本发明涉及有机化工的乙烯和乙酸的联产技术，特别提供了一种采用水(h2o)作为原料气稀释剂的乙烷催化氧化脱氢制乙烯和乙酸的联产技术。本发明相对传统的乙烷蒸汽裂解制乙烯技术，原料单耗、能耗和设备投资等均可大幅度降低，属于石油化工技术领域，尤其是采用h2o代替常用的氮气(n2)作为稀释剂，不仅可以灵活调变乙烯和乙酸的产品比例，而且可以进一步大幅度地降低能耗。
背景技术：
乙烯是石油化工的基本原料，是国民经济的支柱产业，目前有75％的石油化工产品由乙烯生产；乙烯产量已成为衡量一个国家石油化工工业水平的重要标志。截至2017年底，我国乙烯的年产能为2362万吨，产量高达1822万吨，当量消费量高达3900万吨，当量自给率仅为46.7％，还有很大的缺口。乙烯目前主要还是通过包括乙烷在内的蒸汽热裂解反应进行工业生产，该过程通常需要800～1100℃的高温强吸热反应，因此该过程存在如下问题：1、高能耗。根据有关文献【aproceedingofthe8thethyleneproducerconference:aiche,newyork】报道，该过程的能耗可达18.5mj/kg-c2h4，且该工艺经过多年优化，已经非常成熟，因此进一步降低的难度极大。2、产物组成复杂。裂解反应为复杂的自由基反应，生成的产物种类较多，一方面会降低乙烯的选择性(乙烯一般不超过83％)即降低原料利用率，另一方面也会增加产物的分离难度(特别是产生了低沸点的h2和甲烷)。带来的问题就是分离设备多，分离能耗高。3、需定期除积碳。高温反应导致管壁会积碳，需停车定期除积碳，这样势必影响生产效率。4、设备投资高。由于高温反应需要特殊材质的合金裂解炉反应器，故而设备投资较高。因此，开发一个低能耗的、更加环保的乙烯生产技术路线，成了关系乙烯行业发展的迫切问题。
乙酸是大宗化工产品，是最重要的有机酸之一。主要可用于生产乙酸乙烯、乙酐、乙酸酯和乙酸纤维素等。2017年国内醋酸产能872万吨，产量754.83万吨，净出口量44.15万吨。国内醋酸表观消费量约为713万吨，同比增加26万吨，增长率3.8％。醋酸成熟的生产工艺很多，包括乙醛氧化法、甲醇羰基化(分低压和高压技术)、丁烷法、乙烯氧化法和乙烷直接氧化法等。其中生产成本较低的为甲醇羰基化技术。
乙烷氧化脱氢制乙烯(乙酸)的新工艺过程，需要引入氧化剂(如o2或air等)，使乙烷裂解反应由强吸热反应变成一个简单的放热反应。据文献【chem.week，137(4)，36,1985】报道，该过程在使用氮气(n2)作为原料气稀释剂时，能耗可降低20％～30％。我们已经成功开发出了高性能的乙烷氧化脱氢制乙烯和乙酸催化剂，该催化剂的制备技术见专利(zl201410198867.2)。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种利用h2o作为原料气稀释剂，代替传统的n2，乙烷低温生产乙烯和乙酸的工艺方法。该方法与传统的乙烷蒸汽裂解工艺(能耗值18.5mj/kg-c2h4)相比，能耗可大幅度降低，在较佳的工艺条件下，仅为9.2mj/kg-c2h4，降低约50％。同时，根据产品市场情况，通过调节原料气比例、反应温度和反应空速等操作条件，可以灵活调节乙烯和乙酸的产品比例。
本发明提供的乙烯和乙酸联产技术，是采用水为原料气稀释剂，通过乙烷催化氧化过程，在生产乙烯的同时联产乙酸。本发明的技术优势在于，不仅可以根据市场行情，灵活调变乙烯和乙酸产品结构，而且可以大幅度的降低能耗。
本发明提供的乙烯和乙酸联产技术，是采用水为原料气稀释剂，通过乙烷催化氧化过程，该过程得到的产物，其组成比较简单，仅有乙烯、乙酸、co和co2、未反应完的乙烷以及水等。因此，产物分离较容易，分离能耗低。
在使用水作为原料气稀释剂时，不仅乙烷转化率高(60％～80％)，而且乙烯和乙酸的总选择性非常高(94～98mol％)。根据本发明发明的乙烷氧化制乙烯和乙酸的联产工艺过程，使用h2o作为原料气稀释剂时，能耗相对于现有的乙烷蒸汽裂解工艺过程，总体能耗至少可降低50％(因为乙烯是主要产品，故能耗对比时主要以乙烯的蒸汽裂解工艺为参照标准)。
本发明提供的乙烯和乙酸联产技术，是采用水为原料气稀释剂，通过乙烷催化氧化过程，因为有氧气和水的存在，催化剂上不会积碳，如此不需要定期停车处理，有利于生产效率的提高和运行成本的降低。
本发明提供的乙烯和乙酸联产技术，是采用水为原料气稀释剂，通过乙烷催化氧化过程，是一个低温过程(300～400℃)，根据常识可知，新过程对设备材质的要求较低，因此可以降低设备投资。
具体实施方式
下面结合实施例对本分明予以进一步的说明，但本发明并不因实施例而受到限制。
实施例1
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为2:1:97，反应温度380℃，总空速7500h-1，反应压力0.85mpa。乙烷转化率60％，乙烯选择性71％，乙酸选择性23％。能耗为13.5mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约37.0％。
实施例2
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为60:30:10，反应温度380℃，总空速7500h-1，反应压力0.85mpa。乙烷转化率65％，乙烯选择性72％，乙酸选择性25％。能耗为12.5mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约32.4％。
实施例3
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为10:5:85，反应温度380℃，总空速7500h-1，反应压力0.85mpa。乙烷转化率68％，乙烯选择性78％，乙酸选择性20％。能耗为10.5mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约43.3％。
实施例4
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为30:15:55，反应温度380℃，总空速7500h-1，反应压力0.95mpa。乙烷转化率70％，乙烯选择性85％，乙酸选择性13％。能耗为9.2mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约50.3％。
实施例5
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为20:10:70，反应温度380℃，总空速7500h-1，反应压力0.95mpa。乙烷转化率75％，乙烯选择性86％，乙酸选择性12％。能耗为9.5mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约48.6％。
实施例6
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为30:15:55，反应温度370℃，总空速7500h-1，反应压力0.85mpa。乙烷转化率60％，各产物选择性如下：乙烯选择性72％，乙酸选择性24％，co选择性3％，co2选择性1％。实验中色谱未能检测到其它的含碳产物。该过程总能耗为10.7mj/kg-c2h4，与传统的乙烷蒸汽裂解工艺相比，降低约42.2％。该过程的产品分离能耗为3.9mj/kg-c2h4,而传统的乙烷蒸汽裂解工艺中的产品分离能耗为9.0mj/kg-c2h4,分离能耗的降低极为显著。
实施例7
以乙烷、氧气和h2o为原料，在钼钒碲铌氧化物催化剂(该催化剂的制备技术见专利zl201410198867.2)上，采用固定床工艺进行催化反应，乙烷、氧气和h2o等三种物料的摩尔比例为30:15:55，反应温度400℃，总空速7500h-1，反应压力0.85mpa。反应运行3000h，催化剂的性能如下：乙烷转化率约80％，乙烯选择性约70％和乙酸选择性约24％，基本保持不变。尤其是，碳平衡保持在98％～102％之间，反应结束后对催化剂做了元素分析，催化剂中没有检测到碳元素的存在，证明整个反应过程没有积碳现象。
对比例1
黄格省等人发表在《现代化工》第38卷第10期(2018)的研究论文“国内外乙烷裂解制乙烯发展现状及思考”表明，乙烷裂解工艺的产物中包括甲烷、乙烯、丙烯、丁二烯、丁烷、丁烯、笨、甲苯、c8芳烃、抽余油、重质油和氢气等十余种产物。
对比例2
李建华等人发表在《节能》第10期(2008年)的研究论文“蒸汽裂解生产乙烯流程的综合能耗分析研究进展”中指出，以乙烷为原料的蒸汽裂解制乙烯技术的综合能耗典型值为17～21gj/t乙烯(即17～21mj/kg乙烯)。