一種甲醇催化脫水制丙烯的反應(yīng)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種化工反應(yīng)裝置，尤其是涉及一種甲醇催化脫水制丙烯的反應(yīng)裝置 和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 丙烯是一種重要的化工基礎(chǔ)原料，隨著各國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其需求量越來(lái)越大。 目前，丙烯的主要生產(chǎn)方法是石腦油裂解工藝。然而全球石油儲(chǔ)量有限，且分布不均，價(jià)格 波動(dòng)較大，因此發(fā)展非石油路線的丙烯生產(chǎn)工藝，對(duì)貧油富煤的中國(guó)來(lái)說(shuō)，具有非常重要的 戰(zhàn)略意義。
[0003]甲醇催化脫水制丙烯技術(shù)是一種最有競(jìng)爭(zhēng)力的以煤為原料的丙烯生產(chǎn)方法。目 前，工業(yè)化的甲醇制丙烯工藝主要采用多級(jí)薄層固定床作為主反應(yīng)器。甲醇首先在醚化反 應(yīng)器中轉(zhuǎn)化生成甲醇、二甲醚和水的平衡混合物流，然后該物流被分成N股（N等于反應(yīng)器 級(jí)數(shù)），其中1股與來(lái)自分離單元的循環(huán)烯烴混合后直接進(jìn)入主反應(yīng)器，其余N-1股作為冷 激物流從層間進(jìn)入。由于甲醇轉(zhuǎn)化成烯烴的過(guò)程放熱量較大，為保證甲醇轉(zhuǎn)化率不至于太 低和反應(yīng)溫升不至于太高，每一級(jí)的甲醇進(jìn)口濃度只有5_8wt%。然而，如此低的甲醇濃度 降低了甲醇轉(zhuǎn)化速率，增加了烯烴的停留時(shí)間，從而增加了烷烴和芳烴等副產(chǎn)物的生成。因 此，提尚甲醇的進(jìn)口濃度，減少反應(yīng)級(jí)數(shù)，可以有效降低副廣物的生成并提尚丙稀的廣率。
[0004] 增加甲醇進(jìn)口濃度的同時(shí)，催化劑床層的絕熱溫升也會(huì)上升。Lurgi公司早期采用 了列管式固定床反應(yīng)器，通過(guò)換熱介質(zhì)與床層之間的換熱來(lái)不斷移除反應(yīng)放出的熱量，從 而控制反應(yīng)溫度。然而，由于甲醇制丙烯的反應(yīng)溫度在400-500°C之間，同時(shí)甲醇年處理量 在百萬(wàn)噸的規(guī)模，因此該工藝需要使用大量的高溫冷卻介質(zhì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種甲醇催化脫水 制丙烯的反應(yīng)裝置和方法，本發(fā)明反應(yīng)裝置可以在不使用額外冷卻介質(zhì)的前提下，控制催 化劑床層的溫升，提高甲醇進(jìn)口濃度，從而達(dá)到提高甲醇反應(yīng)速率、降低副產(chǎn)物生成、回收 反應(yīng)熱量的目的。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種甲醇催化脫水制丙烯的反應(yīng)裝置，包括換熱器與反應(yīng)器，所述換熱器包括兩 個(gè)換熱通道，其中一個(gè)換熱通道為用于流通原料物流的原料通道，另一個(gè)換熱通道為用于 流通反應(yīng)物的反應(yīng)物通道；所述反應(yīng)器包括換熱式的殼程和管程，所述殼程或管程其中一 個(gè)用于填裝催化劑，作為反應(yīng)區(qū)，另一個(gè)作為換熱區(qū)；換熱器中原料通道與反應(yīng)器的換熱區(qū) 相連通，換熱器的反應(yīng)物通道與反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)相連通。
[0008] 所述反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有上管板與下管板，在上管板上方形成上空腔，在下管板下方 形成下空腔，在上管板與下管板之間設(shè)置反應(yīng)管，且反應(yīng)管的上下兩端分別與上空腔及下 空腔連通，所述反應(yīng)管內(nèi)形成管程，所述反應(yīng)管外形成殼程，在上管板與下管板之間開(kāi)設(shè)有 與換熱器中原料通道連通的反應(yīng)器入口，在下空腔開(kāi)設(shè)有與換熱器的反應(yīng)物通道連通的反 應(yīng)器出口。
[0009] 所述反應(yīng)管的內(nèi)徑為20~50mm，高度為1. 5~5. 0m。
[0010] 一種甲醇催化脫水制丙烯的方法，包括以下步驟：
[0011] 原料物流進(jìn)入換熱器的原料通道，從反應(yīng)器出來(lái)的反應(yīng)物進(jìn)入換熱器的反應(yīng)物通 道，反應(yīng)物與原料物流進(jìn)行熱交換，對(duì)原料物流進(jìn)行預(yù)熱；
[0012] 預(yù)熱后的原料物流進(jìn)入反應(yīng)器的換熱區(qū)，經(jīng)換熱升溫后進(jìn)入裝填有催化劑的反應(yīng) 區(qū)進(jìn)行反應(yīng)；
[0013] 原料物流在反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)并放熱，放出的熱量對(duì)預(yù)熱區(qū)進(jìn)行加熱，反應(yīng)后的反應(yīng) 物流入換熱器的反應(yīng)物通道，對(duì)換熱器中原料通道內(nèi)的原料物流進(jìn)行預(yù)熱。
[0014] 進(jìn)一步地，所述原料物流中包含甲醇、二甲醚、c4-c6_烴和水，其中甲醇和二甲醚 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-40%，優(yōu)選為25-35%;水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-50%，優(yōu)選為20-40%。
[0015] 進(jìn)一步地，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的原料物流溫度控制在420~480°C之間，從反應(yīng)區(qū)出來(lái)的 反應(yīng)物的溫度控制在440~490°C之間，反應(yīng)物通過(guò)換熱器后溫度為150~250°C。
[0016] 進(jìn)一步地，進(jìn)入換熱器前原料物流的溫度為50~150°C，從換熱器出來(lái)的原料物 流的溫度為250~400 °C。
[0017] 進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器進(jìn)口絕對(duì)壓力為0?15~1.OMPa。
[0018] 進(jìn)一步地，所述反應(yīng)原料折合為甲醇（1公斤二甲醚相當(dāng)于64/46 = 1. 3913公斤 甲醇）的流量為1. 〇~10. 〇公斤甲醇/公斤催化劑/小時(shí)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述催化劑為ZSM-5型分子篩顆粒，所述分子篩顆粒為球形、圓柱型或 圓環(huán)柱型，直徑3~5mm。
[0020] 反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)和換熱區(qū)中，物料的主體流動(dòng)方向可以相同，也可以相反。當(dāng)主體 流動(dòng)方向相同時(shí)，反應(yīng)區(qū)的溫度更容易控制，但需要額外的外部管路將通過(guò)換熱區(qū)的物流 送入反應(yīng)區(qū)。
[0021] 與現(xiàn)有的多段冷激式固定床反應(yīng)器相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0022] 1)本發(fā)明中反應(yīng)器為自熱式反應(yīng)器，其反應(yīng)區(qū)放出的熱量直接對(duì)換熱區(qū)的物料進(jìn) 行加熱，既可以移出反應(yīng)區(qū)放出的熱量，還可以對(duì)反應(yīng)物料進(jìn)行加熱，反應(yīng)后產(chǎn)物直接進(jìn)入 換熱器中對(duì)原料物流進(jìn)行加熱，因此，在不使用冷卻介質(zhì)的前提下，可不斷移除反應(yīng)區(qū)放出 的熱量，從而在相同的床層溫升的情況下，提高甲醇的進(jìn)口濃度，加快甲醇轉(zhuǎn)化速率，降低 反應(yīng)停留時(shí)間，減少副產(chǎn)物生成；
[0023] 2)在不使用額外裝置的前提下，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)熱的回收利用，提高能量利用效率；
[0024] 3)反應(yīng)器裝置簡(jiǎn)單，無(wú)需使用多個(gè)床層，減少了管路和反應(yīng)器內(nèi)部附件，降低了催 化劑裝填量，從而降低了設(shè)備成本。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為甲醇催化脫水制丙烯的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為上管板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為實(shí)施例2中管程和殼程的溫度分布。
[0029] 附圖標(biāo)記說(shuō)明：1.原料物流，2.反應(yīng)器進(jìn)口物流，3.反應(yīng)器出口物流，4.換熱器出 口物流，5.換熱器，6.反應(yīng)器，7.管程，8.殼程，9.上管板，10.下管板，11.反應(yīng)管孔，12.出 氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 如圖1所示，一種甲醇催化脫水制丙烯的反應(yīng)裝置，包括換熱器5與反應(yīng)器6,其 中，換熱器5包括兩個(gè)換熱通道，其中一個(gè)換熱通道為用于流通原料物流的原料通道，原料 物流1流經(jīng)原料通道后以反應(yīng)器進(jìn)口物流2的形式進(jìn)入反應(yīng)器，另一個(gè)換熱通道為用于流 通反應(yīng)物的反應(yīng)物通道，反應(yīng)器出口物流3流經(jīng)反應(yīng)物通道后，以換熱器出口物流4的形式 流出；反應(yīng)器6包括換熱式的殼程和管程，殼程或管程其中一個(gè)用于填裝催化劑，作為反應(yīng) 區(qū)，另一個(gè)作為換熱區(qū)；換熱器5中原料通道與反應(yīng)器6的換熱區(qū)相連通，換熱器5的反應(yīng) 物通道與反應(yīng)器6的反應(yīng)區(qū)相連通。
[0033] 如圖2所示，反應(yīng)器6內(nèi)設(shè)置有上管板9與下管板10,在上管板9上方形成上空 腔，在下管板10下方形成下空腔，在上管板9與下管板10之間設(shè)置反應(yīng)管，且反應(yīng)管的上 下兩端分別與上空腔及下空腔連通，反應(yīng)管內(nèi)形成管程7,反應(yīng)管外形成殼程8,在上管板9 與下管板10之間開(kāi)設(shè)有與換熱器中原料通道連通的反應(yīng)器入口，在下空腔開(kāi)設(shè)有與換熱 器的反應(yīng)物通道連通的反應(yīng)器出口。
[0034] 其中，反應(yīng)管管內(nèi)徑5cm，長(zhǎng)L= 2. 5m，按三角形排列在反應(yīng)器內(nèi)，管心距為6cm。
[0035] 如圖3所示，上管板9上設(shè)置有反應(yīng)管孔11與出氣孔12,其中反應(yīng)管孔11與反應(yīng) 管內(nèi)的管程7相連通，出氣孔12與殼程8相連通。下管板與上管板結(jié)構(gòu)設(shè)置相同。
[0036] 實(shí)施例2
[0037] 參考圖1~圖3,一種甲醇催化脫水制丙烯的方法，包括以下步驟：
[0038] 來(lái)自原料管路的原料物流1進(jìn)入換熱器5的原料通道，從反應(yīng)器6出來(lái)的反應(yīng)物 (反應(yīng)器出口物流3)進(jìn)入換熱器5的反應(yīng)物通道，反應(yīng)器出口物流3與原料物流1進(jìn)行熱 交換，對(duì)原料物流1進(jìn)行預(yù)熱；
[0039] 預(yù)熱后的原料物流即為反應(yīng)器進(jìn)口物流2,反應(yīng)器進(jìn)口物流2從反應(yīng)器入口進(jìn)入 反應(yīng)器的換熱區(qū)（本實(shí)施例中為殼程8)，自下而上流出殼程8,并在殼程8中被反應(yīng)區(qū)放出 的熱量加入，在反應(yīng)器頂部的上空腔內(nèi)混合，然后進(jìn)入裝填有催化劑的反應(yīng)區(qū)（本實(shí)施例 中為管程7)進(jìn)行反應(yīng)；
[0040] 原料物流在反應(yīng)區(qū)自上而下流過(guò)催化劑層后并進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程放熱，放出的 熱量對(duì)