反應系統裝置，且應用於強放熱的甲醇制丙烯技術，對於提高丙烯選擇性和維持反應穩定性具有十分重要的意義。

發明內容
本發明提供一種多級移動床反應系統的裝置，該裝置適用於移動床甲醇制丙烯技術，主要解決目前甲醇制丙烯移動床反應器內撤熱困難、傳統移熱方式缺點多的問題，有效移除反應器內放出的強反應熱，穩定反應，最終實現提高丙烯收率的目的。一種用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置，包括以下部分1)自原料管路來的物流分成2股，一股作為多級移動床反應器的直接進料，另一股作為多級移動床反應器的級間激冷原料；2)加熱裝置，在所述的加熱裝置中，直接進料流股經加熱至要求溫度後進入反應器參加轉化反應；3)熱量綜合利用裝置，在所述的熱量綜合利用裝置中，激冷原料流股經換熱降溫後再細分為多股；4)多級移動床反應器，在所述的多級移動床反應器中，移動床多級串聯集成，完成反應氣體的轉化反應，其中的級間高溫反應氣體經管道引出反應器；5)混合器，在所述的混合器中，分股的激冷原料分別與級間高溫反應氣體充分混合，實現混合降溫後的混合氣由管道送回多級移動床反應器繼續參與轉化反應。所述的混合器位於反應器外，連接在多級移動床反應器之間，該混合器的作用為使多級移動所床反應器的級間高溫反應氣體與作為冷激進料的低溫原料充分傳熱混合，混合器結構設計應滿足基於傳熱的氣-液/氣-氣混合的要求。所述的熱量綜合利用裝置用於對激冷原料進行降溫，優先為預熱原料的換熱器。本發明的多級移動床反應系統的裝置應用於甲醇制丙烯工藝，經過熱量綜合利用裝置降溫的激冷原料，為固體酸性催化劑催化反應的產物，為包括甲醇、二甲醚和水的平衡混合物，組成與進入反應器第一級移動床的流股組成相同；溫度為130°C 170°C，氣相質量分率為0. 3 0. 9，氣相質量分率可根據激冷需要進行適當調節。 級間高溫反應氣體溫度為450°C 550°C，為改性ZSM-5分子篩催化劑催化反應的產物，為包括二甲醚、水、以丙烯為主的C2 C6烯烴等氣體混合物。級間高溫反應氣體與低溫激冷原料經移動床級間器外混合器混合降溫後的混合進料溫度為400°C 500°C，被引入下一級移動床繼續進行在催化劑作用下轉化為丙烯的反應。多級移動床反應器總級數為3級 8級，各級集成在一個反應器內串聯連接。由於甲醇、二甲醚和水的混合物進一步轉化為含丙烯的烴類物質是強放熱反應，因此該反應器分為多級，既可分散反應熱以減少單級反應器的熱負荷，同時通過加設特殊的換熱裝置可將每級反應器溫升控制在要求範圍內。所述的移動床總級數N與激冷原料的物流數M的代數關係為M = N-I。MTP反應器最後一級移動床出來的物流直接去烯烴分離區，因此激冷原料的物流數比移動床總級數少1。所述的混合器優選採用管道輸送混合器或者管道夾套混合器。所述的管道輸送混合器包括管道本體，所述的管道本體兩端為原料主入口、混合流出口，所述的管道本體垂直方向設有原料輔入口，所述的原料輔入口設有驅動噴嘴。所述的管道夾套混合器包括管道本體，所述的管道本體兩端為混合氣進口和混合氣出口，所述的管道本體外部設有夾套，夾套上設有原料進口和原料出口，所述的原料出口與混合氣進口連通，優選情況下，所述的夾套包覆在一半的管道本體上，夾套內流體與管道本體內的流體逆向流動。所述的管道輸送混合器或者管道夾套混合器的管道本體內優選設有螺旋導流板。針對甲醇制丙烯反應強放熱，同時移動床反應器本身具有撤熱能力較弱、控溫困難的技術特點，本發明裝置為具有強有效性同時又具有強可操作性的多級移動床反應系統的裝置，在多級移動床反應器外增設級間混合器，在該器內通過級間高溫反應氣體與低溫激冷原料混合的方式實現強反應熱的移除，該裝置的應用對於提高丙烯選擇性和維持反應穩定性具有遠大意義。本發明裝置與傳統多段需移熱反應系統裝置相比，優勢有a.與冷激式不同的是，本發明設計將移動床級間高溫反應氣體引出反應器，在器外通過採用基於傳熱的混合器與激冷原料充分混合降溫後再引入下一級移動床內，該裝置不會造成移動床內構件的增加，避免了床內裝拆困難、操作彈性小等不足，提高了操作的可行性；b.與段間換熱式不同的是，本發明設計級間高溫反應氣體引出反應器後在器外的混合器內與經過換熱降溫的激冷反應原料混合，充分利用原激冷反應原料本身的熱量預熱工藝原料，繼而利用換熱降溫後的原激冷反應原料的潛熱與顯熱降低高溫反應氣體的溫度，該裝置充分利用反應系統自身的熱量，移熱過程中無需消耗外公用工程，提高了工藝的經濟性；3)本發明裝置應用於甲醇制丙烯工藝，能夠將移動床反應器內的溫度控制在 400°C 550°C，屬於甲醇轉化制丙烯的最佳反應溫度範圍，因此具有較強的實用性。


圖1是一種應用於甲醇制丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置結構示意圖。其中，自原料管路1來的物流按比例分成2股，一股經加熱裝置2加熱至要求溫度，作為MTP反應器3第一級移動床的直接進料，另一部分經熱量綜合利用裝置4後細分成多股，在反應器外的混合器5內與移動床級間高溫反應氣體實現混合和換熱，作為多級移動床反應器的級間激冷進料；圖2是本發明裝置採用的管道輸送混合器的結構示意圖，圖3為圖2的剖面結構示意圖。其中6.管道本體，7.原料主入口，8.原料輔入口，9.混合流出口，10.螺旋導流板，11.驅動噴嘴。圖4是本發明裝置採用的管道夾套混合器的結構示意圖，圖5為圖4的剖面結構示意圖。其中12.混合氣入口，13.管道本體，14.半管夾套，15.混合氣出口。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，以MTP反應器採用三級移動床、混合器採用管道輸送混合器為例，進行具體說明。自原料管路1來的產物物流分成2股，一股作為MTP反應器第一級移動床的直接進料，另一股再細分為2股，分別作為多級移動床MTP反應器3的第二、三級移動床級間激冷進料；第一級移動床出口高溫氣體與第1股激冷原料在混合器I內混合後引入第二級移動床，第二級移動床出口高溫氣體與第2股激冷原料在混合器II內混合後引入第三級移動床，第三級移動床出口高溫氣體產物去烯烴分離區。其中，自二甲醚反應器來的甲醇、二甲醚和水的平衡混合物溫度根據實際反應情況表現為280°C 320°C的一個值。作為多級移動床反應器第一級移動床直接進料的DME產物流股與工藝蒸汽混合後經加熱升溫的目標溫度根據實際情況選擇400°C 500°C的一個恆定值；作為多級移動床反應器第二、三級激冷進料的DME產物經換熱降溫目標溫度根據實際情況選擇130°C 170°C的一個值；第一、二級移動床反應器出口高溫氣體溫度根據實際反應情況表現為 450°C 550°C的一個值，在分別與第1、2股激冷原料混合後依次引入第二、三級移動床反應器的混合氣溫度根據實際情況表現為400°C 500°C的一個值。其中，第一級移動床、第二級移動床、第三級移動床的入口溫度均保持基本一致， 溫度相差在10°C以內。第一、二級移動床反應器出口高溫氣體與經過換熱降溫的激冷原料DME部分產物在移動床反應器外的混合器內實現混合傳熱，通過此種方式移除甲醇制丙烯反應強放出的反應熱。該混合器要求具有良好的傳熱效率，將激冷原料中的凝相(如果存在)汽化，同時要求有良好的混合效果，使高溫反應氣體與低溫激冷原料快速混合達到降溫的效果。基於該混合過程不存在傳質控制，所以設計時無需考慮複雜的機械結構。本發明裝置採用結構簡單、操作可行的管道輸送混合器為舉例，但此發明裝置不僅限於使用該種類型的特殊結構的混合器，只要能夠實現基於熱傳遞的氣-氣、氣-液混合過程的混合器均在本發明裝置範圍內。原料主入口 7和混合流出口 9位於管道本體6兩端，原料輔入口 8垂直連接於管道主體6，在管道本體6內部增設螺旋導流板10，而驅動噴嘴11位於原料輔入口處；該混合器具有一管道本體6，管道本體6上設有原料主入口 7、原料輔入口 8及混合流出口 9。為實現混合與熱傳遞有效結合的目的，原料主入口 7與混合流出口 9在管道本體上同向，原料輔入口 8垂直於管道本體方向，第一、二級移動床反應器出口高溫氣體走原料主入口 7，經過換熱降溫的激冷原料走原料輔入口 8。設計在原料輔入口 8管道處增設驅動噴嘴11，激冷原料在驅動噴嘴11的作用下進入管道本體6，其中凝相以離散的液滴形態一進入就會被垂直方向的高溫氣體所衝擊從而汽化並混合。管道本體6內壁優先設置螺旋導流板10，以對混合器內的氣體進行導流擾動，提高混合和傳熱的綜合效果，但不僅限於使用螺旋導流板。螺旋導流板10焊設於管內壁上， 可具有0 360°管道截面覆蓋範圍，且可具有0 360°的導向角度或1/2 6倍直徑的導向螺距，同時可選擇為左旋向或右旋向。由於激冷原料(走原料輔入口 8)溫度為130°C 170°C，第一、二級移動床反應器出口高溫氣體(走原料主入口 7)溫度為450°C 550°C， 兩者混合時容易產生熱力衝擊，且高溫氣體與外界空氣溫差較大，因此該混合器的各管道均可考慮使用內襯隔熱材料或者外加保溫層。混合流出口 9出來的混合氣溫度為400°C 500 °C，引入下一級移動床反應器進行甲醇制丙烯反應。實施例1本實施例的MTP反應器採用三個移動床反應器串聯連接，第一級移動床反應器反應氣體入口溫度為460°C，常壓操作。經過換熱降溫的激冷原料溫度為150°C，氣體分率為0. 7。混合器I、混合器II採用圖2、圖3所示的結構。其他操作同上述實施方式。表1列出了混合器I、混合器II內的混合情況，包括物料衡算。該組數據是基於實驗數據與計算機模擬放大相結合、採用移動床甲醇制丙烯技術年產50萬噸丙烯的計算結果。從表1可以看出，第一級移動床反應器出口高溫反應氣體溫度為516°C，第二級移動床反應器高溫出口反應氣體溫度為546°C。第一、二級移動床反應器高溫出口反應氣體分別與經過熱量綜合利用裝置降溫的激冷原料進行混合，溫度均降至450°C，處於甲醇制丙烯溫度要求範圍內，經強放熱的二甲醚轉化反應，產物氣體升溫至可控範圍內，因此符合工藝移熱需求。表1混合器I、混合器11內的混合情況
權利要求
1.一種用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，該裝置包括以下部分1)自原料管路來的物流分成2股，一股作為多級移動床反應器的直接進料，另一股作為多級移動床反應器的級間激冷原料；2)加熱裝置，在所述的加熱裝置中，直接進料流股經加熱至要求溫度後進入多級移動床反應器參加轉化反應；3)熱量綜合利用裝置，在所述的熱量綜合利用裝置中，激冷原料流股經換熱降溫後再細分為多股；4)多級移動床反應器，在所述的多級移動床反應器中，若干個移動床串聯集成，完成反應氣體的轉化，級間高溫反應氣體經管道引出反應器；5)混合器，在所述的混合器中，分股的激冷原料分別與級間高溫反應氣體充分混合，實現混合降溫後的混合氣由管道送回多級移動床反應器繼續參與轉化反應。
2.根據權利要求1所述的多級移動床反應裝置，其特徵在於，所述的混合器連接在兩個移動床之間，使前一級移動床反應器的級間高溫反應氣體與作為冷激進料的低溫原料充分傳熱混合。
3.根據權利要求1所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的混合器為管道輸送混合器或管道夾套混合器。
4.根據權利要求3所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的管道輸送混合器包括管道本體，所述的管道本體兩端為原料主入口、混合流出口，所述的管道本體垂直方向設有原料輔入口，所述的原料輔入口設有驅動噴嘴。
5.根據權利要求3所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的管道夾套混合器包括管道本體，所述的管道本體兩端為混合氣進口和混合氣出口，所述的管道本體外部設有夾套，夾套上設有原料進口和原料出口，所述的原料出口與混合氣進口連通。
6.根據權利要求5所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的夾套包覆在一半的管道本體上，夾套內流體與管道本體內的流體逆向流動。
7.根據權利要求4或5所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的管道本體內設有螺旋導流板。
8.根據權利要求1所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的熱量綜合利用裝置為預熱原料的換熱器。
9.根據權利要求1所述的多級移動床反應系統的裝置，其特徵在於，所述的多級移動床總級數N與激冷原料物流股數M的代數關係為M = N-1。
10.根據權利要求1 9任一權利要求所述的多級移動床反應系統的裝置在甲醇製備丙烯工藝中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種用於甲醇製備丙烯工藝的多級移動床反應系統的裝置，包括1)自原料管路來的物流分成2股，一股作為直接進料，另一股作為級間激冷原料；2)加熱裝置，直接進料流股經加熱至要求溫度後進入多級移動床反應器參加轉化反應；3)熱量綜合利用裝置，激冷原料流股經換熱降溫後再細分為多股；4)多級移動床反應器，若干個移動床串聯集成，完成反應氣體的轉化，級間高溫反應氣體經管道引出反應器；5)混合器，分股的激冷原料分別與級間高溫反應氣體充分混合後送回多級移動床反應器繼續參與轉化反應。本發明裝置能夠有效移除甲醇制丙烯反應的強放熱，具有不增加移動床反應器內結構的複雜性、充分利用系統內部熱量資源的優勢。
文檔編號B01J8/08GK102240527SQ20111010071
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月21日 優先權日2011年4月21日
發明者嚴麗霞, 姜坤, 張擎, 汪燮卿, 王靖岱, 童國紅, 蔣斌波, 虞賢波, 陽永榮, 黃正梁 申請人:浙江大學