一种用于两个催化反应隅合过程的二段床反应器

摘要

一种用于两个催化反应隅合过程的二段床反应器,适合于甲烷、乙烷直接转化制乙烯过程,其特征在于:该反应器具有两个分离的反应原料气入口E

说明书

本发明涉及化学反应器，特别提供了一种用于两个催化反应隅合过程的二段床反应器。

天然气直接转化制乙烯是天然气高效利用的途径之一，最先由Keller和Bhasin于1982年提出甲烷氧化偶联法。由于甲烷氧化偶联反应需在750℃以上的高温下进行，同时又是一个强放热反应，而且完全氧化产物二氧化碳无法避免，致使碳二烃收率难以突破25％的限制，尾气中乙烯浓度仅～5％(mol％)，一直难以向工业迈进。中科院大连化物所和中科院金属所在中国专利98121137.2中提出的由天然气直接转化制乙烯新流程，具有能量利用合理，原料利用率高，尾气中乙烯含量高等显著特点。在该流程中，甲烷氧化偶联系放热反应，而乙烷二氧化碳氧化脱氢反应属吸热反应，前一反应不仅为后一反应提供热，还提供原料--二氧化碳，最终产物中乙烯浓度大于12％，但是到目前为止，尚没有适合上述反应过程的反应器。

本发明的目的在于提供一种用于两个催化反应隅合过程的二段床反应器，特别适用于甲烷、乙烷直接转化制乙烯过程，可以使两个催化反应在同一个反应器内进行，从而使反应设计和能量利用更为合理。

本发明提供了一种用于两个催化反应隅合过程的二段床反应器，适合于甲烷、乙烷直接转化制乙烯过程，其特征在于：该反应器具有两个分离的反应原料气入口E₁(1)、E₂(2)和一个最终反应产物出口T(3)；1～200根列管(4)将反应器内部分隔为管程(5)和壳程(6)两个流体空间，管程(5)和壳程(6)在气路上串联，气路的两个末端分别为第一种反应原料气入口E₁(1)和最终反应物出口T(3)，管程(5)和壳程(6)的串联处设置第二种反应原料气入口E₂(2)；管程(5)和壳程(6)中分别装置两个反应的两种催化剂。

本发明所提供的反应器可以有两种不同的结构形式，第一种是管程(5)的出口处设置原料气入口E₁(1)，管程(5)内装置第一段反应催化剂V₁；壳程(6)的出口设置反应产物出口T(3)，壳程(6)中装置第二段反应催化剂V₂。上述第一种原料气入口E₁(1)与第二种原料气入口E₂(2)在反应器轴向上对置，最终反应产物出口T(3)设置在反应器侧壁。

第二种是壳程(6)的出口处设置原料气入口E₁(1)，壳程(6)内装置第一段反应催化剂V₁；管程(5)的出口设置反应产物出口T(3)，管程(5)中装置第二段反应催化剂V₂。上述反应产物出口T(3)与第二种原料气入口E₂(2)在反应器轴向上对置，第一种反应气入口E₁₂(1)设置在反应器侧壁。

本发明用于甲烷、乙烷直接转化制乙烯过程时，第一种原料气入口E₁(1)通过含甲烷、氧混合气，第二种原料气入口E₂通入含乙烷气；V₁为甲烷氧化偶联反应催化剂，V₂为乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂。

本发明反应器具有下述优点：

1.在一个整体反应器中平行存在两个催化剂装填空间，可以分别装填甲烷氧化偶联反应催化剂和乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂。

2.同一反应器中顺次发生甲烷氧化偶联反应和乙烷二氧化碳氧化脱氢反应，并进行质量传递，没有氧化偶联产物分离这个中间过程。

3.两催化剂装填空间的气路串联连通处，存在含乙烷气体进料口。含乙烷气体与经过前段催化剂床层的反应产物并流混合，进入后段催化剂床层。气流不返混。

4.两催化剂装填空间的热交换，不仅可以通过反应物作为传热工质传递热量，还通过催化剂装填空间之间的管壁进行热量传导。

5.反应器可为绝热反应器或恒温反应器。

6.该反应器使用适应于天然气直接转化制乙烯新流程。

下面通过附图详述本发明。

附图1为单套管式反应器A示意图。

附图2为单套管式反应器B示意图。

附图3为列管式反应器示意图。

实施例1单套管式反应器

根据含甲烷与氧气体进料口E₁和最终产物出口T的位置以及催化剂的装填，单套管式反应器又分为两种结构，即附图1、2所示的单套管式反应器A和单套管式反应器B。单套管式反应器A中，含甲烷与氧气体由内外管夹层即壳程的底部端口进料，最终反应产物从内管即管程的一端口流出，甲烷氧化偶联反应催化剂置于内外管的夹层中，乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂置于内管中。单套管式反应器B中，含甲烷与氧气体由内管的一端口进料，最终反应产物从内外管夹层的底部端口流出，甲烷氧化偶联反应催化剂置于内管中，乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂置于内外管的夹层中。

实施例2

根据含甲烷与氧气体进料口E₁和最终产物出口T的位置以及催化剂的装填，列管式反应器也可分为两种方式，但这两种方式的反应器结构是相同的。方式A中，含甲烷与氧气体由与列管间空腔即壳程相通的侧端口进料，最终反应产物从与列管相通即管程的底部端口流出，甲烷氧化偶联反应催化剂置于若干根列管间的空腔中，乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂置于若干根列管中。方式B中，含甲烷与氧气体由与若干根列管相通的底部端口进料，最终反应产物从与列管间空腔相通的侧端口流出，甲烷氧化偶联反应催化剂置于若干根列管中，乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂置于若干根列管间的空腔中。图3所示为方式B。

该反应器在轴向位置上，使甲烷氧化偶联反应催化剂床层和乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂床层两端保持一致。

反应器中气体流向是：含甲烷与氧气体由进料口E₁进入甲烷氧化偶联反应催化剂床层，与甲烷氧化偶联反应催化剂接触后，氧化偶联反应产物不经分离与换热，直接与由进料口E₂进入的含乙烷气体并流混合流进乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂床层，最终反应产物由反应器出口T流出。甲烷氧化偶联反应为乙烷二氧化碳氧化脱氢的反应物。甲烷氧化偶联反应催化床层的反应热不仅通过气流携出传递给乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化床层，而且通过装填空间V₁和V₂之间的管壁传导，致使甲烷氧化偶联反应放出的大量热可迅速移走，且对乙烷二氧化碳氧化脱氢这个吸热反应能快速补热。

该反应器使用适应于天然气直接转化制乙烯新流程，反应温度在600～1000℃之间，反应压力在0.1～3.0MPa之间。反应器材质既可为高温合金，也可为高温陶瓷或石英玻璃。

实施例3

采用单套管式反应器A，将1.5ml甲烷氧化偶联反应催化剂(La/CaO+助剂)和3ml乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂(中国专利95111957.5，95113951.7，96115387.3公开的催化剂)分别装填于V₁和V₂中。在氮气气氛中，将催化剂加热到775℃。然后关闭氮气，并通入120ml/min的甲烷与氧混合气(甲烷/氧＝2)和20ml/min的乙烷，获得的乙烯收率为19.5％ ，尾气中乙烯浓度为11.8mol％。反应体系压力为常压。

实施例4

采用单套管式反应器B，将1.5ml甲烷氧化偶联反应催化剂(La/CaO+助剂)和3ml乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂(中国专利95111957.5，95113951.7，96115387.3公开的催化剂)分别装填于V₁和V₂中。在氮气气氛中，将催化剂加热到800℃。然后关闭氮气，并通入200ml/min的甲烷与氧混合气(甲烷/氧＝4)和20ml/min的乙烷，获得的乙烯收率为14.6％，尾气中乙烯浓度为8.3mol％。反应体系压力为常压。

实施例5

采用列管式反应器，将15ml甲烷氧化偶联反应催化剂(La/CaO+助剂)和30ml乙烷二氧化碳氧化脱氢反应催化剂(中国专利95111957.5，95113951.7，96115387.3公开的催化剂)分别装填于V₁和V₂中。在氮气气氛中，将催化剂加热到775℃。然后关闭氮气，并通入2000ml/min的甲烷与氧混合气(甲烷/氧＝4)和130ml/min的乙烷，获得的乙烯收率为12.8％，尾气中乙烯浓度为7.2mol％。反应体系压力为常压。