一种用于甲烷转化强化取热的流化床反应器的制作方法

本发明涉及一种用于甲烷转化强化取热的流化床反应器，特别涉及甲烷一步法制乙烯强化取热的流化床。

背景技术：

乙烯是石油化工和有机化工的重要产品，随着世界经济的发展，乙烯的需求量将逐年增加，原料更加轻质化和清洁化。甲烷氧化偶联制乙烯（OCM）是生产乙烯技术的重要技术，它以天然气为原料，在催化剂作用下经氧化偶联一步即可得到乙烯，具有能耗低、过程简单的优点。

近年来，国内外一些科研工作者在OCM催化剂转化率、选择性及寿命等方面做了大量的改进工作，提高了乙烯的收率。其中，国外以美国Siluria公司为代表，其开发的OCM催化剂在固定床反应器中已进入中试阶段；国内中科院兰州化学物理研究所针对OCM过程，开发了Na2WO3-Mn/SiO2催化剂，具有良好的应用前景。值得注意的是中科院大连化学物理研究所开发的无氧催化转化制乙烯技术，获得了国内外的广泛关注。

高效催化剂的研发推进了OCM技术的工业化进程，但OCM过程强放热、温度分布不均等特点降低了催化剂的寿命。因此，开发一种高效取热的OCM反应器迫在眉睫。目前用于OCM反应工艺的反应器类型主要有固定床反应器和流化床反应器，流化床反应器具有温度均匀、高效取热、可在线更换催化剂、易大型化生产等优点，成为技术研发的重点。

技术实现要素：

本发明针对甲烷氧化偶联转化制乙烯的反应特性，提供一种具有甲烷高转化率、乙烯高选择性和高收率的甲烷转化强化取热的流化床反应器与工艺。

为了达到本发明的目的，采用技术方案如下：

一种用于甲烷转化强化取热的流化床反应器，包括两个甲烷转化制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接一个换热器，第一流化床（1）底端设有第一主进气口（1a）和第一副进气口（1b），第一主进气口（1a）通过第一分布板（1j）进入第一流化床（1）反应腔中，第一副进气口（1b）通过第一分布管（1g）进入第一流化床（1）反应腔中，第一流化床（1）反应腔外壁由第一耐火材料（1h）制成，第一流化床（1）反应腔内壁上有第一换热管（1f），在第一换热管（1f）下方有第一冷却介质进口（1d），在第一换热管（1f）上方有第一冷却介质出口（1e），第一流化床（1）顶端设有第一气体出口（1c），第二流化床（2）与第一流化床（1）结构相同。

所述的第一原料反应气（5b）从第一流化床（1）的第一主进气口（1a）通过第一分布板（1j）进入第一流化床（1）反应腔中，第二原料反应气（5a）分为两路，一路从第一流化床（1）的第一副进气口（1b）通过第一分布管（1g）进入第一流化床（1）反应腔中，一路从第二流化床（2）的第二副进气口（2b）通过第二分布管（2g）进入第二流化床（2）反应腔中，第一流化床（1）产品气体从第一气体出口（1c），通过第一换热器（3）降温后进入第二流化床（2）的第二主进气口（2a），然后通过第二分布板（2j）进入第二流化床（2）反应腔中，第二流化床（2）的产品气体从第二气体出口（2c）排出，通过第二换热器（4）冷却后排出，第一低温冷却介质（6a）分两路分别从第一流化床（1）的第一低温冷却介质进口（1d）和第二流化床（2）的第二冷却介质进口（2d）进入第一换热管（1f）和第二换热管（2f），经过加热后的第一高温冷却介质（7a）从第一流化床（1）的第一冷却介质出口（1e）和第二流化床（2）的第二冷却介质出口（2e）流出，第二低温冷却介质（6b）分两路分别进入第一换热器（3）和第二换热器（4）进行换热后变成第二高温冷却介质（7b）流出。

所述的第一分布板（1j）和第二分布板（2j）是烧结板或多孔板。

所述的第一分布管（1g）和第二分布管（2g）是烧结筒或多孔管。

所述的第一分布管（1g）和第二分布管（2g）的高度低于第一冷却介质出口（1e）和第二冷却介质出口（2e）。

所述的第一原料反应气（5b）为甲烷或者甲烷和氧气的混合气体；第二原料反应气（5a）氮气或者氮气和氧气混合气体。

所述的冷却介质（第一低、高温冷却介质和第二低、高冷却介质相同）为水、水蒸汽、或水和水蒸汽混合物。

所述的保温材料（第一保温材料和第二保温材料）为硅酸铝和氧化铝。

本发明的优点在于：

1、催化剂在流化床内处于流态化状态，有利于传质传热，保证流化床内温度均匀，避免了局部过热。

2、原料气分级进入流化床反应器，增加了流化床运行调节手段，保证了流化床操作的安全稳定性。

3、流化床的甲烷/氧气比例可调节，实现了原料甲烷的高转化率和产品乙烯的高选择性。

附图说明

图1是本发明流化床反应器与工艺的结构示意图；

图中：1、第一流化床，2、第二流化床，1a、第一主进气口，2a、第二主进气口，1b、第一副进气口，2b、第二副进气口，1c、第一气体出口，2c、第二气体出口，1d、第一冷却介质进口，2d、第二冷却介质进口，1e、第一冷却介质进口，2e、第二冷却介质进口，1f、第一换热管，2f、第二换热管，1g、第一分布管，2g、第二分布管，1h、第一耐火材料，2h、第二耐火材料，1j、第一分布板，2j、第二分布板；3、第一换热器，4、第二换热器，5a、第二原料反应气，5b、第一原料反应气，6a、第一低温冷却介质，6b、第二低温冷却介质、7a、第一高温冷却介质、7b、第二高温冷却介质；8为产品气。

具体实施方式

实施例1

一种用于甲烷转化强化取热的流化床反应器，包括两个甲烷氧化偶联转化制乙烯的流化床，每个流化床气体出口连接有换热器，第一流化床1、第一换热器3、第二流化床2、第二换热器4依次串联连接。第一流化床1底端设有第一主进气口1a和第一副进气口1b，第一主进气口1a与第一分布板1j相通，第一副进气口1b与第一分布管1g相通，在第一流化床1中下部内置有第一换热管1f，第一换热管1f在第一耐火材料1h内，在第一换热管1f下方有第一冷却介质进口1d，在第二换热管1f上方有第一冷却介质出口1e，第一流化床1顶端设有第一气体出口1c。第二流化床2的结构与第一流化床1相同。

如图1所示，开车前先将两个流化床烘炉至反应温度，然后第一原料反应气5b从第一流化床1的第一主进气口1a进入反应器内部，第二原料反应气5a分为两路分别从第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床（2）的第二副进气口2b进入反应器内部，第一流化床1产品气体从第一气体出口1c，通过换热器3降温后进入第二流化床2的第二主进气口2a，第二流化床2的产品气体从第二气体出口2c排出，通过第二换热器4冷却后排出界区。第一低温冷却介质6a分两路分别从第一流化床1的第一冷却介质进口1d和第二流化床2的第二冷却介质进口2d进入相应第一和第二换热管1f、2f，经过加热后的高温冷却介质7a从第一流化床1的第一冷却介质出口1d和第二流化床2的第二冷却介质出口2d流出。第二低温冷却介质6b分两路分别进入第一换热器3和第二换热器4，加热后的第二高温冷却介质7b流出界区。甲烷氧化偶联制乙烯反应是强放热过程，通过循环冷却介质移出多余热量，保证反应在最佳的反应条件下进行。

采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为80μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷，第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为720℃，反应压力为常压，空速为2000h^-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为42%，乙烯的选择性为58%。

实施例2

采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为100μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷，第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为700℃，反应压力为0.5MPaG，空速为9000h^-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为45%，乙烯的选择性为56%。

实施例3

采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为80μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷和氧气，第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为720℃，反应压力为0.2MPaG，空速为5000h^-1，烷氧比为3:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为44%，乙烯的选择性为59%。

实施例4

采用图1所示的流化床反应器，采用平均粒径为50μm的催化剂颗粒，第一流化床1的第一主进气口1a进入反应气甲烷和氧气，第一流化床1的第一副进气口1b和第二流化床2的第二副进气口2b进入氧气和氮气，在反应温度为700℃，反应压力为0.8MPaG，空速为14000h^-1，烷氧比为4:1，氧氮比为1:1的条件下，甲烷转化率为38%，乙烯的选择性为61%。