用于改善催化剂流体动力学的反应器多通道格栅的制作方法
【专利说明】用于改善催化剂流体动力学的反应器多通道格栅
[0001]优先权声明
[0002]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
[0003]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(ΜΤ0)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】
[0004]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。
[0005]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馈单元。
[0006]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。
[0007]一种转化工艺通常被称为甲醇制烯烃(ΜΤ0)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ΜΤ0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US 3，957，689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US 5，352，645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。
[0008]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。ΜΤ0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。
[0009]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】
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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】
[0013]图1示出了完全覆盖ΜΤ0反应器的横截面的格栅结构；以及
[0014]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】
[0015]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(ΜΤ0)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。ΜΤ0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。
[0016]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 ΜΤ0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20_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%。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。