用于改善催化剂流体动力学的反应器多通道格栅

摘要

提供一种用于催化剂在反应器中的流动的方法和设备。该设备包括在反应器容器内的一组格栅，其中，每个格栅包括用于气体和一些催化剂颗粒通过的多个小开口，和用于更多催化剂连续通过的大开口。所述格栅横跨容器水平延伸，并在竖向上间隔开以提供催化剂向下通过反应器的流动。

说明书

优先权声明

本申请要求均于2013年3月29日提交的美国临时申请US61/806,486 和US61/806,493以及均于2014年3月26日提交的美国申请US14/225,464 和US14/225,465的权益。

技术领域

本发明涉及利用反应器内部结构在反应器内分布催化剂的方法和装置。 特别地，本发明涉及甲醇制烯烃(MTO)反应器的内部结构的设计，以更 好地分布催化剂以及更好地使催化剂与反应物接触。

背景技术

乙烯和丙烯，或低碳烯烃，对于商用重要塑料即聚乙烯和聚丙烯的生 产是重要的。其它重要的聚合物前体包括氯乙烯、乙苯、环氧乙烷以及从 低碳烯烃派生出的其它化合物。低碳烯烃的生产主要通过使源自石油的烃 原料的较重的烃类裂解来生产。

低碳烯烃设备是反应器与气体回收系统的组合。反应器包括用于产生 具有低碳烯烃的物料流的裂解单元和用于使低碳烯烃与来自反应器的产品 流中的其它烃组分分离的分馏单元。

由于石油成本的增加，对于低碳烯烃的日益增大的需求已导致人们去 寻找其它资源。其中，新资源包括可源自生物物质的含氧化合物，以及其 它资源。常见的含氧化合物包括醇类且特别是甲醇。特别地，主要包含甲 烷的天然气可被转化成甲醇，且甲醇可被转化成低碳烯烃。含氧化合物通 过反应过程转化以生产包含低碳烯烃的产品流。

一种转化工艺通常被称为甲醇制烯烃(MTO)工艺，且该工艺涉及催 化反应并且在催化反应器内进行以产生低碳烯烃产品流。用于含氧化合物 转化成烯烃的催化剂包括固体催化剂如沸石。在MTO工艺中使用的沸石 在大量专利中有所描述。一个用于制备沸石的方法在US3,957,689中有所 描述。一种用于制备改善了耐磨耗性的催化剂的方法在US4,987,110中有 所描述。用于生产硬质微球的方法在US5,352,645中有所描述。大量其它 专利描述了用于改进反应和用于改进催化剂颗粒硬度的更好的催化剂的制 备。

具有改善的耐磨耗性的催化剂是重要的，因为反应环境是苛刻的物理 环境。MTO反应器通常是流化床且催化剂颗粒会与其它催化剂颗粒以及 与催化剂颗粒经其输送或在其内搅动的物理设备之间发生经常性接触和摩 擦。

改进用于生产低碳烯烃的系统能够增加催化剂寿命并能够改善工艺以 使得所述生产更加经济。

发明内容

本发明是用于改善在含氧化合物转化工艺中生产的低碳烯烃的接触和 产量的方法和设备。该设备包括布置在该反应器内的多个格栅，其中，所 述格栅包括多个小开口和至少一个大开口。所述大开口有助于催化剂的流 动，同时最小化催化剂阻塞，并且在催化剂沿反应器向下流动时引导催化 剂以至少部分地横向流过所述格栅。

该方法包括以通常对流流动方式使富含含氧化合物的物料流流动穿过 催化剂，其中所述催化剂沿反应器容器向下流动且该气体沿该容器向上流 动。该方法使富含含氧化合物的物流与催化剂在反应条件下接触，同时使 催化剂以大致蛇线轨迹沿反应器容器向下流动。催化剂的这种运动最小化 了催化剂密集区的形成并最小化了在工艺中的催化剂分离。

从以下的详细描述和附图中，本发明的其它目的、优势和应用对于本 领域技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

图1示出了完全覆盖MTO反应器的横截面的格栅结构；以及

图2示出了允许催化剂更流畅地沿反应器向下流动的一种格栅结构。

具体实施方式

存在多种利用流化催化剂床的反应器工艺。该催化剂床是流化的，以 在催化剂与反应物之间提供良好接触。甲醇制烯烃(MTO)反应器采用深 度催化剂床。连同改进催化剂，改进反应器内的条件也是重要的。MTO 中的催化剂床是深度流化催化剂床且该催化剂床向下流动经过反应器。深 度催化剂床可在催化剂流动不好的区域以及气体分布不均匀的区域设置在 反应器内。为了改善催化剂在反应器内的运动和流动以及与气体反应物的 接触，在反应器中布置有竖向板或格栅。格栅有助于改善催化剂在反应器 床中的均匀性。这导致产品产量的提高。所述格栅跨反应器床水平延伸并 且在多个高度处布置在催化剂床内。

所述格栅被设计成获得足够的开放面积或横截面积，从而不会影响到 该工艺过程，同时维持足够的强度以支承所述格栅。如果格栅的横截面积 太高，催化剂的流动可能会受限并且会因局部催化剂分离导致反应性能较 差。如在图1中所示，格栅结构示出了MTO反应器的内部结构。图1示 出了布置在反应器容器内的三个格栅10的堆叠。催化剂进入反应器顶部并 向下流动通过反应器并流动经过每个所述格栅10。格栅10由焊接在一起 的多根金属条制成，以形成具有开口的网格结构，所述开口足够用于使催 化剂在反应器内向下流动以及气体在反应器内向上流动。所述金属条通常 为2毫米至5毫米(mm)厚、10毫米至20mm宽，但取决于反应器的尺 寸和反应器内的格栅所需强度，可具有更大的厚度或宽度。所形成的网格 结构将具有侧边尺寸为10mm至50mm的大致矩形或方形的多个开口。格 栅被设计成具有大的开放面积，且优选地，该开放面积大于横截面积的 65％，且更优选大于75％。

由催化剂和气体的对流运动形态引起均匀栅格的问题。所述格栅通过 限制催化剂的向上和向下运动帮助催化剂在统一方向上流动。但气体的流 动和催化剂粒径范围引起一些催化剂分离并产生催化剂密度增大区域和催 化剂密度减小区域。这是因为较小催化剂颗粒被拦截并使得流动穿过格栅 更加困难。

本发明旨在改进催化剂沿催化剂经过反应器的大范围流动方向的流动 并限制或阻止局部高速区和局部不均匀催化剂密度区域的形成。用于本发 明的方法涉及在使催化剂向下通过反应器且进料流向上通过反应器时使含 氧化合物进料流与催化剂接触。

图1示出了在常规反应器中使用的三格栅设计，其中，格栅10横跨反 应器的整个横截面。图1还示出了插图15，其示出了格栅一部分的放大视 图。格栅是开放的并允许催化剂流动穿过该格栅，同时还允许流体沿相反 方向或向上流动穿过该格栅。

本发明包括用于使固体催化剂与流体反应物接触的反应器。该反应器 包括容器、其中该容器具有催化剂入口、催化剂出口、流体入口和流体出 口。在一个实施例中，所述流体是气体，其中，固体向下流动，而气体向 上流动。图2示出了反应器的内部结构，其中在该反应器容器内设置有多 个格栅20。所述格栅20跨反应器水平延伸，并且在每对格栅20之间存在 竖向间隔。格栅20包括多个小开口25，所述小开口具有足以允许气体穿 过开口25的尺寸，并且具有足以允许催化剂颗粒流动穿过所述开口25的 尺寸。格栅20还包括在格栅中的至少一个大开口27。大开口27足够大以 允许催化剂颗粒自由流动。

每个格栅中的大开口27包括占总横截面积的15％至35％的开放空间。 优选地，大开口包括占总横截面积的15％至25％的开放空间。

格栅20沿竖向叠加地设置在所述反应器中，在每对格栅20之间具有 竖向间隔。对于相邻的格栅，每个格栅具有水平取向，并且所述大开口在 水平方向上相对于相邻格栅20的大开口偏置。大开口27呈大致矩形，具 有宽度和长度，其中长度大于宽度。大开口27具有介于5mm和50mm之 间的宽度。在一个优选实施例中，大开口呈大致矩形或梯形，大开口27 的长度从一个边缘至对置边缘地横跨该格栅。

在一个实施例中，反应器格栅20包括板，所述板具有分布在板上的多 个小开口。每个格栅20横跨反应器容器的横截面，并具有与容器的一侧间 隔至少10mm的至少一端。格栅与容器侧壁之间的这种间隔提供出所述大 开口，如在本发明中所定义的。在一个替代实施例中，反应器可具有这样 的格栅，所述格栅具有在侧壁与格栅之间的间隔，其中相邻的格栅在容器 的相反侧具有在侧壁与格栅之间的间隔。在每个格栅20中的开口提供出占 格栅总横截面积的50％至90％的、允许催化剂和流体流动的总开放面积。 在一个优选实施例中，总开放空间或开口的总空间提供出占总横截面积的 70％至85％的总开放面积。

优选地，反应器包括至少三个格栅20，它们沿竖向叠加布置在容器内。 每个格栅具有至少两个大开口，其呈大致矩形或梯形，并且其中，格栅中 的每个大开口横跨格栅的宽度布置。相邻格栅的大开口在水平方向上也与 相邻格栅的大开口错位布置。

在一个实施例中，反应器格栅包括用于控制催化剂颗粒流动通过反应 器容器的结构，其中，所述格栅具有横截面积并且沿与催化剂运动方向基 本垂直的取向布置。格栅20包括多个小开口，其中每个小开口25具有介 于5mm和25mm之间的小尺寸。格栅还包括至少一个大开口，其中，每 个大开口具有至少75mm的小尺寸。每个格栅中的大开口占总横截面积的 15％至35％，且优选占总横截面积的20％至30％。

在一个实施例中，格栅包括两个大开口，且其中，所述两个大开口中 的每一个占总横截面积的5％至20％，其中，所述两个开口的总和占总横 截面积的至少15％。在一个优选实施例中，每个大开口占总横截面积的5％ 至15％。

在另一实施例中，大开口在格栅边缘与容器侧壁之间设置在格栅的一 侧，并占总横截面积的15％至25％。

在一个实施例中，所述格栅包括垂直于格栅平面定向的一系列的交叉 金属条。所述交叉金属条形成包括多个小开口和至少一个大开口的网格结 构。

多通道格栅的加入将阻止增大的催化剂密度区的形成并改善催化剂通 过反应器容器的整体流动。这提供了在催化剂和流体之间的接触并提高了 反应器产能。格栅防止了相对于催化剂竖向运动的局部高速区。催化剂不 允许从反应器顶部向催化剂出口的自由向下流动。催化剂向下流动，但同 样被引导至横向或部分横向地流过反应器。这提供了催化剂混合以及空隙 空间的打破并防止了高密度催化剂体积的形成。由于格栅的设计而改善的 流动形态减少了催化剂的分离。

小开口为流体或气体提供向上流动，但允许一些催化剂流动穿过小开 口。仅利用一排小开口，则催化剂可发生分离并且气流将优先寻找阻力最 小的途径，从而形成了分离的催化剂区域。大开口引导催化剂并帮助催化 剂流动通过反应器并使得催化剂的分离被最小化。

本发明的另一方面是用于从含氧化合物生产烯烃的方法。该方法包括 将催化剂送入反应器，如上所述地。催化剂向下流动通过该反应器，并且 包含含氧化合物的进料流经布置在反应器容器底部附近的反应器入口被送 入该反应器内。进料流向上流动并越过催化剂，反应并生成含烯烃的出口 工业生产流。格栅在催化剂向下流过该反应器时，为催化剂提供在反应器 容器的至少一部分处的横向流动。

进料流包括具有含氧化合物的流体。含氧化合物可包括醇类、醚类、 醛类、酮类、羧酸及其混合物。在该方法的一个优选实施例中，含氧化合 物包括醇类和醚类。更优选的是，所述进料包括甲醇、或二甲醚、或二者 的组合。

本发明采用用于使含氧化合物转化成烯烃的任何合适的催化剂。优选 的催化剂是沸石或非沸石分子筛。一种优选的催化剂包括硅磷酸铝 (SAPO)。

该方法在反应条件下操作以在催化剂上将含氧化合物转化成烯烃。反 应条件包括范围为200℃至700℃，且优选范围为300℃至600℃ 的温度。用于所述转化的反应器内的压力在100kPa至10Mpa之间，且 优选范围为从170kPa至2Mpa。

尽管已经用目前所认为的优选实施例描述了本发明，但应当理解，本 发明并不限于所公开的实施例，而是打算涵盖包含在后附权利要求的范围 内的各种不同的变形和等同配置。

具体实施例

尽管下方结合了具体实施例进行了描述，但应当理解，这种描述旨在 举例阐明而非限制前述说明和后附权利要求的范围。

本发明的第一实施例是用于使固体催化剂与流体反应物接触的反应器， 该反应器包括容器，该容器具有催化剂入口、催化剂出口、气体入口和气 体出口；布置在所述容器中并跨所述容器水平延伸的多个格栅，并且在成 对格栅之间具有竖向间隔，其中，每个格栅包括多个小开口，所述小开口 具有足以允许气体穿过和催化剂颗粒穿过的尺寸；以及用于允许催化剂颗 粒自由地流动穿过所述格栅的至少一个大开口。本发明的具体实施例是从 本段落的第一实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例， 其中，每个格栅具有横截面积，且至少一个大开口占所述横截面积的15％ 至35％。本发明的具体实施例是从本段落的第一实施例起的本段落中的一 个、任一个或所有的在先实施例，其中，每个格栅具有横截面积，且至少 一个大开口占所述横截面积的15％至25％。本发明的具体实施例是从本段 落的第一实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中， 所述格栅在容器内具有水平取向并被竖向间隔地布置。本发明的具体实施 例是从本段落的第一实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实 施例，其中，所述格栅具有水平方向并且其中相邻格栅具有在水平方向上 相对于相邻格栅的大开口错位布置的大开口。本发明的具体实施例是从本 段落的第一实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其 中，所述大开口呈大致矩形并横跨所述格栅，并具有介于5mm和50mm 之间的开口宽度。本发明的具体实施例是从本段落的第一实施例起的本段 落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，每个格栅包括板，板上 分布有多个小开口，且每个格栅横跨容器的横截面并具有与容器的一侧间 隔至少10mm的端部，其中，所述容器侧壁与格栅之间的间隔限定出所述 大开口。本发明的具体实施例是从本段落的第一实施例起的本段落中的一 个、任一个或所有的在先实施例，其中，供选择的格栅具有位于格栅与在 容器相反侧的容器侧壁之间的间隔。本发明的具体实施例是从本段落的第 一实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述 反应器包括沿竖向叠加布置在容器中的至少三个格栅，且其中，每个格栅 具有至少两个大开口，所述大开口呈大致矩形，并且其中所述开口横跨格 栅的宽度，并且其中，所述大开口在水平方向上相对于相邻格栅的大开口 错位布置。本发明的具体实施例是从本段落的第一实施例起的本段落中的 一个、任一个或所有的在先实施例，其中，格栅具有用于催化剂和流体流 动的总开放面积，该总开放面积占总横截面积的50％至90％。

本发明的第二实施例是反应器格栅，其包括用于控制催化剂颗粒经过 反应器容器的流动的结构，其中，所述结构具有横截面积，并且在与催化 剂运动方向基本垂直的取向上布置，所述结构包括多个小开口，其中，每 个小开口具有5mm至25mm的小尺寸；以及至少一个大开口，其中，所 述大开口具有至少75mm的最小小尺寸；其中，所述大开口占所述结构的 横截面积的15％至35％。本发明的具体实施例是从本段落的第二实施例起 的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，大开口占所述横 截面积的20％至30％。本发明的具体实施例是从本段落的第二实施例起的 本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述至少一个大开 口包括两个开口，并且其中，所述两个大开口中的每个占所述结构的横截 面积的5％至20％。本发明的具体实施例是从本段落的第二实施例起的本 段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述格栅包括一个大 开口，其位于格栅一侧上并且占格栅的横截面积的15％至25％，且其中所 述格栅的其余部分包括多个小开口。本发明的具体体现是从本段落的第二 实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述格 栅包括至少两个大开口，其中，每个开口是横跨所述格栅的呈大致矩形的 开口，且其中，每个大开口占格栅的横截面积的5％至15％，且其中，格 栅的其余部分包括多个小开口。本发明的具体实施例是从本段落的第二实 施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述格栅 包括垂直于格栅平面定向的一系列交叉金属条，且其中，所述交叉金属条 形成包括多个小开口和至少一个大开口的网格结构。本发明的具体实施例 是从本段落的第二实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施 例，其中，所述格栅由金属板构成，所述金属板具有遍布该板的多个孔， 且其中，所述板包括占格栅的总横截面积的15％至25％的至少一个大开口。 本发明的具体实施例是从本段落的第二实施例起的本段落中的一个、任一 个或所有的在先实施例，其中，用于催化剂和流体流动的总开放面积占总 横截面积的50％至90％。本发明的具体实施例是从本段落的第二实施例起 的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，用于催化剂和流 体流动的总开放面积占总横截面积的70％至85％。

本发明的第三实施例是用于从含氧化合物生产烯烃的方法，该方法包 括将催化剂送入用于使固体催化剂与流体反应物接触的反应器中，该反应 器包括容器，该容器具有催化剂入口、催化剂出口、气体入口和气体出口； 布置在所述容器中并跨所述容器水平延伸的多个格栅，并且在成对格栅之 间具有竖向间隔，其中，每个格栅包括多个小开口，所述小开口具有足以 允许气体穿过和催化剂颗粒穿过的尺寸；以及用于允许催化剂颗粒自由地 流动穿过所述格栅的至少一个大开口；以及使包含含氧化合物的流体流穿 过所述催化剂。本发明的具体实施例是从本段落的第三实施例起的本段落 中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，在反应器中的每个格栅具 有横截面积，且所述至少一个大开口占所述横截面积的15％至35％。本发 明的具体实施例是从本段落的第三实施例起的本段落中的一个、任一个或 所有的在先实施例，其中，在反应器中的每个格栅具有横截面积，且所述 至少一个大开口占所述横截面积的15％至25％。本发明的具体实施例是从 本段落的第三实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例， 其中，反应器内的所述格栅在容器内具有水平取向并且在竖向上间隔布置。 本发明的具体实施例是从本段落的第三实施例起的本段落中的一个、任一 个或所有的在先实施例，其中，包含含氧化合物的流体流包括选自醇类、 醚类、醛类、酮类、羧酸及其混合物的含氧化合物。本发明的具体实施例 是从本段落的第三实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施 例，其中，在格栅中的大开口呈大致矩形并横跨所述格栅，并具有5mm 至50mm的开口宽度。本发明的具体实施例是从本段落的第三实施例起的 本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，在反应器内的每个 格栅包括板，所述板具有分布于板上的多个小开口，并且每个格栅横跨容 器的横截面并具有与容器的一侧间隔至少10mm的端部，其中，在容器侧 壁与格栅之间的间隔限定出所述大开口。本发明的具体实施例是从本段落 的第三实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中， 所述催化剂包括包含硅磷酸铝的分子筛。本发明的具体实施例是从本段落 的第三实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中， 反应器包括沿竖向叠加布置在容器内的至少三个格栅，且其中，每个所述 格栅具有呈大致矩形的至少两个大开口，且其中，所述开口横跨所述格栅 的宽度，并且其中所述大开口在水平方向上相对于相邻格栅的大开口错位 布置。本发明的具体实施例是从本段落的第三实施例起的本段落中的一个、 任一个或所有的在先实施例，其中，在反应器中的所述格栅具有用于催化 剂和流体流动的总开放面积，该总开放面积占总横截面积的50％至90％。

本发明的第四实施例是用于将含氧化合物转化成烯烃的方法，该方法 包括使催化剂移送经过反应器，其中，该反应器包括多个反应器格栅，其 中，每个反应器格栅包括用于控制催化剂颗粒经过反应器容器的流动的结 构，其中，所述结构具有横截面积并沿相对于催化剂的运动方向基本垂直 的取向布置，该结构包括多个小开口，其中，每个小开口具有5mm至25mm 的小尺寸；和至少一个大开口，其中，所述大开口具有至少75mm的最小 小尺寸；其中，所述大开口占所述结构的横截面积的15％至35％；并且在 反应器中在反应条件下移送包含含氧化合物的流体流穿过催化剂，以生成 包含烯烃的工艺流。本发明的具体实施例是从本段落的第四实施例起的本 段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，在每个反应器格栅中， 大开口占横截面积的20％至30％。本发明的具体实施例是从本段落的第四 实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施例，其中，在每个 反应器格栅中，所述至少一个大开口包括两个开口，且其中，所述两个大 开口中的每个占所述结构的横截面积的5％至20％。本发明的具体实施例 是从本段落的第四实施例起的本段落中的一个、任一个或所有的在先实施 例，其中，所述格栅包括一个大开口，其位于格栅一侧上并且占格栅的横 截面积的15％至25％，且其中所述格栅的其余部分包括多个小开口。本发 明的具体实施例是从本段落的第四实施例起的本段落中的一个、任一个或 所有的在先实施例，其中，所述催化剂包括沸石或非沸石分子筛。本发明 的具体实施例是从本段落的第四实施例起的本段落中的一个、任一个或所 有的在先实施例，其中，所述催化剂包括硅磷酸铝(SAPO)。本发明的 具体实施例是从本段落的第四实施例起的本段落中的一个、任一个或所有 的在先实施例，其中，所述反应条件包括200℃至700℃的温度。本发 明的具体实施例是从本段落的第四实施例起的本段落中的一个、任一个或 所有的在先实施例，其中，包含含氧化合物的流体流选自醇类、醚类和其 混合物。本发明的具体实施例是从本段落的第四实施例起的本段落中的一 个、任一个或所有的在先实施例，其中，所述反应条件包括100kPa至2000 kPa的压力。

无需进一步详细描述，认为通过上面的描述，本领域技术人员能够在 不背离本发明的精神和范围的情况下，充分地使用本发明并容易地确定本 发明的实质特征，以便做出本发明的各种不同的改变和变型并且使其适用 于各种不同的用法和条件。因此，前述的优选具体实施例被理解为仅仅是 示例性的，而不会以任何方式限制本公开的其余内容，并且打算涵盖包含 在后附权利要求的范围内的各种各样的变形和等同配置。

除非另有说明，否则在前述中所有的温度均以摄氏度为单位描述，且 所有部分和百分比均按重量计。