二氧化碳加氢制烯烃反应器及其工作方法和应用与流程

本技术属于节能减排，尤其涉及一种二氧化碳加氢制烯烃反应器及其工作方法和应用。

背景技术：

1、气候变化是全球面临的重大挑战，是深刻影响各国经济社会发展和生态环境的重大全球性问题。国际能源署(iea)的相关研究表明，要实现《巴黎协议》中确定的把全球平均气温升幅控制在工业化前水平2℃以内的目标，在各类减排技术达到最优配置的情况下，ccus的减排贡献率将在10％～20％之间，也就是说如果不采用ccus技术，将无法实现控制温升2℃的目标。二氧化碳利用技术实现碳中和目标的重要手段，co2二氧化碳制低碳烯烃是一种co2利用技术，可将co2作为资源，转化为高价值的烯烃产品，是实现co2减排从高成本到低成本乃至负成本的重要手段。

2、co2化学利用可制备合成气、天然气、甲酸、甲醇、烯烃、汽油、碳酸脂、尿素等多种产品。烯烃是重要的基础有机化工原料，特别是乙烯、丙烯等低碳烯烃用途最为广泛，是三大合成材料(塑料、橡胶、纤维)的基础原料。乙烯和丙烯是全球产值最高的化工产品，烯烃生产技术和生产能力是衡量一个国家石化工业发展水平的重要标志。

3、目前co2氢制烯烃技术在催化剂方面的研究取得了众多进展，比较成熟的合成方法为通过甲醇路径的两步法反应，通常该方法两步反应的反应条件相差较大，使用传统单一反应器无法同时实现每一步反应的最优条件，导致总转化率与选择性较低。若使用两个反应器分别进行两个反应会导致流程复杂，前期投入增加。

4、因此，亟需一种设计一种单一的反应器，使其能够进行两步反应的同时实现每步反应条件的单独控制，具有较高转化率与选择性，整体工艺流程简单，设备投入少，综合效益高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的一个目的在于提出一种二氧化碳加氢制烯烃反应器，该反应器具有用于合成烯烃的内壳体与用于合成甲醇的外壳体，并通过加热器、内反应取热器控制烯烃合成温度，通过外反应取热器控制甲醇合成温度，且反应物料在内壳体和外壳体之间循环，实现反应的分步进行，具有较高二氧化碳转化率和烯烃选择性，整体结构简单，设备投入少，综合效益高。

2、本技术的另一个目的在于提出一种二氧化碳加氢制烯烃反应器的工作方法。

3、本技术的又一个目的在于提出一种二氧化碳加氢制烯烃系统。

4、本技术的又一个目的在于提出一种二氧化碳加氢制烯烃系统的工作方法。

5、为达到上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种二氧化碳加氢制烯烃反应器，包括：

6、外壳体，所述外壳体用于二氧化碳与氢气反应合成甲醇，所述外壳体具有用于进入催化剂的催化剂入口和用于导出所述外壳体内反应热的外反应取热器；

7、内壳体，所述内壳体用于甲醇脱水反应合成烯烃；所述内壳体设在所述外壳体内，且所述内壳体具有用于加热反应物料的加热器、用于导出内壳体内反应热的内反应取热器、用于反应物料在所述内壳体和所述外壳体之间循环流动的第一入口和第一出口；所述第一入口和第一出口相对设置，所述第一入口与所述催化剂入口紧邻且相对设置。

8、在一些实施例中，所述内壳体包括相互连通的第一部分和第二部分，所述第一部分设有所述第一出口，所述第二部分设有第一入口，所述第一部分和所述第二部分沿所述第一入口至所述第一出口的方向的截面均呈等腰梯形，且所述第一部分设有所述第一出口一端的尺寸、所述第二部分设有第一入口一端的尺寸均小于所述第一部分与所述第二部分的连通处的尺寸。

9、在一些实施例中，所述内壳体和所述外壳体在沿所述第一入口至所述第一出口的方向上共中心线设置。

10、在一些实施例中，所述外壳体沿所述第一入口至所述第一出口的方向的截面中间部分呈矩形。

11、在一些实施例中，所述外壳体为圆柱状，所述外壳体侧壁上设有多个用于原料气二氧化碳和氢气进入外壳体内部的第二入口，且多个所述第二入口均沿外壳体内壁切线方向开口。

12、在一些实施例中，多个所述第二入口沿所述第一入口和所述第一出口方向间隔分布在所述外壳体上，且相邻两个第二入口位置相对或错位设置。

13、在一些实施例中，所述内反应取热器设在所述内壳体内表面和/或外表面。

14、在一些实施例中，所述外壳体紧邻所述第一出口一侧设有所述外反应取热器和产物出口。

15、在一些实施例中，所述加热器安装在所述内壳体内紧邻所述第一入口一侧，所述第一入口处安装有用于将来自所述催化剂入口的催化剂吸入内壳体的气流倍增器。

16、在一些实施例中，所述外壳体紧邻所述第一入口一端呈漏斗状结构，且该漏斗状结构远离所述第一入口一侧为所述催化剂入口；所述漏斗状结构安装在底座上，且所述漏斗状结构上安装有用于松动沉积在所述漏斗状结构侧壁上的催化剂的振动器。

17、为达到上述目的，本技术第二方面实施例提出了一种二氧化碳加氢制烯烃反应器的工作方法，包括：

18、原料气二氧化碳和氢气在催化剂的作用下于外壳体内合成甲醇；

19、在所述原料气的带动下甲醇和催化剂加热后自所述第一入口进入所述内壳体并合成烯烃，形成携带催化剂的混合气体；

20、所述混合气体自所述第一出口进入外壳体，随后部分排出外壳体，另一部分降温后在所述外壳体和所述内壳体之间形成反应物料循环；

21、经所述外反应取热器、所述内反应器取热器分别控制所述合成甲醇的温度、所述合成烯烃的温度。

22、在一些实施例中，所述工作方法还包括原料气二氧化碳和氢气自多个第二入口沿外壳体内侧切线方向通入外壳体与催化剂在外壳体内形成螺旋气流并合成甲醇的步骤。

23、在一些实施例中，所述工作方法还包括通过振动器振动使沉积在所述漏斗结构侧壁上的催化剂松动的步骤；

24、在一些实施例中，所述工作方法还包括所述原料气、催化剂经所述气流倍增器送入所述内壳体的步骤。

25、在一些实施例中，所述混合气体包括烯烃、水蒸气、一氧化碳、未反应完的甲醇、未反应完的二氧化碳和未反应完的氢气。

26、在一些实施例中，所述原料气中，氢气和二氧化碳的混合体积比为(2-4)：1。

27、在一些实施例中，所述外壳体内合成甲醇的温度为200-300℃，压力为0.5-8mpa。

28、在一些实施例中，所述内壳体内合成烯烃的温度为300-400℃，压力为0.5-8mpa。

29、在一些实施例中，所述催化剂为二氧化碳加氢制烯烃催化剂。

30、在一些实施例中，所述催化剂经载气携带自所述催化剂入口进入所述外壳体，所述载体为二氧化碳、氢气、惰性气体中的至少一种。

31、为达到上述目的，本技术第三方面实施例提出了二氧化碳加氢制烯烃系统，包括：

32、反应器，所述反应器为本技术实施例的二氧化碳加氢制烯烃反应器，所述反应器的原料气入口连通有第一预热器；

33、旋风分离器，所述旋风分离器的入口连通所述反应器的产物出口，所述旋风分离器的气体出口连通气液分离装置，所述旋风分离器的固体出口依次连通催化剂再生器和催化剂进料管线；

34、烯烃分离装置，所述烯烃分离装置的入口连通所述气液分离装置的气体出口，所述烯烃分离装置的杂质出口依次连通换热器的冷侧、第二预热器3和所述催化剂进料管线，所述换热器的热侧连通所述内反应取热器，所述催化剂进料管线连通所述催化剂入口。

35、为达到上述目的，本技术第四方面实施例提出了一种二氧化碳加氢制烯烃系统的工作方法，包括：

36、原料气二氧化碳和氢气进入反应器后在催化剂的作用下合成烯烃；

37、所述内壳体排出的携带催化剂的混合气体部分排出所述外壳体，随后经旋风分离器分离处理，分离处理获得的催化剂再生后回用于所述反应器，分离处理获得的气相依次经气液分离装置、烯烃分离装置处理获得烯烃产品和未反应完全的所述原料气；

38、所述未反应完全的原料气经来自内反应器取热器的热媒质加热，随后预热后用做催化剂载气。

39、在一些实施例中，所述原料气二氧化碳和氢气进入反应器后在催化剂的作用下合成烯烃的方法，包括：

40、将预热后的原料气二氧化碳和氢气引入所述外壳体；

41、开启所述气流倍增器使所述内壳体和所述外壳体的所述原料气气流建立循环；

42、开启加热器，加热所述内壳体紧邻所述第一入口一侧温度至甲醇合成烯烃温度，促使甲醇在所述内壳体内转化为烯烃；

43、开启所述内反应取热器与外反应取热器，维持所述反应器内各区域的温度稳定；

44、开启产物出口与催化剂入口，使所述反应器与所述二氧化碳加氢制烯烃系统的其余部分建立稳定循环；

45、所述二氧化碳和氢气在所述催化剂作用下于外壳体内合成甲醇，所述甲醇在催化剂作用下于内壳体内合成烯烃。

46、本技术实施例的二氧化碳加氢制烯烃反应器，至少具有以下有益效果：

47、区别于传统反应器只能保持一种反应条件，本技术实施例的二氧化碳加氢制烯烃反应器是一种双壳层反应器，具有内壳体与外壳体的双反应区域，可以分别控制甲醇合成反应温度和烯烃合成反应温度，实现两步法co2加氢制烯烃反应同时发生。相较传统单一反应器，解决了传统单一反应器由于两步反应的最优反应温度相差较大，无法实现较高的转化率与选择性的问题；相较串联多级反应器，解决了多反应器工艺复杂，前期投设备资成本高等问题。本技术实施例的二氧化碳加氢制烯烃反应器用于co2加氢制烯烃反应在实现较高二氧化碳转化率与烯烃选择性的同时，可以保持相对简洁的工艺流程与较低的前期设备投资。

48、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。