一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的多级喷射环流反应器

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多级喷射环流反应器。

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cn106732201b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20~40mm，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cn108530248a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。

技术实现要素：

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多级喷射环流反应器，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多级喷射环流反应器，包括喷嘴（1）、锥形底（2）、多级导流筒、气体分布器（5）、壳体（3）、旋风分离器（9）、换热器（11）和返料装置，所述的喷嘴（1）位于锥形底（2）底部，锥形底（2）处于壳体（3）底端，多级导流筒位于壳体（3）中下部数，多级导流筒为量大于等于2个的等径竖直放置的圆柱体，气体分布器（5）处于壳体（3）中下部且数量为1个或多个，壳体（3）的壳体顶端气体出口（7）连接旋风分离器（9）上部，旋风分离器（9）顶端设置有产品气出口（8），旋风分离器（9）的底部连通料腿（10），料腿（10）中间设置换热器（11），料腿（10）和返料装置联通，返料装置包含返料阀（12）、二次风进口（13）、卸料阀（14）和返料管（15）。

喷嘴（1）为一个或者多个，喷射气速为10~80m/s，喷嘴（1）为一个时，所述喷嘴（1）与壳体（3）同轴，喷嘴（1）为多个时，喷嘴（1）处于中心位壳体（3）轴线上的一个圆上，各喷嘴（1）形成的最大外切圆直径小于多级导流筒的直径。

所述多级导流筒包含的多个圆柱体的中心线重合，位置处于下方的圆柱体的高度大于等于上方圆柱体的高度。

所述多级导流筒直径与壳体（3）直径比值为0.5~0.8；所述多级导流筒总高度与壳体（3）高度比值为0.4~0.7；所述多级导流筒底部到壳体（3）底部的距离与壳体（3）直径比值为-0.3~0.3，负值代表多级导流筒最下面一个圆柱体底部在壳体（3）底部之下。

所述气体分布器为环形气体分布器，为双环形气体分布器、单环形气体分布器中一种或者为它们的混合组合。

所述双环形气体分布器处于组成多级导流筒的级间中心处或组成多级导流筒的各圆柱体的中间高度处，双环形气体分布器由内环环形分布器（17）和外环环形分布器（20）组成，内环环形分布器（17）和外环环形分布器（20）通过4根依次成90°的导管（19）连接，内环环形分布器（17）处于多级导流筒内部且垂直向上均布向上喷孔（16），外环环形分布器（20）处于多级导流筒和壳体（3）之间且垂直向下均布向下喷孔（21），向上喷孔（16）数量大于等于4小于等于向下喷孔（21），向下喷孔（21）小于等于28。

所述单环形气体分布器处于组成多级导流筒的级间中心处和组成多级导流筒的各圆柱体的中间高度处，位于级间中心处的单环形气体分布器直径小于多级导流筒直径且垂直向上均布向上喷孔（16），位于各圆柱体中间高度处的单环形气体分布器直径介于多级导流筒和壳体（3）直径之间且垂直向下均布下喷孔（21），向上喷孔（16）数量大于等于4小于等于向下喷孔（21），向下喷孔（21）小于等于28。

所述二次风进气口具有两种功能模式，分别为进气模式和进催化剂模式。

所述喷嘴（1）、气体分布器（5）和二次风进气口（13）的气体组成为甲烷、氧气、氮气的混合物。

所述喷嘴（1）的气体组成以甲烷含量大于90%，所述气体分布器和二次风进气口的气体组成氧气、氮气含量大于90%。

所述换热器冷却介质为饱和水或水和蒸汽混合物，可副产高品质蒸汽。

本发明的一种用于甲烷氧化偶联制乙烯的多级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第一级导流筒内，物料离开第一级导流筒后一部分继续向上运动进入第二级导流筒、一部分进入第一级导流筒和壳体环隙内并向下运动，离开第二级导流筒的物料一部分进入气固分离区、一部分返回至第二级导流筒和壳体环隙内参与循环。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，调节气体分布器进料气体组成来调整反应器内氧气浓度。通过喷射、内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。产品气从旋风分离器顶部排出，而旋风分离器底部排出的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、多级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多级喷射环流反应器的结构示意图；

图2为双环形气体分布器俯视图；

图3为列举的三种可能的环形气体分布器放置方式；

图4为单环形气体分布器（图3（b）俯视图）；

其中：1-喷嘴，2-锥形底，3-壳体，4-第一级导流筒，5-气体分布器，6-第二级导流筒，7-壳体顶端气体出口，8-产品气出口，9-旋风分离器，10-料腿，11-换热器，12-返料阀，13-二次风进口，14-卸料阀，15-返料管，16-向上喷孔，17-内环环形分布器，18-进气口，19-导管，20-外环环形分布器，21-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多级喷射环流反应器，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5、第一级导流筒4和第二级导流筒6；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9；返料区包含料腿10、换热器11、返料阀12、二次风进口13、卸料阀14和返料管15。

如图1所示，喷嘴1位于锥形底2底部，锥形底2连接壳体3底端，第一级导流筒4和第二级导流筒6位于壳体3中下部且依次竖直放置，壳体3中下部设置1个或多个气体分布器5，壳体3顶端设置气体出口7并与旋风分离器9进口相连，旋风分离器9顶部设有产品气出口8，旋风分离器9底部连接料腿10，料腿10中部设置换热器11并与返料装置的返料阀12相连，料腿10底端设置卸料阀14，二次风进口13和返料管15在同一直线上，返料管15尾部和壳体3底部连接。

采用如图3（a）所示的环形气体分布器放置方式，在具体实施过程中，开车前将反应器烘热至反应温度，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13添加催化剂至目标值后切换二次风进气口13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第一级导流筒4内，物料离开第一级导流筒4后一部分继续向上运动进入第二级导流筒6、一部分进入第一级导流筒4和壳体3环隙内并向下运动，离开第二级导流筒6的物料一部分进入气固分离区、一部分返回至第二级导流筒6和壳体3环隙内参与循环。副原料气通过进气口18进入双环形气体分布器5后经由内环环形分布器17和外环环形分布器20及其之间的导管19重新分布，重新分布后的副原料气一部分从内环环形分布器17的向上喷孔16向上喷射进入导流筒区，另一部分从外环环形分布器20的向下喷孔21向下喷射进入环隙区。多级导流筒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7进入旋风分离9进一步分离，其中产品气从旋风分离器9顶端的产品气出口8排出，小粒径固体催化剂从旋风分离器9底部沉降进入料腿10,并经过换热器11冷却后通过返料管15返回至锥形底2。换热器11中的冷却介质为饱和水或水和蒸汽混合物来副产高品质蒸汽。在操作过程中，调整喷嘴1、气体分布器5和二次风进气口13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13为进催化剂模式以实现在线不停车操作。

采用如图1和图3（a）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为甲烷，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分为氧气和氮气，体积空速为6000h^-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29%。

实施例2

采用与实施例1相同的反应器构型，不同之处在于：采用如图3（b）所示的环形气体分布器放置方式，具体表现为采用的环形气体分布为单环形气体分布器，其中，导流筒级间放置开孔向上的单环形气体分布器（如图4（b-b））,各导流筒中间高度处放置开孔向下的单环形气体分布器（如图4（a-a））。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为甲烷，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分为氧气和氮气，体积空速为6000h^-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30%。

实施例3

采用与实施例1相同的反应器构型，不同之处在于：采用如图3（c）所示的环形气体分布器放置方式，具体表现为采用的双环形气体分布放置于各导流筒中间高度处。催化剂平均粒径为150μm，反应温度800℃，操作压力为5bar，通过喷嘴的气体成分为甲烷和氧气，通过气体分布器及二次风进气口的气体成分为氧气和氮气，体积空速为8000h^-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28%。