專利名稱：循環(huán)床共同進(jìn)料轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及催化增強(qiáng)的轉(zhuǎn)化體系，特別涉及那些在其體系中，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物是通過將進(jìn)料氣體與一種合成劑特別是催化劑顆粒，在合成條件下相接觸進(jìn)行制備的體系。優(yōu)選的是本發(fā)明針對(duì)就地氧化催化劑的再氧合作用和輕烴如甲烷，通過與該氧化的催化劑接觸轉(zhuǎn)化為較高級(jí)烴。
一般低分子量進(jìn)料氣體特別是輕烴如甲烷催化轉(zhuǎn)化為較高級(jí)烴如汽油涉及到已有技術(shù)。過去已經(jīng)使用了多種反應(yīng)器設(shè)計(jì)，包括固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器，這些設(shè)計(jì)包括將氣體與一種氧化的催化劑接觸，然后，一般是用水蒸汽將催化劑汽提以便從催化劑中除去殘留的烴。然后在一再生器中將該催化劑與空氣接觸，使催化劑再氧合，之后，通常將催化劑再汽提一次以除去氮?dú)?，然后再循環(huán)返回反應(yīng)器。
這些反應(yīng)器設(shè)計(jì)有幾點(diǎn)缺陷。例如單獨(dú)的再氧合作用容器常常顯著的增加系統(tǒng)費(fèi)用。而且，常常需要大量的催化劑。在一定體系中，通過在相對(duì)低的氣速，如在4英尺/秒或更低氣速下操作反應(yīng)器就可在經(jīng)濟(jì)上滿足反應(yīng)器重量小時(shí)空速(“WHSV”)要求。在降低的氣速下操作往往會(huì)產(chǎn)生氣體返混，必需設(shè)擋板，而擋板可能會(huì)導(dǎo)致催化劑顆粒的大量磨損，這取決于擋板的設(shè)計(jì)。還可有其它的不經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)大或增高轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。本發(fā)明稱這些為將進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在改進(jìn)反應(yīng)器設(shè)計(jì)和方法中共同性缺陷和建議。
本發(fā)明主要針對(duì)用于將一種物料，優(yōu)選一種原料氣體轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)化是通過將該反應(yīng)物料與一種合成劑，特別是固體催化劑顆粒接觸實(shí)現(xiàn)的。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施例中，反應(yīng)器可以在較高的空速(以1bs/hr進(jìn)料/1b催化劑)下操作，這可降低傳統(tǒng)反應(yīng)器系統(tǒng)中所需要的大量催化劑用量。在一優(yōu)選的實(shí)施例中，空氣和純氧氣可被用來就地再氧化氧化合成劑并合成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物;不僅所需的催化劑用量小，而且不需要單獨(dú)的再氧合容器。
一個(gè)主要的方面為，所述的設(shè)備包括一個(gè)反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括(a)一個(gè)第一反應(yīng)區(qū)，該區(qū)優(yōu)選包括用于在一高的速度下向上輸送物料的具有均勻直徑的狹窄的反應(yīng)器段或立管;(b)一個(gè)第二反應(yīng)區(qū)，該區(qū)優(yōu)選包括具有一均勻或逐漸擴(kuò)大的直徑，優(yōu)選為園錐形的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，該反應(yīng)區(qū)用于降低從第一反應(yīng)區(qū)向上通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的物料速度;(c)用于輸送合成劑，如催化劑的輸送裝置，該裝置用于將合成劑與再生劑接觸以形成合成混合物，所述合成劑最好至少有一部分再生，更好的是完全再生。所述再生是在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)通過將其與再生劑，如氧氣接觸以形成合成混合物而實(shí)現(xiàn)的;(d)推進(jìn)裝置，該裝置以高初始速度推送合成混合物經(jīng)過第一反應(yīng)區(qū);和(e)接觸裝置，該裝置用于將合成混合物與進(jìn)料氣體以足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行接觸以產(chǎn)生轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，所述的合成混合物包括合成劑和再生劑。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的設(shè)備還包括(f)用于在第二反應(yīng)區(qū)中降低合成混合物速度的速度降低裝置，所希望的將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物優(yōu)選在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)完成;(g)用于在所希望的轉(zhuǎn)化完成后加速流出物流或“產(chǎn)物混合物”的裝置;所述“產(chǎn)物混合物”包括轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，合成劑，和剩余的進(jìn)料氣;(h)用于從第二反應(yīng)區(qū)除去產(chǎn)物混合物的裝置;和(i)用于從產(chǎn)物混合物中分離合成劑的裝置，優(yōu)選為一種洗提器或分離器。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括一循環(huán)床反應(yīng)器，該反應(yīng)器有第一和第二串聯(lián)的反應(yīng)區(qū)，每個(gè)區(qū)包含豎直的反應(yīng)器段，第二段比第一段有較大的最大直徑，以便使含有合成劑，再生劑和進(jìn)料氣的“反應(yīng)物混合物”通過循環(huán)床反應(yīng)器，減速向上進(jìn)入第二反應(yīng)器段，在該段，保持足夠的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)所希望的進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。優(yōu)選地合成劑為一種氧化的催化劑，它與一種氧化劑接觸，并且在被輸送經(jīng)過所述兩個(gè)反應(yīng)區(qū)時(shí)被再氧化。
在

圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施例和下面的詳細(xì)討論中，所述的設(shè)計(jì)的設(shè)備用于將含有輕烴如甲烷的原料轉(zhuǎn)化成較高級(jí)的烴。該設(shè)備包括一個(gè)循環(huán)床反應(yīng)器用于就地再氧化一種氧化的催化劑，同時(shí)將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成較高級(jí)的烴。在反應(yīng)器中顆粒催化劑在合成條件下接觸進(jìn)料氣，優(yōu)選為在第二反應(yīng)區(qū)接觸，將甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)的烴。這些較高級(jí)的烴非限制性地包括乙烷，乙烯、丙烯、和芳烴如苯和甲苯。一個(gè)關(guān)鍵地方面是催化劑是在反應(yīng)器中時(shí)被再氧化的。優(yōu)選為，當(dāng)反應(yīng)物混合物迅速向上開始進(jìn)入反應(yīng)器的兩個(gè)反應(yīng)區(qū)時(shí)催化劑的再氧合作用和進(jìn)料氣的轉(zhuǎn)化在反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生。
本發(fā)明的另一個(gè)主要著眼點(diǎn)是針對(duì)一種用于將含有輕烴如甲烷的進(jìn)料氣，通過將該氣體在合成條件下與固體顆粒接觸而合成為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的方法。該方法包括在一高初速下向上推進(jìn)或以相同方法輸送一種含固體合成劑顆粒(優(yōu)選為催化劑顆粒)和再生劑的反應(yīng)混合物，使之經(jīng)過一個(gè)第一反應(yīng)區(qū)并朝向一第二反應(yīng)區(qū)，在第二反應(yīng)區(qū)中降低合成混合物的速度，將合成混合物與進(jìn)料氣接觸，并且在一所希望的轉(zhuǎn)化率下將進(jìn)料氣體合成為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。優(yōu)選為，在進(jìn)料氣進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)之前，在進(jìn)料氣開始轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物之前，進(jìn)料氣接觸裝置將進(jìn)料氣與合成混合物接觸以形成反應(yīng)物混合物。優(yōu)選為，該方法還包括在第一和/或第二反應(yīng)區(qū)中將合成劑再氧化，將合成劑從第二反應(yīng)區(qū)移出，將再氧化的合成劑從轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中分離出，以及將再氧化的合成劑從轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中分離出，以及將再氧化的合成劑再循環(huán)返回第一和第二反應(yīng)區(qū)域這些步驟。
一般所期望的是本發(fā)明可適用于任何將反應(yīng)物料，特別是反應(yīng)氣體轉(zhuǎn)化成合成產(chǎn)物的催化增強(qiáng)的過程，特別是要求最低限度的副反應(yīng)的那些過程。這樣，雖然本發(fā)明優(yōu)選針對(duì)輕烴催化增強(qiáng)轉(zhuǎn)化為較高級(jí)的烴，它還可以被用于其它過程。
圖1是一種用于甲烷轉(zhuǎn)化的循環(huán)床反應(yīng)器的平面垂直投影圖。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例示于圖1中，圖1表示用于共同進(jìn)料反應(yīng)器系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計(jì)的一個(gè)平面垂直投影圖。該優(yōu)選的實(shí)施例包括一個(gè)反應(yīng)器，一個(gè)分離器102和聯(lián)合的旋風(fēng)分離器。圖1示出的是一個(gè)單個(gè)的旋風(fēng)分離器104，但固體分離領(lǐng)域里的專業(yè)人員會(huì)理解，為了實(shí)現(xiàn)分離排出氣體中的固體所希望的水平可能需要使用附加的旋風(fēng)分離器。
圖1中的反應(yīng)器包括一個(gè)高速立管113和一個(gè)較低速轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100。一般來說，高速立管113的直徑應(yīng)足夠大以便從立管底部112將足夠量的合成劑如催化劑顆粒輸送到用于將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100。立管113被串聯(lián)并最好直聯(lián)到降速的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100上，該反應(yīng)器的一端是漏斗形或錐形的，該反應(yīng)器的直徑逐漸擴(kuò)大，到120處為最大，從而當(dāng)快速移動(dòng)反應(yīng)混合物向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過反應(yīng)器100時(shí)，其速度降低。在相對(duì)的方向上，該降低速度的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100的另一端為漏斗形或錐形的，該反應(yīng)器的直徑從最大直徑點(diǎn)120處開始逐漸變窄，從而使產(chǎn)物混合物通過該反應(yīng)器時(shí)其速度增加。雖然在圖1中示出的立管113和轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100是兩個(gè)單獨(dú)的部件，但很明顯，一種單一結(jié)構(gòu)也同樣適用，反應(yīng)器的尺寸取決于依不同過程而變化的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)系數(shù)和過程參數(shù)，并可由本領(lǐng)域的專業(yè)人員提供以實(shí)現(xiàn)所希望轉(zhuǎn)化。例如用于立管中的反應(yīng)混合物速度約40英尺/秒和在轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中最寬點(diǎn)處的速度為約7英尺/秒，可實(shí)現(xiàn)25%-35%的甲烷轉(zhuǎn)化為較高級(jí)烴。
優(yōu)選為，該設(shè)備還包括一個(gè)所希望的在進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化以后，將產(chǎn)物混合物以一增加的速度從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器引出的高速排出管122。產(chǎn)物混合物在排出管中的速度一般與經(jīng)過排出管122的混合物的體積流速有關(guān)，可由排出管的直徑來控制，反過來，它又與作用在經(jīng)過立管113的混合物上的推力有關(guān)。這樣，排出管122直徑越小，混合物的速度越大。在排出管中的混合物速度的增加有助于減少進(jìn)料氣與較高級(jí)烴或其它轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的所不希望的副反應(yīng)。在此所用的術(shù)語“速度”應(yīng)理解為指全部顆粒/氣體混合物的平均速度，無論它是合成混合物，反應(yīng)物混合物，還是產(chǎn)物混合物都是如此。
圖1所示的上述設(shè)備被用于氧化還原共同進(jìn)料過程時(shí)具有一些優(yōu)點(diǎn)，在所述過程中進(jìn)料氣的轉(zhuǎn)化和合成劑的再氧化同時(shí)發(fā)生。例如對(duì)于使合成劑再氧化不必使用單獨(dú)的設(shè)備。進(jìn)一步而言，共同進(jìn)料系統(tǒng)顯著改進(jìn)了空速要求，從而保證了在該設(shè)備中比在傳統(tǒng)的反應(yīng)器中需要較少的催化劑。而且，由于返混被減至最少或被消除，本發(fā)明的串聯(lián)反應(yīng)器或立管段不需要內(nèi)擋板，這樣，減化了反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和操作。一般來說，通過反應(yīng)器的低的溫度降是該反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這樣對(duì)于轉(zhuǎn)化甲烷成較高級(jí)的烴，不管反應(yīng)的放熱特性怎樣，都不必進(jìn)行反應(yīng)器的冷卻，并且除了在高的轉(zhuǎn)化率如轉(zhuǎn)化率大于約30%的情況下，不需要冷卻系統(tǒng)。
在操作中，來自分離器102的催化劑由于重力作用通過催化劑輸送管106，管106由滑閥18控制。在分離器102和立管113之間存在著由在立管113中的合成混合物的高速度和在分離器102的靜壓頭引起的壓力降，該壓力降有助于使合成劑通過輸送管106在立管底部112處流向立管113。雖然可以借助控制流向反應(yīng)器的合成劑的流動(dòng)的裝置來調(diào)節(jié)合成劑的輸送速率，但在一種優(yōu)選的方案中，輸送速率是由滑閥18來調(diào)節(jié)的，然后在立管113中，用壓縮空氣和/或富氧空氣110吹起合成劑，通過入口114進(jìn)入立管底部112，以形成一種含有空氣和/或氧氣和合成劑的合成混合物。在所述的推進(jìn)狀態(tài)，合成混合物以高速向上流向轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，所述高速，對(duì)于這里所提到的那些以及其它的氧化的催化劑來說，優(yōu)選為10.7-15.2m/s(35-50ft/s)，甚至可高達(dá)、24.4m/s(80ft/s)。
雖然進(jìn)料氣116可以是在沿立管113各點(diǎn)109處被引入反應(yīng)器，但優(yōu)選為進(jìn)料氣116在點(diǎn)118處被引入反應(yīng)器100，在該點(diǎn)處，反應(yīng)器的直徑開如增加。反應(yīng)器直徑的增加有自動(dòng)降低反應(yīng)混合物速度的效果，從而增加了催化劑的停留時(shí)間。為了得到所希望的甲烷轉(zhuǎn)化率，所需要的停留時(shí)間可以由本領(lǐng)域里的技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際條件算出。在上述的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，最大直徑120處的為約2.1m/s(7ft/s)。
對(duì)于本發(fā)明的循環(huán)床上流反應(yīng)器的物料平衡計(jì)算取決于所用的催化劑，所希望的轉(zhuǎn)化率，操作溫度和壓力以及反應(yīng)器的尺寸等。例如，在一種假定情況下，所期望的是，對(duì)于35%的轉(zhuǎn)化率，輕烴在入口118處可以以每kg催化劑1.4kg/h的流速被引入反應(yīng)器中，催化劑經(jīng)過立管113和轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100的循環(huán)流速為約每kg/h甲烷180kg/h。催化劑的平均顆粒尺寸為約100-150微米，其堆積密度為約1.52Mg/cum(95Lbs/cuft)。
優(yōu)選為，反應(yīng)器在溫度為約760-870℃(1400-1600°F)之間，壓力在約0.21-0.55MPa(30-80psia)之間下操作。在開始時(shí)和在低轉(zhuǎn)化率下操作時(shí)，進(jìn)料氣體在進(jìn)入反應(yīng)器之前被予熱。然而，在高轉(zhuǎn)化率時(shí)，甲烷進(jìn)料可在環(huán)境溫度下被引入。
在點(diǎn)120后反應(yīng)器直徑減小，從而使流出物流或產(chǎn)物混合物加速流向反應(yīng)器出口管或流出管122。所述加速有助于減少任何可能出現(xiàn)的副反應(yīng)。在該優(yōu)選的實(shí)施例中，流出物流(或產(chǎn)物混合物)被加速至約12m/s(40ft/s)。含有催化劑和包括未被合成的輕烴如甲烷和合成產(chǎn)物如較高級(jí)烴氣體流出物流(或產(chǎn)物混合物)，通過噴咀124切向引入分離器102中，所述噴咀再一次使物流加速。在該優(yōu)選的實(shí)施例中，該物流以約17m/s(55ft/s)的流速進(jìn)入分離器102。
在分離器102中可以實(shí)現(xiàn)催化劑從氣體中的大部分分離。本發(fā)明的分離器廣泛地包括任何用于從固體顆粒中分離或除去產(chǎn)物混合物中的剩余氣體的傳統(tǒng)裝置。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的一個(gè)特定的實(shí)施例包括一個(gè)蒸汽噴灑器103作為分離步驟的部件。當(dāng)閥105開啟時(shí)，通過除去催化劑微孔中被夾帶的產(chǎn)物氣體，該蒸汽噴灑器應(yīng)能氣提分離器中的催化劑顆粒。在該分離步驟后，如通過將催化劑與蒸汽接觸以除去殘留烴后，催化劑排出分離器經(jīng)催化劑輸送管106被循環(huán)送入反應(yīng)器100。由于氧化劑的再氧化出現(xiàn)在兩個(gè)反應(yīng)區(qū)，不需要為再氧化去收集密集床中的催化劑。催化連續(xù)循環(huán)經(jīng)過該系統(tǒng)，所以需要較少的催化劑貯量。在排出反應(yīng)器后，仍含有催化劑細(xì)粒的氣體經(jīng)通風(fēng)管126上升，流經(jīng)排放管128，并切向送入旋風(fēng)分離器104。為了進(jìn)一步減少副反應(yīng)，可以用在排放管126中的驟冷裝置(優(yōu)選為水)將排放物流冷卻到約760℃(1400°F)或更低。可選擇的驟冷裝置可包括用于間接冷卻的冷卻盤管。在所述的旋風(fēng)分離器中可以實(shí)現(xiàn)催化劑顆粒的進(jìn)一步分離，被分離出的催化劑顆粒通過如密封腿130被輸送至分離器102。從旋風(fēng)分離器104頂部排出的氣體可通過將其送入一單級(jí)旋風(fēng)分離器或一組多級(jí)并聯(lián)的旋風(fēng)分離器來進(jìn)一步分離剩余的催化劑顆粒，從而實(shí)現(xiàn)所希望的固體回收率。
在一個(gè)主要方面，本發(fā)明的設(shè)備包括第一和第二反應(yīng)區(qū)，在向上流動(dòng)型的反應(yīng)器中給定一穩(wěn)定的容積流速，所述的兩區(qū)應(yīng)這樣設(shè)計(jì)，使在第一反應(yīng)區(qū)中的合成劑在通過第二反應(yīng)區(qū)時(shí)，高的初始速度被自動(dòng)降低。優(yōu)選為容積流速部分由一種可變的推力來調(diào)節(jié)，所述推力如是由在立管底部112處向上流入的加壓上升氣如空氣和/或氧氣(如希望的話還可是進(jìn)料氣)提供的。所述加壓上升氣還優(yōu)選在立管113中產(chǎn)生一低密度區(qū)，從而有助于催化劑經(jīng)過反應(yīng)器的循環(huán)。另外，所述流速還可以部分由在立管113中一個(gè)或多個(gè)位置處引入進(jìn)料氣體來控制。參照?qǐng)D1所示的本發(fā)明的特定實(shí)施例，第一區(qū)包括立管113，第二區(qū)包括轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100，在該優(yōu)選的實(shí)施例中，憑借逐漸增加轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100的直徑來使合成或反應(yīng)混合物的高的初始速度自動(dòng)降低。
在本發(fā)明的另一個(gè)主要方面，提供用于將合成劑與再生劑接觸的輸送裝置。優(yōu)選為，合成劑包括一種物體顆粒催化劑，再生劑包括一種氧化劑如空氣和/或純氧氣。圖1中，所述輸送裝置包括一輸送管106，該管將合成劑從汽提器或分離器處送到立管/反應(yīng)器處，在該處，該氣體與氧化劑混合。
本發(fā)明的另一個(gè)主要方面是推進(jìn)裝置提供給合成劑(如一種顆粒催化劑)一高的初始速度。參照?qǐng)D1，所述的推進(jìn)裝置優(yōu)選為一種加壓物流，該物流以高的初速度向上引經(jīng)立管113的氧化氣體。該加壓物流在立管和合成劑進(jìn)料管106的連接處被引入，以使合成劑不聚集成形一密集床，而是被輸送，最好被立即推送與氧化氣體一起，以一高的初速度流向轉(zhuǎn)化區(qū)，轉(zhuǎn)化區(qū)始于進(jìn)料氣體與合成劑開始接觸的位置，優(yōu)選為在立管113和反應(yīng)器100的連接處。圖1所示的反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，用于移送催化劑經(jīng)過該系統(tǒng)的力可以由加壓氣體物流來提供，該物流可以由一個(gè)閥方便地調(diào)節(jié)。優(yōu)選的包括一種氧化劑以使氧化的催化劑再氧化的加壓氣體進(jìn)入立管113，還可調(diào)節(jié)立管113中的合成或反應(yīng)混合物的密度以及分離器102和反應(yīng)器100之間的壓差，以提供催化劑經(jīng)過系統(tǒng)的循環(huán)。
在圖1中，進(jìn)料氣體經(jīng)入口118被引入反應(yīng)器中，進(jìn)料器在此與合成混合物中的合成劑接觸。更主要的是，所述設(shè)備可以包括任何用于使合成混合物與進(jìn)料氣體接觸的裝置，優(yōu)選為正好在合成劑進(jìn)入上流反應(yīng)器型的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器之前使它們接觸。然而，當(dāng)并不認(rèn)為將進(jìn)料氣的轉(zhuǎn)化限制在反應(yīng)器100中是合適需要的時(shí)候，進(jìn)料氣體接觸裝置可以設(shè)在相對(duì)于反應(yīng)器的不同的位置。例如參照?qǐng)D1，進(jìn)料氣體可以在含氧氣體引入口114處附近引入，例如在立管底部112處引入，以使進(jìn)料氣體到轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的合成始于立管113中。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是用于將合成劑的第一速度降為第二速度的速度降低裝置。一般說來，合成劑的第一速度可通過提供一種具有兩個(gè)反應(yīng)區(qū)的豎直上流反應(yīng)器被降低。(1)所述第一區(qū)包括具有第一直徑和包括推進(jìn)和再生裝置的一個(gè)反應(yīng)段，和(2)所述第二區(qū)包括具有第二直徑的一個(gè)轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，其中第二直徑比第一直徑大。第一和第二反應(yīng)區(qū)應(yīng)按照所需要的停留時(shí)間來設(shè)計(jì)，停留時(shí)間可按照進(jìn)料氣體轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，所希望的轉(zhuǎn)化率，催化劑或其它合成劑的種類等而變化。
在上流側(cè)和下流側(cè)之間，催化劑-氣體混合物的密度應(yīng)當(dāng)平衡。在圖1所示的實(shí)施例中，上流側(cè)包括立管113和轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100，下流側(cè)包括汽提器/分離器102和催化劑輸送管106。所述密度平衡為催化劑通過該系統(tǒng)的連續(xù)流動(dòng)提供最小的催化劑滯流量，這樣減少了為操作該系統(tǒng)所需要的催化劑量。該設(shè)備應(yīng)如此設(shè)計(jì)，使催化劑在被送經(jīng)立管期間的速度足夠高。以降低在任何位置處的返混。
本發(fā)明的另一重要方面是第一和第二反應(yīng)區(qū)的相關(guān)直徑，可保證合成劑顆粒保持特有的高和低的速度。例如，在圖1所示的循環(huán)床共同進(jìn)料反應(yīng)器中，立管113的直徑應(yīng)小于轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100的最大直徑，在立管113中的合成混合物速度應(yīng)大于在反應(yīng)器100中的速度。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的方案中，通過立管113的合成混合物的速度約12m/s(40fe/s)，通過主要轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100的反應(yīng)混合物在點(diǎn)120處的速度約2.1m/s(7ft/s)，它在點(diǎn)122處的排出速度約17m/s(55ft/s)。優(yōu)選為立管113是豎直的，以使催化劑顆粒在合成混合物中均勻地分布通過立管的橫截面，然而，立管113也可以一角度傾斜，只要合成劑的循環(huán)基本上不被阻礙就行。
當(dāng)該設(shè)備被用于將甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴時(shí)，進(jìn)料氣可以是純的或與較少量其它輕烴或惰性物質(zhì)混合的甲烷，在一優(yōu)選的實(shí)施例中，進(jìn)料氣體是天然氣，該天然氣是已經(jīng)就地處理過的脫硫的和除去水以及一定比例的可冷卻的烴，一般為丙烷和較高級(jí)烴。可供選擇的是，可使用煉油廠排放出的廢氣體。
為了使輕烴轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴，所述氧化的合成劑應(yīng)當(dāng)包括至少一種含有至少一種金屬的可還原的氧化物;所述金屬選自錳、錫、銦、鍺、鉛、銻和鉍，優(yōu)選為錳。如果氧化的合成劑進(jìn)一步包括至少一種助催化劑，將是有利的，所述助催化劑選自堿金屬，堿土金屬，以及它們的化合物，優(yōu)選為鋰的化合物。更優(yōu)選的是，氧化的合成劑進(jìn)一步包括由硼和硼的化合物組成的組中的至少一種物質(zhì)。
優(yōu)選為，合成劑為一種含有一種載有氧化的合成劑的傳統(tǒng)的載體材料的催化劑。優(yōu)選的催化劑的成分和制備公開在美國(guó)專利US4，499，322和4，777，313中。在此被用作參考，但也可以使用其它適用的已知的催化劑。更優(yōu)選為該催化劑含有一種錳的氧化物作為氧化劑，還帶有一種鋰化合物和硼或一種硼化合物作為助催化劑。為了減少或防止催化劑失活，進(jìn)一步優(yōu)選為反應(yīng)器系統(tǒng)中的所有的濕表面被覆蓋上適宜的襯里如一種高氧化鋁耐熔物質(zhì)。
在圖1所示的共同進(jìn)料反應(yīng)器中，通過與原料共同進(jìn)料的氧氣源的引入，將催化劑就地再氧化。在一優(yōu)選的實(shí)施例中，使用的是壓縮的富氧空氣，但空氣或蒸汽以及純氧是另外可能的氧源。富氧空氣可由壓縮空氣通過一適宜的氮?dú)馓崛⊙b置(未示出)提供。任何已知的用于提供富氧空氣的技術(shù)都可以被使用，包括除去氮?dú)獾淖儔何椒?PSA)和/或一個(gè)低溫空氣分離裝置，氮?dú)鈨?yōu)選地收集和銷售或用作其它的用途。來自催化劑分離設(shè)備102的催化劑可以被引入反應(yīng)器中，優(yōu)選為在輸送管106和立管113的接合處，與富氧的空氣物流一起引入。使用壓縮空氣以提供一種流化的上流催化劑。所述輕烴原料優(yōu)選從反應(yīng)器較低部位引入，并在催化劑和輕烴一起向上流動(dòng)相互接觸時(shí)，進(jìn)行合成，優(yōu)選為發(fā)生在所述的第二反應(yīng)器內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的輕烴轉(zhuǎn)化率為25%和35%之間。
本發(fā)明的另一方面是針對(duì)一種用于將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化或合成為一種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的方法，該方法是通過在反應(yīng)或合成條件下將進(jìn)料氣與固體顆粒接觸而實(shí)現(xiàn)。該方法主要包括推送合成混合物的步驟，它包括將含有固體合成劑顆粒和再生劑的合成混合物以第一種速度從第一反應(yīng)區(qū)向上推向第二反應(yīng)區(qū)，最好不含進(jìn)料氣體，將合成混合物與進(jìn)料氣接觸，降低所得到的反應(yīng)混合物的速度，在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)將反應(yīng)混合物中的進(jìn)料氣合成為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。雖然合成混合物中的固體顆?？梢栽诘谝缓偷诙磻?yīng)區(qū)內(nèi)的任何地方與進(jìn)料氣接觸，但優(yōu)選為所述接觸是在合成混合物已實(shí)現(xiàn)第一種速度之后和合成混合物進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)之前發(fā)生。
優(yōu)選為，該方法還包括就地在第一和/或第二反應(yīng)區(qū)將合成劑再氧化的步驟，最好在立管113中在與進(jìn)料氣接觸之前進(jìn)行，或在轉(zhuǎn)化反應(yīng)器100中合成期間進(jìn)行。該方法還最好包括將產(chǎn)物混合物從第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)除去，從轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中分離出再氧化合成劑，并將再氧化的合成劑再循環(huán)返回第一和第二反應(yīng)區(qū)。
在一優(yōu)選的方面，本發(fā)明針對(duì)于一種用于將輕烴轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴的改進(jìn)方法。該方法包括推送合成劑的步驟，將一種合成劑如一種催化劑向上通過優(yōu)選含有一立管的第一反應(yīng)區(qū)到優(yōu)選包括一轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的第二反應(yīng)區(qū);降低在第二反應(yīng)區(qū)中合成劑的速度，以便有足夠的時(shí)間去實(shí)現(xiàn)所希望的輕烴到較高級(jí)烴的轉(zhuǎn)化，優(yōu)選為25%至35%。所述的方法還優(yōu)選包括將氧化的合成劑與一種氧化劑，如空氣，蒸汽或純氧接觸，就地在第一和第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)將合成劑再氧化。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括增加第二反應(yīng)區(qū)中的產(chǎn)物混合物的速度，從第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)除去產(chǎn)物混合物，將較高級(jí)烴的合成劑汽提并將合成劑再循環(huán)返回反應(yīng)區(qū)。
一個(gè)特別優(yōu)選的方面是本發(fā)明針對(duì)一種用于將進(jìn)料氣中的甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴的方法，在轉(zhuǎn)化時(shí)，在高速循環(huán)反應(yīng)器中利用一種適宜的氧化源實(shí)現(xiàn)催化劑的就地氧化。設(shè)計(jì)一種全面體現(xiàn)本發(fā)明和示于圖1的方案的反應(yīng)器，該設(shè)計(jì)使氣體和固體顆粒實(shí)現(xiàn)單向流，這樣就避免了需要任何內(nèi)部擋板的步驟，該步驟常常在傳統(tǒng)反應(yīng)器中被用于防止或減少反應(yīng)氣體的返混。本方法的一個(gè)有利的特點(diǎn)包括在限止反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了所希望的甲烷轉(zhuǎn)化率，這樣就防止了不希望有的過多的副反應(yīng)并提供了高選擇性轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明的進(jìn)一步有利的方面為，在一放熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，如甲烷的轉(zhuǎn)化，催化劑顆粒從反應(yīng)器區(qū)循環(huán)到分離器區(qū)，其特點(diǎn)為所提供的催化劑量足以作為一種熱井操作，用于轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而提供了一種反應(yīng)器的絕熱操作，并優(yōu)選消除了任何在反應(yīng)器中冷卻的需要。反應(yīng)器中的溫度上升可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)料氣予熱來降低。當(dāng)希望有附加冷卻時(shí)，可將鍋爐給水(“BFW”)注入分離器中，蒸發(fā)的BFW用于汽提產(chǎn)物氣體中的催化劑的操作。
非常明顯，在上述實(shí)施例中可以作出許多修改，但并不脫離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將由權(quán)利要求書來限定。反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可稍不同于圖1所示的設(shè)計(jì)。但仍保持與本發(fā)明相同的原理，例如取代分開的豎管和轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，將第一和第二反應(yīng)區(qū)合并成一個(gè)單一的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，該反應(yīng)器在底部有一有第一種直徑的狹窄的管段以將合成劑以一高速向上輸送到反應(yīng)器頂部，該頂部增寬到一第二種直徑以降低在反應(yīng)器頂部的被輸送的合成劑的速度，在其中可發(fā)生進(jìn)料氣的轉(zhuǎn)化。在一可供選擇的設(shè)計(jì)中，在圖1中被布置為與轉(zhuǎn)化反應(yīng)器串聯(lián)的立管也可以不是完全豎直的，并且轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的尺寸可以不是錐形的，只要可按照要求降低合成混合物速度就可。更進(jìn)一步，雖然本發(fā)明提出不需要一個(gè)附加的用于合成劑的再氧化容器，但本發(fā)明的設(shè)備可以包含這樣的一個(gè)容器作為一個(gè)附加特征。
雖然本發(fā)明的主要目標(biāo)是轉(zhuǎn)化輕烴成較高級(jí)烴，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明也可適用于其它過程，例如餾出液和重油餾分到較低分子量產(chǎn)物的催化裂化。雖然優(yōu)選的實(shí)施例涉及氧化催化劑再生劑，應(yīng)當(dāng)考慮到所述再生劑可以包括一種還原劑，通過還原而不是氧化作用在反應(yīng)物進(jìn)料上。在這樣的情況下，還原劑的再生自然會(huì)包含與本文所述的再氧化不同的裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于將一種進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化為一種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的上流循環(huán)流化床反應(yīng)器。包括第一和第二串聯(lián)的反應(yīng)區(qū)，每個(gè)區(qū)包括一個(gè)豎直的反應(yīng)器段，還包括用于將一種合成劑向上輸送經(jīng)第一反應(yīng)區(qū)且進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)的裝置，其特征在于所述第二反應(yīng)區(qū)的豎直反應(yīng)器段的直徑大于所述第一反應(yīng)區(qū)的豎直反應(yīng)器段的直徑，從而使向上輸送的合成劑在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)被減速。
2.一種用于將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣的設(shè)備，包括一種含有一個(gè)第一反應(yīng)區(qū)和一個(gè)第二反應(yīng)區(qū)的上流反應(yīng)器，所述第一反應(yīng)區(qū)與所述第二反應(yīng)區(qū)串聯(lián)設(shè)置，所述兩個(gè)反應(yīng)區(qū)被布置為使合成劑從所述第一反應(yīng)區(qū)上流到所述第二反應(yīng)區(qū)。用于將一種合成劑與一種再生劑接觸的輸送裝置，所述接觸在所述上流反應(yīng)器的所述第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生;用于將所述合成劑與所述再生劑一起以第一種速度從所述第一反應(yīng)區(qū)向上送往所述第二反應(yīng)區(qū)的輸送裝置;用于將所述合成劑與所述進(jìn)料氣接觸的接觸裝置;和用于在上述第二反應(yīng)區(qū)降低所述的合成劑、再生劑和進(jìn)料氣的所述的第一種速度的速度降低裝置，以便有足夠的時(shí)間將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。
3.按權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于所述第一反應(yīng)區(qū)包括一個(gè)立管和所述第二反應(yīng)區(qū)包括一個(gè)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器。
4.按權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的直徑大于所述立管的直徑。
5.按權(quán)利要求3或4的設(shè)備，其特征在于所述立管是能輸送含有固體顆粒的流化床。
6.按權(quán)利要求5的設(shè)備，其特征在于所述被輸送的固體顆粒的速度至少為12m/s(40ft/s)。
7.一種用于通過將甲烷與合成劑接觸，然后將合成劑再生將甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴的設(shè)備，包括一個(gè)用于將所述合成劑從一第一端輸送到一第二端的高速立管;一個(gè)用于從所述高速立管接收所述合成劑的低速轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器有一第一端和一第二端，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的尺寸足以將甲烷以所希望的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴;其特征在于該高速立管相對(duì)低速轉(zhuǎn)化反應(yīng)器串聯(lián)布置，立管的第二端面對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的第一端，以便將合成劑從高速立管輸送到低速轉(zhuǎn)化器;和其中低速轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的直徑是可變的，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器在其第一端和第二端之間的位置的直徑大于所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的第一端處的直徑，以便輸送合成劑從高速立管經(jīng)過所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器時(shí)速度減慢。
8.按權(quán)利要求7的設(shè)備，還包括用于將所述合成劑通過所述高速立管和所述低速轉(zhuǎn)化反應(yīng)器再循環(huán)的裝置，所述再循環(huán)裝置包括用于調(diào)節(jié)合成劑通過所述立管和反應(yīng)器的流速以控制所述甲烷轉(zhuǎn)化的放熱反應(yīng)的裝置;和用于將一種使合成劑再生的再生劑注入高速立管中的裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述合成劑包括氧化的催化劑顆粒，所述再生劑包括一種含氧氣體。
10.用于由含甲烷的進(jìn)料氣合成較高級(jí)烴的設(shè)備，包括具有一第一反應(yīng)段和一第二反應(yīng)段的一種上流轉(zhuǎn)化反應(yīng)器;所述第一反應(yīng)段包括一個(gè)用于將氧化的催化劑顆粒輸送進(jìn)并通過所述第二反應(yīng)段的立管;所述第二反應(yīng)段包括用于將甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴的裝置;所述第一和第二反應(yīng)段包括用于將所述氧化的催化劑顆粒就地再氧化的裝置。
11.按權(quán)利要求10所述的設(shè)備，還包括用于在所述第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)降低所述氧化的催化劑顆粒的速度的裝置。
12.按權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述第二反應(yīng)段包括一個(gè)被連接到所述立管上的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器具有一第一端、第二端，和在所述第一和第二端之間的中間部位，所述第一端被布置在所述立管附近，所述用于降低所述氧化的催化劑顆粒的速度的裝置包括一種在所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的漏斗形表面，其中，所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的直徑從所述第一端到所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的中間位置是增加的。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的設(shè)備，還包括一容器，該容器包括一個(gè)用于在所述氧化的催化劑顆粒進(jìn)入所述第一種和第二反應(yīng)區(qū)之前汽提所述氧化的催化劑顆粒的汽提器。
14.按權(quán)利要求13的設(shè)備，還包括一個(gè)被連接到所述容器上的輸送管，該管用于將汽提后的催化劑顆粒引入一立管中，所述立管是所述上流轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的第一反應(yīng)區(qū)的一個(gè)部件，所述汽提過的催化劑顆粒在所述立管中被再生。
15.按照權(quán)利要求10所述的設(shè)備，另外包括(a)一個(gè)排出管，用于除去所述氧化的催化劑顆粒、未反應(yīng)的甲烷和較高級(jí)烴;(b)用于將所述催化劑從所述未反應(yīng)的甲烷和較高級(jí)烴中分離出的裝置;和(c)用于將所述被分出的催化劑返回所述第一和第二反應(yīng)段的裝置。
16.一種通過將進(jìn)料氣與固體顆粒在合成條件下接觸而將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成一種轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的方法，包括下述步驟將含有固體合成劑顆粒和再生劑的一種合成混合物以第一種速度從第一反應(yīng)區(qū)向上送往第二反應(yīng)區(qū);將合成混合物與進(jìn)料氣體接觸;降低得到的反應(yīng)混合物的速度;和在反應(yīng)混合物處于第二反應(yīng)區(qū)期間將在反應(yīng)混合物中的進(jìn)料氣合成為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于合成混合物已達(dá)到第一種速度之后和在合成混合物進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)之前，合成混合物被接觸。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在所述反應(yīng)器的一個(gè)或兩個(gè)所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)的位置將合成劑再氧化的步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于再氧化步驟是在合成劑與進(jìn)料氣接觸前，在立管中實(shí)現(xiàn)的。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于再氧化步驟是在轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)將進(jìn)料氣合成為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物期間完成的。
21.如權(quán)利要求16的方法，還包括將產(chǎn)物混合物從第二反應(yīng)區(qū)中除去，將分離的再氧化合成劑返回第一和第二反應(yīng)區(qū)。
22.一種用于將輕烴轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴的方法，其步驟包括將合成劑在基本豎直的方向上向上送經(jīng)含有一立管的第一反應(yīng)區(qū)到達(dá)包括一轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的第二反應(yīng)區(qū)，以及降低在第二反應(yīng)區(qū)中的合成劑的速度，以提供足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)輕烴轉(zhuǎn)化成較高級(jí)烴所希望的轉(zhuǎn)化率。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所希望的轉(zhuǎn)化率為25%-35%。
24.如權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括在所述一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)區(qū)中就地將氧化的合成劑與一種氧化劑接觸，且將合成劑再氧化。
25.如權(quán)利要求22的方法，進(jìn)一步包括在完成所希望的轉(zhuǎn)化以后，增加在第二反應(yīng)區(qū)中的產(chǎn)物混合物的速度，從第二反應(yīng)區(qū)中除去產(chǎn)物混合物，從合成劑中除去較高級(jí)烴，和將合成劑再循環(huán)返回反應(yīng)區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于將進(jìn)料氣轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的上流流化循環(huán)床反應(yīng)器，包括第一和第二串聯(lián)的反應(yīng)區(qū)，每個(gè)反應(yīng)區(qū)包括一豎直的反應(yīng)段，還包括有用于將合成劑向上輸送通過第一反應(yīng)區(qū)并進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)的裝置，其中所述第二反應(yīng)區(qū)的豎直反應(yīng)段的直徑大于所述第一反應(yīng)區(qū)的豎直反應(yīng)段的直徑，因而向上輸送的合成劑在第二反應(yīng)區(qū)中被減速。本設(shè)備特別適于利用再循環(huán)和再生的一種氧化的催化劑將甲烷轉(zhuǎn)化成較高級(jí)的烴。
文檔編號(hào)C10G2/00GK1059898SQ91104559
公開日1992年4月1日 申請(qǐng)日期1991年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月1日
發(fā)明者查蘭吉特·S·貝恩斯, 貝扎德·扎沙雅里 申請(qǐng)人:萊昂德爾石油化學(xué)公司