一种多级串联逐步切换的固定床催化反应方法及其装置

摘要

一种保持起催化作用的催化剂用量不变,采用分级、多段、串联和逐步切换的固定床反应器,达到延长反应器单程操作周期的催化反应方法,该反应器结构简单,操作灵活,与常规的固定床反应器相比,在催化剂用量相同的情况下,具有单程操作周期长、压降小和选择性高等优点。

说明书

本发明属于催化反应工程和反应装置。

任何一种催化反应的催化剂在运转周期内其活性都是逐步下降的，不同类型的催化反应其活性下降速度不同，因而采用的反应器形式也不同。如流化床反应器适应于失活极快的反应，移动床和模拟移动床反应器适应于失活较快的反应，固定床反应器适用于失活速度较慢的反应，但是无论哪一种反应器在运行过程中，起催化作用的催化剂用量都是相对固定的，这在US4313908、US4330505，US4233268，CN86103973和特开昭59-126407中均有阐述，其中US4313903和US4330505中所述的固定床反应器也能变动床层总高度，这种固定床反应器在主床层之上设置辅助床层，进行催化反应过程，当辅助床层发生淤塞时，参加反应的气相和(或)液相物料通过设置的旁路进到主床层，此时反应器的总床层高度降低了。起催化作用的催化剂减少了，但可延长操作周期。CN1023445C专利，所述的可变床层高度催化反应方法及其装置中特征在于催化剂用量在操作周期内逐步增加，催化剂床层高度在操作周期内也是逐步增加的。但是随着催化剂量和床层高度的增加，尤其反应中后期的催化剂床层中，不断增加在前期反应已基本失活或部分失活的催化剂段，这些催化剂段对催化作用的贡献极小，而对反应器阻力降的增加作用极大，导致运转能耗增高和使反应结果变坏。

由上述现有技术可知，还未曾有在保持起催化作用的催化剂用量不变的条件下，采用分级多段串联反应器，逐步切换来延长单程操作周期的催化反应方法。

本发明目的在于解决上述现有技术之中不足之处，即保证操作周期内起催化作用的催化剂用量不变的前提下，采用分级多段串联反应器，从上至下逐步切出上级的一段床层，同时切入下一级一段床层来维持反应活性，保证平稳，实现延长单程操作周期和保持反应产物的高选择性。并提出一种有效的反应装置，实现在化学反应高转化率、高选择性前提下，控制压降不升高。

本发明的装置见图1所示，图1中：

R-反应器；

1-反应原料1入口管线；

2-反应原料2入口管线；

3-反应原料混合物管线；

4-反应产物出口管线；

V_1F1-1～V_nF1-Q-反应原料1入口阀；

V_1F2-1～V_nF2-Q-反应原料2入口阀；

V_1E～V_nEq-反应产物出口阀；

Vs₁-连通阀。

本发明的一种多级串联逐步切换的固定床催化反应方法的特征是，在催化反应操作期间，通过不断同步改变反应原料入口及反应产物出口的位置，使参加催化反应的催化剂床层不断下移并始终保持其高度不变，达到在操作周期内维持反应平稳、阻力降平稳的目的。

本发明的装置在固定床反应器R内设置至少两个反应级，其中第一级至少有两个反应段，其余各级至少有一个反应段，各段催化剂可以设置在同一个反应器内，也可以设置在两个反应器或多个反应器内，即各级间可以设置封头，各段催化剂装填量可以根据不同反应的特性来确定。对应段催化剂装填比例相同。反应器每一段均设有原料入口阀和入口管线，除第一级前m-1段外各段均有出口阀和出口管线，若设多个反应器反应器间有与之相连的下一段的连通线和连通阀Vs。当反应初期，催化剂活性很高时，仅投用一级的m个反应段，参加反应的原料气相和(或)液相分别通过管线1，2，原料入口阀V_1F1-1，V_1F2-1和管线3进入反应器或分路经投用的各段进料阀和管线3进入反应器，原料在一级反应器的m个反应段进行反应，反应后的物料经出口阀V1E通过出口管线4出反应器，当一级反应器的m个反应段催化剂活性下降，达不到规定的转化率时，关闭一级第一段或前若干段的全部原料入口阀或其中某同一原料的入口阀，使得一级第一段或前若干段切出反应系统或使其不发生催化作用，同时将二级相对应的第一段或前若干段全部原料入口阀打开，使其切入反应维持参与反应的催化剂用量和高度不变，同时关闭一级出口阀V1E，打开切入反应的二级第一段或前若干段出口阀Viej和连通阀，当转化率又达不到规定值时，再按上述方法切出一段或若干段，同时切入下一级对应的反应段，依此类推，直至投用最后一级的最后一段催化剂床层，也达不到规定的转化率时，反应器的各级、各段停运，准备进行催化剂再生。

本发明对于在反应床层内催化剂呈现层次失活的过程特别有效。由于高浓度的初始反应物料与顶层催化剂接触时，会发生剧烈的反应，往往导致顶层催化剂失活较快，床层阻力增加迅速，定期切出这段失活催化剂，同时在下部补充等量的新鲜催化剂，既保证平稳操作又可以延长单程操作周期。

本发明对于在反应床层内副反应随床层延长(即接触时间增长)而增加的反应过程特别有效。采用适宜高度的反应床层既保持一定的接触时间和转化深度，又尽量避免副反应的过多的发生，便于产品分离等后处理工艺的平稳操作。

本发明适应于在反应床层内起催化作用的催化剂，主要是在上部，而下部的催化剂对主反应贡献较少，而又可能引发某些副反应增多的化工过程。只要保证达到规定转化率的催化剂量参与反应，多余的催化剂在反应初期保存下来，依据催化剂失活情况逐步切换到反应床层内，因而可大大延长单程操作周期。

本发明不同于模拟移动床，模拟移动床的操作方式是至少有两个单段反应器在运转，一个单段反应器在再生或备用，即切换程序为1，2；2，3；3，1；1，2。其性能类似于常规的固定床反应器，而且每个单段反应器需要配备一套再生系统，工艺较为复杂，此外一般模拟移动床的单段反应器的催化剂装量基本上相等，而本发明的分级多段串联依次切换的反应器各段的催化剂装量可以不相等或者相等，可以依据各个反应的特性来确定，只要满足一级第一段催化剂量等于二级第一段催化剂装量，一级第二段等于二级第二段，依此类推。每一级的各段催化剂装填比例可以不同或者相同。

本发明的反应器与催化剂用量相同的一般固定床反应器相比，单程操作周期可延长0.5-3倍，本发明适应于催化反应过程，特别适用于苯烷基化、甲苯烷基化、甲苯歧化和酯化等过程。

对于积炭严重的而且易失活的催化反应过程，本发明不仅能使起反应的催化剂的活性得以维持，而且由于切除了上部被积炭堵塞的反应段，使床层总压降保持恒定。

            实施例1

FCC干气与苯反应制乙苯过程，采用常规固定床反应器，物料上进下出。运转初期由于催化剂活性高，大部分乙烯与苯在上层催化剂作用下反应生成了乙苯，到底层催化剂后由于剩下乙烯很少，生成乙苯也很少，但是底层催化剂仍处于高温区，副反应却大大增加，如甲苯和二甲苯生成比较多，而且催化剂生焦和积炭同时发生，导致活性也逐渐下降。当上层的催化剂已失活，底层催化剂本该催化苯烷基化反应了，但是由于因生焦积炭使活性降低。因此未能生成更多的乙苯产品。所以整个反应器的催化剂运转周期为50天。乙苯中二甲苯3000ppm，床层总压降0.4mPa，采用本发明的二级反应器(一级四段，二级一段)，催化剂运转初期由于活性高，只启动一级1-4四个反应段，二级的一段未投用，也就是原料从一级一段进入，经过一级一、二、三、四段，反应后物料最后从第四段出反应器，乙烯总转化率大于98w％，床层总压降0.05mPa，乙苯中二甲苯2100ppm。当乙烯转化率小于95w％时，切出一级一段催化剂或使其不发生催化作用，此时，总压降.0.10mPa，同时，将二级一段切入反应系统(一级一段与二级一段催化剂装量与装填高度相同)，使物料通过一级二、三、四段再经二级一段后出系统，由于活性低的一级一段催化剂切出，活性高的二级一段切入，乙烯转化率又达98w％以上，总压降由0.10mPa降到0.065mPa，运转到最后总压降0.20mPa，采用一级三段、二级二段反应器，开始启动一级1-3段，当转化率达不到95w％时切出一级一段切入二级一段，当转化率达不到95w％时，再切出一级二段切入二级二段，总压降0.18mpa，乙苯中二甲苯不大于2000ppm。采用本发明的反应器和操作方法在催化剂总用量和操作条件完全相同的情况下，比上述常规固定床反应器的操作周期长25-100天，单位催化剂的生产能力显著增加，反应流出物中甲苯和二甲苯含量减少30-50w％。

        实施例2

FCC干气与甲苯反应制对甲基乙苯过程，在催化剂用量、操作条件完全相同的情况下，采用本发明的反应器比常规固定床反应器操作周期长0.5-1倍。