一种流化床反应装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种流化床反应装置及其应用，所述流化床反应装置包括流化床反应器，流化床反应器的顶部设置有催化剂进口与产品气出口，底部设置有催化剂出口与原料气进口；沿轴向方向，所述流化床反应器内设置有至少2层流化床；每层流化床的底部设置有孔板；相邻两层流化床之间设置有溢流管。本发明专利技术通过对流化床反应装置的结构进行改进，减少了气体返混，有效稳定流化状态，避免不稳定流化床状态引起的产物组成不稳定；应用于甲烷氧化偶联反应，氧气分级进入流化床反应器，避免甲烷的深度氧化，在保证甲烷转化率的前提下提高C2+的选择性；流化床反应器可根据处理气量，调节催化剂用量和换热介质的流速，抗负荷变动的能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种流化床反应装置及其应用
本专利技术属于反应工程
，涉及一种反应装置，尤其涉及一种流化床反应装置及其应用。
技术介绍
乙烯是合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、染料、农药、化工新材料以及日用化工产品的基本原料，是用途最广的基本有机化工原料。乙烯目前主要通过两种方式获得，一是通过原油、油田气等石油系原料直接裂解；二是将石油炼制所得较为轻质的烃类混合物石脑油，进一步蒸汽热裂解制得。随着石油资源的日渐紧张和乙烯需求量的不断增加，开辟一条乙烯生产的新路线已经成为国内外研究的热点。1982年Keller等人首次报道甲烷氧化偶联制烯烃的结果，但经过近四十年国内外的研究，甲烷氧化偶联制烯烃仍未能实现工业化，甲烷转化率和C2+收率有待提高。甲烷分子具有稳定的正四面体结构，因此活化温度要求较高。另一方面，目标产物C2+反应活性较高，易被深度氧化成CO或CO2，导致C2+选择性不高。由于甲烷氧化偶联是强放热反应，反应器内存在明显的温度梯度，深度氧化更是造成床层温升加剧，反应速率增加，放出更多的热量。过高的温度会造成催化剂烧结以及活性组分的流失，进而引起催化剂失活，因此在开发高性能催化剂的同时，反应工艺条件的选择和反应器的设计也是甲烷氧化偶联能否工业化的重要因素。为了解决反应区域的“飞温”现象，CN1146373A和CN111747821A将多段固定床反应工艺应用于甲烷氧化偶联反应，催化剂分装在2-5段串联的固定床反应器中，反应气可以从第一段反应器进口气一次引入，也可以根据情况从各个反应器进气口分别引入，以保证各段反应温度均在700-900℃之间。而CN106732201A公布的反应器则包含至少两段薄层固定床反应段，每段反应段的催化剂床层由1-2个床层组成。US0321974A1中公开了通过甲烷氧化偶联反应生成烯烃的系统和方法。该系统包含一段或多段反应器，每一个反应器包含一个或多个催化剂床层，每个床层的催化剂含有相同或不同的化学组成或结构，可以在不同的操作条件下工作。至少一部分催化剂床层为绝热操作，至少一部分催化剂床层为等温操作。反应入口温度小于600℃，床层温度大于800℃，每段反应器出口经冷剂如锅炉给水换热后温度控制在400-600℃。CN111747811A公开了一种用于甲烷氧化偶联的恒温反应器，恒温反应器内设置有间隔排布的多组反应单元、多组取热单元以及隔热结构。催化剂装填于反应单元内，取热介质在取热单元内流动并吸收反应单元放出的热量，隔热结构设置于反应单元和取热单元之间，隔热结构与反应单元的接触面的温度高于甲烷氧化偶联反应的起始温度。上述公开的甲烷氧化偶联工艺均为固定床反应器，较为常规的温控手段为控制原料进料量、加稀释气和中间段冷剂等，但对于高温强放热的甲烷氧化偶联过程，在工业放大过程中难以实现温度的有效控制和灵活调变。CN108530248A公开了一种甲烷氧化偶联制乙烯的反应装置及方法，所述装置包括流化床反应器和催化剂输送管。流化床反应器包括流化区和沉降区两部分，同时流化区内部设置多个氧气分布器和换热管束，沉降区设置多级旋风分离器并保持一定催化剂床层高度，沉降区的催化剂通过催化剂输送床和冷却器后返回流化区，实现催化剂的循环。该方法即采用了流化床内置列管取热，又采用了催化剂循环的外取热方式，将甲烷氧化偶联反应放出的大量热量迅速移出床层，从而降低了催化剂床层的温度，避免了固定床反应器中的热点，使床层温度分布均匀。CN111747808A和CN110078580A均采用一组或多组串联的流化床反应器进行甲烷氧化偶联反应，这两种方法均利用流化床反应器的高热容、高换热速率的特点，实现强放热的甲烷氧化偶联反应的稳定进行。在单段流化床反应器中，流化的催化剂颗粒处于高度返混状态，对甲烷转化率和C2+收率不利，而多段流化床流程复杂，多组床中流化状态间的匹配难以控制，易造成产品组成波动较大，催化剂循环不稳定，因此，需要提供一种新的流化床反应装置及其应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种流化床反应装置及其应用，尤其涉及一种甲烷氧化偶联制乙烯的流化床反应装置及其应用。本专利技术通过对流化床反应装置结构的改进，提高了所述流化床反应装置用于甲烷氧化偶联制乙烯时，甲烷的转化效率，且能够生产高附加值的C2+产品。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种流化床反应装置，所述流化床反应装置包括流化床反应器。所述流化床反应器的顶部设置有催化剂进口与产品气出口。所述流化床反应器的底部设置有催化剂出口与原料气进口。沿轴向方向，所述流化床反应器内设置有至少2层流化床；每层流化床的底部设置有孔板。相邻两层流化床之间设置有溢流管，所述溢流管用于将相邻两层流化床的上层催化剂颗粒输送至下层。应用本专利技术所述流化床反应装置时，催化剂由流化床反应器顶部的催化剂进口进入，当达到溢流管高度时逐渐溢流至下层流化床中，以此类推，直至所有的流化床层中均有催化剂；然后将原料气从原料气进口通入，含氧气体由孔板下侧的含氧气体进口通入，反应后的产物从产品气出口排出流化床反应器。本专利技术所述孔板的设置为使气体流过，同时截留催化剂颗粒。孔板的设置能够使流化床反应器内为鼓泡流化状态，保证了气固接触的良好效果，传热传质效率高，床层温度均匀；而且采用至少2层流化床，减少了气体返混，有效稳定流化状态，避免不稳定流化床状态引起的产物组成不稳定。优选地，所述流化床反应器内设置有2-6层流化床，例如可以是2层、3层、4层、5层或6层，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。优选地，所述流化床反应器中孔板的下部设置有含氧气体通入管路。本专利技术通过在每层孔板的下部设置含氧气体通入管路，将含氧气体分级流入流化床反应器。对于甲烷氧化偶联反应，当反应物中O2和CH4的比例较高时，甲烷的深度氧化反应剧烈，一方面造成C2+的选择性降低，另一方面产生大量的反应热，造成反应床飞温；而当反应物中O2与CH4的比例较低时，C2+选择性会升高，但甲烷转化率降低。本专利技术通过在每层孔板的下部设置富氧气通路管路，能够实现不同反应床层中CH4和O2比例的灵活调节，抑制CH4深度氧化生成CO和CO2，实现床层温度的调控，获得较高的甲烷转化率和较高的C2+收率。优选地，所述流化床反应装置还包括换热装置；所述换热装置用于移出流化床的热量。优选地，所述换热装置包括换热夹套和/或移热管。不论是甲烷氧化偶联制C2+，还是甲烷深度氧化成CO或CO2，这两个反应均为强放热过程。为了保障甲烷和氧气在合适的温度下进行反应，本专利技术通过换热装置的设置，保证了每层流化床的温度稳定。优选地，所述流化床反应装置还包括气固分离装置；所述气固分离装置与产品气出口连接。优选地，所述流化床反应装置还包括催化剂供给装置；所述催化剂供给装置与催化剂进口连接。优选地，所述气固分离装置的产品气出口管道设置有气体回流支管；所述气体回流支管与最底层的流化床连接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应装置包括流化床反应器；/n所述流化床反应器的顶部设置有催化剂进口与产品气出口；/n所述流化床反应器的底部设置有催化剂出口与原料气进口；/n沿轴向方向，所述流化床反应器内设置有至少2层流化床；每层流化床的底部设置有孔板；/n相邻两层流化床之间设置有溢流管，所述溢流管用于将相邻两层流化床的上层催化剂颗粒输送至下层。/n

【技术特征摘要】
1.一种流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应装置包括流化床反应器；
所述流化床反应器的顶部设置有催化剂进口与产品气出口；
所述流化床反应器的底部设置有催化剂出口与原料气进口；
沿轴向方向，所述流化床反应器内设置有至少2层流化床；每层流化床的底部设置有孔板；
相邻两层流化床之间设置有溢流管，所述溢流管用于将相邻两层流化床的上层催化剂颗粒输送至下层。


2.根据权利要求1所述的流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应器内设置有2-6层流化床。


3.根据权利要求1或2所述的流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应器中孔板的下部设置有含氧气体通入管路。


4.根据权利要求1-3任一项所述的流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应装置还包括换热装置；所述换热装置用于移出流化床的热量；
优选地，所述换热装置包括换热夹套和/或移热管。


5.根据权利要求1-4任一项所述的流化床反应装置，其特征在于，所述流化床反应装置还包括气固分离装置；所述气固分离装置与产品气出口连接；
优选地，所述流化床反应装置还包括催化剂供给装置；所述催化剂供给装置与催化剂进口连接。


6.根据权利要求1-5任一项所述的流化床反应装置，其特征在于，所述气固分离装置的产品气出口管道设置有气体回流支管；所述气体回流支管与最底层的流化床连接；
优选地，所述气固分离装置的固体出口管道与最底层的流化床连接。


7.一种如权利要求1-6任一项所述的流化床反应装置的应用，其特征在于，所述流化床反应装置用于甲烷氧化偶联制乙烯反应。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘姣，张战国，岳君容，崔彦斌，许光文，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11