CN101439278A - 反应器冷却器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及反应器冷却器，其中提供一种用于将具有一种或多种氧化化合物的进料流转化成含烯烃产物的反应器。该反应器包括由反应器壁所限定的流化反应区和位于该反应区附近的进料流入口。该进料流入口有效工作以向反应区供给所述进料流。提升管从所述反应区延伸且将所述进料流与所述催化剂的汽化组合从所述反应区携带到由所述提升管供给的分离区。至少一个冷却管安置于所述反应器内且基本上竖直地并基本上平行于该反应器壁延伸。所述冷却管位于该反应器壁附近且从该反应区的上部朝该反应区的下部延伸。

Description

反应器冷却器
技术领域
本公开内容一般涉及用于在流化床反应器内的冷却反应中使用的过程和系统。更确切地说，本公开内容涉及利用流化床反应区和导致甲醇转化成烯烃的反应的烃转化过程。
背景技术
用于将包含了含氧化合物的进料流转化成含有烯烃的产物的过程和系统是已知的。这样一种使用流化床反应的过程的一个实例在美国专利第6,166,282号中示出，美国专利第6,166,282号通过援引而被并入本文，其示出了含氧化合物转化过程和带有上部脱离区和下部反应区的快速流化床反应器。反应区具有密相区和过渡区，过渡区从密相区向上延伸入脱离区。在存在任选稀释剂的情况下，原料传递到密相区内，密相区含有非沸石催化剂以实现进料流到低碳烯烃(light olefin)的至少部分转化。然后进料流和催化剂被传递到过渡区内以实现基本上完全转化。在脱离区中，一部分催化剂从过渡区上方收回，通过外部再生器至少部分地再生，并返回到密相区上方的一点，同时催化剂从脱离区持续地循环到下部反应区。另外，未经再生的脱离的催化剂经由外部再循环立管收集并再循环到密相区内。在这个过程中，通过经由立管内的或邻近再生器的外部热交换器从催化剂移除热来控制反应温度。
美国专利第4,071,573号教导了一种通过处置放热反应的热来延长催化剂寿命的方法。Owen公开了一种立式反应器容器，在反应中进料流和可流化的催化剂颗粒穿过该立式反应器容器向上传递。在一个实施例中，通过经由分配器网格向该反应施加阻封流体来控制反应温度，分配器网格穿过反应器竖直地间隔开。在另一实施例中，催化剂在注入到反应区内之前被冷却。在最后的实施例中，存在多个绕反应器竖直地间隔开的热交换管。热交换管形成跨越反应器截面的网格。进料流通过热交换管传递，从而从反应移除热并预热进料流。另外，在反应中使用的催化剂在注入反应器内之前被冷却。
鉴于对控制诸如上文所述反应温度的需要，提供一种有效且节约成本的方式来冷却这样的反应也许是有益的。
发明内容
本发明提供一种用于将具有含氧化合物的进料流转化成含烯烃产物的反应器。该反应器包括由反应器壁限定的流化反应区和位于反应区附近的进料流入口。进料流入口有效工作以向反应区供给所述进料流。提升管从所述反应区延伸并将所述进料流与所述催化剂的汽化组合从所述反应区携带到由所述提升管供给的脱离区。至少一个冷却管安置于反应器内且基本上竖直地并基本上平行于反应器壁延伸。冷却管位于反应器壁附近且从反应区的上部朝向反应区的下部延伸。本发明还提供了一种在所述反应器中使用的冷却系统和一种使用反应器和冷却系统来产生烯烃的方法。
附图说明
图1是流化反应器的示意图。
图2是反应器内壁的侧视图
图3是反应器的俯视截面图。
具体实施方式
在使用代表性反应器的情形下讨论了本发明的过程和系统，这种代表性反应器采用快速流化床反应器。尽管出于说明反应器中温度控制重要性的目的给出了快速流化床反应器的具体情况，但本领域技术人员将认识到本发明的过程和系统可适用于在类似反应器中发生的反应。在下文中给出了典型反应器和反应过程的概述，以及采用冷却系统的优选反应器的详细说明。
所说明的快速流化床反应器包括上部脱离区和下部反应区。下部反应区包括密相区，密相区在小于1米每秒(3英尺每秒)的表观速度(superficial velocity)范围内工作。术语“表观速度”表示气体流经容器时的速度。表观速度通常由气体的体积流率除以容器的截面积来确定。
过渡相区安置于密相区上方且从下部反应区延伸到上部脱离区内。过渡相区包括逐渐缩小的圆锥体，其将流动路径直径从密相区的直径减小到提升管的直径。过渡区内的表观速度范围从1米每秒(3英尺每秒)到6米每秒(13英尺每秒)。在有效条件下的原料进料流被引入到下部反应区内，在那里其接触部分结焦催化剂来选择性地产生低碳烯烃。随着未反应原料和反应产物穿过密相区，它们被携带到带有部分结焦催化剂颗粒的过渡区内，部分结焦催化剂颗粒具有数目减少的活性催化剂中心(active catalyst site)。随着未反应原料、流化催化剂颗粒以及反应产物的混合物进入过渡区，反应继续以基本上完成含氧化合物原料的转化(99％摩尔)。提供至少一个催化剂再循环立管以使一部分催化剂混合物从上部催化剂床转移或返回到密相区。
优选地，提供催化剂冷却系统来在催化剂与进料流起反应时冷却催化剂和进料流。如下文更详细地描述，冷却系统包括沿着反应器内的反应器壁安置的多个冷却管。冷却管被供以锅炉给水，锅炉给水被加热以产生蒸汽，蒸汽优选地在反应器复合体中的其它地方使用。采用冷却管的冷却系统在反应器系统内的使用将不需要穿过催化剂冷却器的昂贵且复杂的流动。
反应条件可由本领域技术人员来决定且其优选地包括200℃至600℃、更优选为300℃至500℃的温度，以及6.895至1379kPa、更优选地137.9kPa至689.5kPa的压力。上文所引用的且由此通过援引而合并的美国专利第4,499,327号和美国专利第4,873,390号对用于产生低碳烯烃的典型过程进行了描述。
优选地，反应区包括至少一个催化剂再循环立管以便于催化剂返回到密相区。来自密相区的一部分催化剂被收回，任选地以常规方式被汽提并传递到再生区。在再生区中，结焦催化剂至少部分再生以产生再生的催化剂。再生的催化剂在密相区上方的位置处返回到反应区。更具体地，再生的催化剂可在密相床上方的位置返回到反应区，诸如在提升管或过渡区中的一点处，或在脱离区中诸如到上部催化剂床中的一点处。一般认为通过使再生的催化剂返回到密相区上方的位置，使新近再生的催化剂与含氧化合物原料之间的接触最小，从而改进了对乙烯的选择性并降低了焦炭的总产量。再生的催化剂被净产物流的一部分提升到反应区。优选地，用于提升再生的催化剂的该部分净产物流包括丁烯，其在分馏区中从净产物流中分馏，产生乙烯流、丙烯流和丁烯流。
现参考图1，以示意形式说明了快速流化床反应器10。反应器10包括脱离区62和由反应器壁45所限定的下部反应区，下部反应区具有密相区44和过渡相区46。反应器壁可由不锈钢构造，具有用于防腐蚀的硬化内衬。
在存在稀释剂的情况下，进料流经由管线50传递到进料流入口14。进料流优选地包括至少一种选自包含甲醇、乙醇、二甲醚等的组的含氧化合物原料。原料和稀释剂掺合物穿过进料分配器34并进入到密相区44内。进料分配器34可由均匀平坦的筛板组成，该筛板允许汽相供给掺合物穿过同时保持催化剂在筛板的上方。一般而言，进料分配器34由总直径小于大体上圆形的进料分配器34外径的环来支撑。该环可由圆柱体来支撑，该圆柱体具有贯穿其延伸的穿孔或排放口以防止催化剂在其侧部上积聚。该圆柱体通常可与筛板成直角而焊接到环上以形成进料分配器组件且该进料分配器组件刚性地安置于位于进料入口14上方的下部反应区的基部上。该环用作支撑催化剂床以及减小进料分配器34中的振动。或者，可使用多脚架型分配器。
在密相区44和过渡相区46中的催化剂可包括非沸石小孔催化剂，诸如SAPO-34、SAPO-17及其混合物。随着原料进入到密相区44，原料接触非沸石小孔催化剂且在有效条件下起反应以产生反应产物流。反应产物流通常包括低碳烯烃，包括乙烯、丙烯和丁烯。在反应过程中，碳质沉积物产生于催化剂上，降低催化剂活性。反应产物流和包括了活性催化剂与某些失活催化剂的催化剂混合物被输送到反应区中部的过渡相区46内。
原料与催化剂的反应是放热的，在反应器10中产生过量的热。如同许多反应一样，重要的是保持反应器10在整个反应过程中处于受控的大体上均匀的温度。现参考图1和图2，冷却系统64便于从反应器10移除热。此处所示的冷却系统64包括位于反应器10内的多个冷却管66。冷却管66具有大体上“U”形配置，具有通过大体上半圆形底部72而相互连接的第一管68和第二管70。
第一管68和第二管70的上部分别流体连接到入口管74和出口管76。入口管74和出口管76分别向冷却管66供应冷却介质和从冷却管66排空冷却介质。入口管由给水歧管78供给，给水歧管78经由入口管74向第一管68供应冷却介质。冷却介质穿过第一管68、底部72和第二管70。一旦离开第二管70，冷却介质流经出口管76，出口管76使第二管与出口歧管82流体连接。经过冷却管66的流动可受到阀80的控制，阀80定位于入口管74上。将阀80定位于入口管74或出口管76上允许对分立冷却管66进行流量控制。阀80可定位于沿冷却介质流动路径的任何地方以控制冷却介质的流动。在替代实例中，在分立管上游(诸如沿着供给歧管78)的至少一个阀80的位置允许操作者利用单个阀来控制通过冷却管66的流动。
给水歧管78和出口歧管82可以是分段的(例如，分成四段)使得在穿孔或泄露的情况下，能隔离出现故障的部段。在流化床中的混合通常比较强烈使得温度分布保持均匀，只要其余冷却管部段的大小适于移除过量热。
现参考图3，冷却管66沿着反应器壁45竖直地定位且在所示结构中，绕反应器10的周边均匀地间隔开。由于在流化床反应器内催化剂与进料流的混合特征，冷却管66的周边位置便于在整个反应器10内的均匀热分布。在催化剂和进料流混合物进入冷却管附近时传递热量，且随后热量传递给冷却介质。
如图1和图2所示，冷却管定位于反应器10内使得每个冷却管66的下部安置于反应器10的密相区内。在密相区44上方，冷却管66的上部也穿过过渡相区46延伸。管66还可具有座架84，座架84将管固定到反应器壁45或彼此固定(未图示)。座架84用作将冷却管66固定就位并且减小反应器10内冷却管66的振动。
冷却管66优选地由硬化钢构造成以减小反应器内可能发生腐蚀的风险。或者，冷却管66可由具有耐受反应器10内发生的各种状况的性质的任何其它材料构造成。尽管该结构示出冷却管66具有平滑表面，但可能需要构造具有带肋或翅片的表面或具有位于管外表面上的一系列脊的冷却管。这些表面特点可用作增加外表面的表面积，从而增加热传递。
通常，经由冷却管66从反应器10移除热以产生蒸汽，蒸汽能在该复合体中的其它地方使用。作为示例，可使用在冷却管内所产生的蒸汽作为与再生催化剂相关的洗涤剂。
随着反应继续进行，由于焦炭在催化剂上的累积，反应区中催化剂的活性逐渐减小。随着反应产物和催化剂混合物穿过下部反应区持续向上移动到提升管部段26内，由于逐渐缩小的装置25或锥形部段，经过快速流化床反应器的流动路径截面积从密相区44的截面积减小为提升管部段26的截面积。在快速流化床反应系统中，穿过过渡相区46的表观速度在5cm/s与1米每秒之间变化。提升管部段26具有小于密相区44的直径和截面积，这相对于密相区44增加了穿过提升管的表观速度。因为对于相同的供给速率而言提升管部段26中的表观速度更高，所以与沸腾床反应器的截面积相比，总反应器区的截面积可以减少到1/2至1/3。此外，快速流化床反应区对原料和催化剂速率提供更精确的控制而不需要添加或移除外部的催化剂。结果，与沸腾床反应器相比，快速流化床反应系统提供显著减少的催化剂储量。
反应产物流和催化剂混合物持续穿过提升管部段输送。提升管部段使反应产物流和催化剂混合物穿过由分配器臂24或排出口和分离容器22所组成的分离区而排出。排出口24在切向排出反应产物流和催化剂混合物以形成分离容器22内的催化剂和气体的离心加速，这提供初始阶段气旋分离。催化剂混合物落到脱离区62的底部，脱离区62的底部限定用于排出流化催化剂颗粒的颗粒出口且反应产物流的蒸汽部分向上传递穿过用于从分离容器22收回气态流体的气体回收出口。其它的分离区配置可能是适当的。蒸汽，包括夹带的催化剂，继续向上到达稀相分离器，稀相分离器通常为一系列(一个至三个)常规气旋分离级的形式，在附图中示为20和21。气旋分离级20表示初级气旋分离，其中一次气旋蒸汽流传递到次级气旋分离级21且来自次级气旋分离级21的二次蒸汽经由管道17输送到充气增压室16。任选地，除了所示的反应器10内的气旋之外，还可提供外部气旋。
包括小于100ppm-wt催化剂的净反应产物流经由管线48从反应器出口12收回。优选地，从快速流化床反应区所收回的净反应产物流包括小于70ppm-wt催化剂。在初级气旋分离级20中分离的催化剂穿过料腿(dig leg)59掉落到脱离区62的底部。在次级气旋分离级中从反应产物分离的催化剂穿过料腿60掉落到脱离区62的底部。料腿59和60任选地在其基部装有挡板阀(未图示)以防止蒸汽通过气旋分离器回流。允许积聚在脱离区62底部的催化剂到达上部催化剂高度，且任何过量催化剂穿过至少一个外部催化剂再循环立管28经过再循环滑阀32传递并返回到密相区44。优选地，采用至少两个外部催化剂再循环立管以使催化剂从脱离区62返回到密相区44。
为了将反应的转化和选择性维持在可接受的水平，从上部脱离区62收回作为废催化剂流的一部分催化剂混合物，并将其通过废催化剂立管42传递。在废催化剂立管42中，废催化剂流可利用汽提介质(诸如在冷却管66中所产生的蒸汽)来汽提，其在管线37中引入以产生汽提催化剂流56。废催化剂立管42通常包括汽提部段，其含有网格或挡板以改进催化剂与汽提介质之间的接触。汽提催化剂流通过管线38和废催化剂滑阀39输送。汽提催化剂流56被传递到催化剂再生区(未图示)。
在催化剂再生区中，废催化剂流至少部分通过氧化而再生以产生经再生的催化剂流。这样的再生是流化床反应系统领域中的技术人员所熟知的。再生的催化剂流52经由包含了管线40、再生的催化剂滑阀41以及管线36的再生催化剂立管而返回到下部反应区中密相区44上方的一点。再生的催化剂回流在密相区上方的一点处示出。但是，可在提升管或上部催化剂床中的任何点处提供再生的催化剂到反应区的回流。优选地，操作密相区来维持密相区中进料分配器34上方和反应区中部下方2米(7英尺)与6米(20英尺)之间的床高度。更优选地，密相区的床高度在2.4米(8英尺)与4米(13英尺)之间。通过在密相区44中维持这样的床高度，一般认为使进料分配器处的原料流量变化和“射流穿透”最小化以提供混合均匀的反应区，该反应区包括碳含量的重量百分比介于3％与20％之间的催化剂。一般认为使再生的催化剂返回到密相区44上方的点改进了向乙烯和丙烯的总反应的选择性。新近再生的催化剂具有裂化含氧化合物原料以产生不希望副产物的可能性。通过使原料在密相区中与部分再生的催化剂接触和使过渡区中的反应产物和未反应材料与相对较强活性的催化剂混合物接触，实现了废催化剂与新近再生的催化剂的组合、到所需低碳烷烃产物的更完全转化。
当然，操作条件取决于特定转化过程且可由本领域技术人员容易地确定。控制反应强度的典型反应参数包括温度、空间速度、催化剂活性和压力。一般而言，反应强度随着温度增加、催化剂活性增加和空间速度的减小而增加。压力对反应强度的影响视具体反应而定。尽管上述变量中的任何变量可根据需要来调整以获得所需的烃转化，但针对在移动床反应区内提供有效量的活性催化剂中心而言，具有催化剂活性是有利的，以增强到所需产物的转化但同时并不增强到不希望副产物的转化。
通过本文所提供的公开内容，本文所述结构和过程的多种修改对于本领域技术人员将将是显而易见的。因此，在不偏离本发明的宗旨或基本属性的情况下，过程和系统可体现为其它具体形式，且因此，应参考所附权利要求书而不是前文的说明书来表明本公开内容的范畴。

Claims (9)

1.一种用于甲醇至烯烃反应器(10)的冷却系统(64)，所述反应器(10)具有限定用于反应的流化床的外壳，其包括：
入口(74)，其穿过所述外壳(45)延伸且具有位于所述反应器(10)内的内部入口部分和位于所述反应器(10)外部的外部入口部分；
出口(76)，其穿过所述外壳延伸且具有位于所述反应器(10)内的内部出口部分和位于所述反应器(10)外部的外部出口部分；以及
至少一个冷却管(66)，其紧邻所述反应器外壳(45)，且具有流体连接至所述内部入口部分的第一端部(68)、流体连接至所述内部出口部分的第二端部(70)，以及流体连接所述第一和第二端部(68，70)且基本上从所述入口(74)和所述出口(76)向下延伸的管状主体。
2.根据权利要求1所述的冷却系统(64)，还包括多个入口管(74)、多个出口管(76)和流体连接每个入口管(74)至出口管(76)的相应多个冷却管(66)。
3.根据权利要求1所述的冷却系统(64)，其中，所述外部入口部分流体连接至锅炉给水源且所述出口的外部部分流体连接至储热器。
4.根据权利要求1所述的冷却系统(64)，其中，具有密相区(44)的所述反应器(10)便于流化床反应，且其中，所述入口(74)和所述出口(76)位于所述密相区(44)上方且所述冷却管(66)具有从所述入口(74)向下延伸到所述密相区(44)内的第一部分(68)和从所述密相区(44)向上延伸到所述出口(76)的第二部分(70)。
5.根据权利要求1所述的冷却系统(64)，其中，所述第一冷却管部分(68)和所述第二冷却管部分(70)由位于所述密相区(44)内的过渡件(72)连接。
6.根据权利要求1所述的冷却系统(64)，还包括多个入口(74)、出口(76)和绕所述反应器外壳(45)间隔开的冷却管(66)。
7.根据权利要求1所述的反应器(10)，其中，所述反应器(10)使进料流与催化剂起反应且所述催化剂的基本上所有冷却都由所述冷却管(66)完成。
8.根据权利要求1所述的反应器(10)，其中，所述冷却管(66)具有大体上U形配置。
9.根据权利要求1所述的反应器(10)，其中，所述冷却管(66)至少部分地由硬质钢构造成。
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