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1、(10)申请公布号 CN 103846063 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103846063 A (21)申请号 201210498668.4 (22)申请日 2012.11.29 B01J 8/24(2006.01) (71)申请人 神华集团有限责任公司 地址 100011 北京市东城区西滨河路 22 号 神华大厦 申请人 北京低碳清洁能源研究所 (72)发明人 李飞 朱伟平 孙琦 薛云鹏 郭磊 王向辉 苗强 (74)专利代理机构 北京市中咨律师事务所 11247 代理人 唐秀玲 林柏楠 (54) 发明名称 一种催化剂分散器及含该催化剂分散器的反 应器 (57) 摘要。
2、 本发明公开了一种催化剂分散器， 用在含固 体催化剂的反应器中， 该催化剂分散器为截面圆 锥状的筒， 其被大头朝下地放置在反应器底部， 用 于防止催化剂在反应器底部堆积， 从而使催化剂 在反应器中均匀分布。所述催化剂分散器特别适 合用在有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚 制烯烃的反应器中， 其能够消除反应器中的反应 死角， 提高反应器空间利用率和处理效率， 并大大 降低堆积的催化剂因崩塌导致的操作不稳定。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (10)申。
3、请公布号 CN 103846063 A CN 103846063 A 1/1 页 2 1. 一种催化剂分散器， 用在含固体催化剂的反应器中， 其特征在于 ： 该催化剂分散器 为截面圆锥状的筒， 其被大头朝下地放置在反应器底部， 用于防止催化剂在反应器底部堆 积， 从而使催化剂在反应器中均匀分布。 2. 根据权利要求 1 所述的催化剂分散器， 该催化剂分散器用于气 - 固两相反应器、 液 - 固两相反应器、 和气 - 液 - 固三相反应器中。 3.根据权利要求2所述的催化剂分散器， 其中， 气-固两相反应器进一步是有机含氧化 合物制烯烃的反应器。 4.根据权利要求2所述的催化剂分散器， 其中， 。
4、有机含氧化合物进一步是甲醇和/或二 甲醚。 5. 根据权利要求 1-4 任何之一所说的催化剂分散器， 其中， 催化剂分散器与导流筒耦 合使用。 6. 根据权利要求 5 所述的催化剂分散器， 其中， 导流筒为圆柱状的筒。 7. 根据权利要求 6 所述的催化剂分散器， 其中导流筒与催化剂分散器是连体的或分体 的。 8. 一种含固体催化剂的反应器， 包括 ： 反应罐， 底部具有气体或液体入口 ； 气体或液体分布器， 位于反应罐底部所述气体或液体入口附近， 用于均匀分散所述气 体或液体 ； 催化剂分散器 ； 至少绝大部分位于所述气体或液体分布器上方， 用于在反应器中均匀 分散所述催化剂， 防止催化剂在。
5、反应器底部堆积， 其特征在于 ： 所述催化剂分散器为截面圆锥状的筒， 其被大头朝下地放置在所述反应器底部。 9. 根据权利要求 8 所述的反应器， 其中， 所述反应器是有机含氧化合物制烯烃的反应 器。 10. 根据权利要求 8 所述的反应器， 其中， 所述催化剂分散器与导流筒耦合使用， 导流 筒为圆柱状的筒。 权 利 要 求 书 CN 103846063 A 2 1/6 页 3 一种催化剂分散器及含该催化剂分散器的反应器 技术领域 0001 本发明涉及一种催化剂分散器和含该催化剂分散器的反应器， 特别是， 涉及一种 适合用在有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚制烯烃的反应器中的催化剂分散。
6、器。 背景技术 0002 随着能源的日益短缺， 能源的有效和洁净利用成为现在的重要研究课题。在煤洁 净技术中， 有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚制烯烃工艺、 例如制乙烯、 丙烯等低碳 烯烃 （Methanol-to-Olefin， 简称 MTO） 是其中的一个重要组成部分， 也是国家能源安全战 略的重要补充。 0003 现在已经工业化的 MTO 装置的反应器底部由于设计缺陷， 存在大量的反应 “死 区” ， 在这个区域内， 催化剂因出现堆积而没有发生流化， 无法参与反应器中的反应， 相当于 反应器空间少了一大块。这部分催化剂大概占催化剂总量 40% 左右， 造成了极大的经济损 失， 。
7、并导致反应器空间利用率和处理效率大大降低， 和产生因堆积的催化剂崩塌而造成的 操作不稳定。 0004 实际上， 这部分反应 “死区” 是因催化剂自然堆积而成的。在现有 MTO 工艺的反应 器结构中， 流体经气体分布器由下向上进入反应罐中后， 在反应器内壁和底部附近出现一 定程度的自然向下回流， 在接近反应罐底部的地方， 流体向中心集中， 同时流速降低， 这样 就常常导致流体中的固相 - 催化剂发生沉积， 还有固相 - 催化剂自身重力也会导致其产生 沉积或堆积。因此导致固相 - 催化剂在反应罐中的分布或密集度在不同区域不同， 当反应 器系统出现工艺参数波动、 如压力波动时， 反应 “死区” 内自。
8、然堆积而成的固相 - 催化剂就 有可能发生局部崩塌， 崩塌的催化剂重新进入反应器流化床的密相中， 这部分催化剂温度 较低， 使得反应器中的反应区域温度急剧下降， 温度下降的结果又导致有机含氧化合物、 如 甲醇的转化率立即降低， 释放的热量不足以重新使反应器中的反应区域整体温度提升， 因 此恶性循环， 最后导致 MTO 装置停车。因此， 如何有效消除这个反应 “死区” ， 避免催化剂沉 积或堆积， 使催化剂在反应器中均匀分布就成为一个 MTO 领域急需解决的重要研究课题。 0005 CN1171667C 公开了一种多级环流反应器， 在该反应器中引入了一个圆柱形导流 筒， 依靠导流筒壁内外密度差形。
9、成流体回流， 冲刷沉积或堆积的催化剂。 通常导流筒与反应 器内壁的半径差越小， 回流速度就越快， 冲刷力度就越大。 但上述导流筒在实际应用时存在 的问题是 ： 导流筒与反应器内壁的半径差太大时， 冲刷力度不够， 无法冲刷掉沉积或堆积的 催化剂， 而导流筒与反应器内壁的半径差太小时， 沿整个导流筒外壁的流体冲刷力度太大， 催化剂磨损不仅大大增强， 而且由于流体的环流太强致使操作难以控制， 这样导致上述圆 柱形导流筒并不太实用。 0006 上述专利文献在此引用以作参考。 0007 因此， 开发一种既能避免催化剂磨损、 又能利用合理的环流冲刷力冲刷沉积或堆 积的催化剂， 使催化剂在反应器中均匀分散的。
10、装置以解决上述技术难题是非常必要和紧迫 的。 说 明 书 CN 103846063 A 3 2/6 页 4 发明内容 0008 本发明的目的旨在解决上述技术难题， 因此， 本发明提供一种催化剂分散器及含 有该催化剂分散器的反应器， 所述催化剂分散器用于防止催化剂在反应器底部堆积， 从而 使催化剂在反应器中均匀分布。 0009 所述催化剂分散器特别适合用在有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚制烯烃 的反应器中， 其能够消除反应器中的反应死角， 提高反应器空间利用率和处理效率， 并大大 降低堆积的催化剂因崩塌导致的操作不稳定。 0010 根据本发明第一方面， 提供一种催化剂分散器， 用在含固。
11、体催化剂的反应器中， 该 催化剂分散器为截面圆锥状的筒， 其被大头朝下地放置在反应器底部， 用于防止催化剂在 反应器底部堆积， 从而使催化剂在反应器中均匀分布。 0011 通常， 该催化剂分散器用于气 - 固两相反应器、 液 - 固两相反应器、 和气 - 液 - 固 三相反应器中， 例如有机含氧化合物制烯烃的反应器， 其中， 有机含氧化合物可是甲醇和 / 或二甲醚 ； 上述催化剂分散器可与导流筒耦合使用， 其中， 导流筒为圆柱状的筒， 所述导流 筒与催化剂分散器可是连体的， 也可是分体的 ； 0012 根据本发明第二方面， 提供一种含固体催化剂的反应器， 包括 ： 反应罐， 底部具有 气体或液。
12、体入口 ； 0013 气体或液体分布器， 位于反应罐底部所述气体或液体入口附近， 用于均匀分散所 述气体或液体 ； 0014 催化剂分散器 ； 至少绝大部分位于所述气体或液体分布器上方， 用于在反应器中 均匀分散所述催化剂， 防止催化剂在反应器底部堆积， 所述催化剂分散器为截面圆锥状的 筒， 其被大头朝下地放置在所述反应器底部。 0015 优选地， 所述反应器是有机含氧化合物制烯烃的反应器， 特别是甲醇和 / 或二甲 醚制烯烃的反应器 ； 所述催化剂分散器与导流筒可耦合使用， 而导流筒通常为圆柱状的筒。 附图说明 0016 从下述参考附图的描述中可明显地看出本发明上述和其它特征和优点， 附图各。
13、图 中相对应或等同的部位或部件将采用相同的标记数表示。其中 ： 0017 图 1 是含有本发明催化剂分散器的反应器一个技术方案的示意图 ； 0018 图 2 是含有本发明催化剂分散器的反应器又一个技术方案的示意图 ； 0019 图 3 是含有本发明催化剂分散器的反应器再一个技术方案的示意图。 具体实施方式 0020 通过下面参考实施例的描述进一步详细解释本发明， 但以下包括实施例的描述仅 用于使本发明所属技术领域的普通技术人员能够更加清楚地理解本发明的原理和精髓， 不 意味着对本发明进行任何形式的限制。 0021 图 1 是含有本发明催化剂分散器的反应器一个技术方案的示意图， 在图 1 所示的。
14、 反应器中， 所述催化剂分散器为截面圆锥状的筒， 其被大头朝下地放置在反应器底部， 用于 防止催化剂在反应器底部堆积， 从而使催化剂在反应器中均匀分布， 上述含固体催化剂的 说 明 书 CN 103846063 A 4 3/6 页 5 反应器用作气-固两相反应器、 液-固两相反应器、 和气-液-固三相反应器， 特别是用作有 机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚制烯烃的反应器。上述反应器包括 ： 反应罐 30、 气体 或液体分布器10和催化剂分散器20， 反应罐30底部具有气体或液体入口 （未标记） ， 气体或 液体分布器 10 位于反应罐 30 底部， 并与上述气体或液体入口相连通， 催化。
15、剂分散器 20 沿 竖直方向大头朝下地放置在反应罐 30 底部， 催化剂分散器 20 两端均为开放端， 这样， 催化 剂分散器 20 的外壁和反应罐 30 的内壁之间形成环状回流通道， 其中， 催化剂分散器 20 的 至少绝大部分位于气体或液体分布器 10 上方。 0022 在反应罐30底部放置具有一定高度的催化剂分散器20后， 流体、 例如甲醇和催化 剂颗粒的混合物通过其入口经气体或液体分布器 10 进入反应罐 30 中后， 开始在催化剂分 散器 20 的外壁和反应罐 30 的内壁之间形成环状回流， 也就是流体从催化剂分散器 20 的底 端进入到催化剂分散器 20 的内部空间中， 在有机含氧。
16、化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚和催 化剂颗粒进行充分接触后， 在到达催化剂分散器 20 顶端时， 催化剂颗粒夹带着一部分未反 应掉的有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二甲醚气体沿催化剂分散器 20 外壁附近图 1 箭头 所示的环状回流通道向反应罐30底部移动， 在到达催化剂分散器20底端时， 由于在气体或 液体分布器 10 附近压力较低， 使得回流的包括一部分有机含氧化合物、 例如甲醇和 / 或二 甲醚和催化剂颗粒的流体随经气体或液体分布器10新进入反应罐30中的新鲜流体一起从 催化剂分散器 20 底端再次进入催化剂分散器 20 的内部空间中， 并继续向上到达催化剂分 散器 20 的顶端。
17、， 从而形成一个有冲刷力的流体循环。这样， 反应罐 30 底部因催化剂颗粒自 然沉积或堆积形成的 “反应死区” 就不会形成， 因为这些催化剂颗粒还来不及沉积或堆积就 被流体循环所产生的冲刷力直接推进催化剂分散器 20 的内部空间中， 并接着进行循环， ， 这样， 催化剂颗粒便被催化剂分散器 20 所产生的冲刷力良好地分散， 固态催化剂颗粒不再 发生自然沉积或堆积， 同时受冲刷力的作用， 流体的流速也会提高很多， 其夹带的气体量也 会增加， 这样就导致流体中总含气率增加， 从而有效实现了消除反应器中反应 “死区” 的目 的。 0023 图1所示的本发明催化剂分散器与前述CN1171667C中公开。
18、的导流筒相比， 结构不 同， 尽管上述文献中公开的导流筒也会一定程度上起到分散催化剂颗粒。防止其发生自然 沉积或堆积的作用， 但其在实际使用中遇到的问题是 ： 导流筒上下直径相同， 因此导流筒从 上到下的任何区域与反应罐内壁之间的间隙都是相同的， 因此， 沿导流筒外壁表面形成的 流体回流产生的冲刷力是恒定的， 这样产生的一个问题是， 当在反应罐底部需要形成较大 冲刷力来分散可能沉积或堆积的催化剂颗粒时， 位于导流筒顶部附近的催化剂颗粒也不得 不承受这样大的冲刷力， 这样导致的两个问题是 ：（1） 流体的流速增加太快带来装置操作 困难， 甚至可能失控 ；（2） 催化剂颗粒从导流筒顶部到其底部磨损。
19、非常严重， 使得催化剂使 用寿命变短， 催化剂更换周期加快， 直接带来操作和维修成本的大幅增加。 但通过减少导流 筒直径来降低催化剂颗粒磨损程度时， 因导流筒直径减少产生的冲刷力也相应降低， 这样 冲刷力又不足以彻底将可能沉积或堆积的催化剂颗粒推进导流筒内部空间中， 从而产生催 化剂颗粒的自然堆积或沉积， 所以， 反应死角或反应死区将会不可避免地形成。 因此在实际 中， 是否使用上述导流筒是一个两难选择。 0024 因此， 本发明催化剂分散器截面圆锥状结构很好地解决了这一技术难题， 首先当 本发明催化剂分散器放置在反应器底部时， 由于大头朝下， 截面圆锥状筒 （催化剂分散器） 说 明 书 CN。
20、 103846063 A 5 4/6 页 6 的底端直径大于其顶端直径， 这样流体回流产生的冲刷力从上到下是逐渐增加的， 在到达 截面圆锥状筒 （催化剂分散器） 底部时， 冲刷力达到最大， 这时， 其底部冲刷力大到足够将可 能沉积或堆积的催化剂颗粒全部推进到截面圆锥状筒 （催化剂分散器） 的内部空间中， 而截 面圆锥状筒 （催化剂分散器） 的上部和中部由于其直径较小， 冲刷力仍然可保持在较低水 平， 这样就非常巧妙地避免了催化剂颗粒的过度磨损。 0025 上述催化剂分散器的截面圆锥状结构的另一个好处是 ： 避免了流体的流速增加太 快或突然增加， 因为在反应罐内壁直径恒定的情况下， 截面圆锥状筒。
21、 （催化剂分散器） 直径 越大， 产生的流体回流速度也越大， 截面圆锥状筒直径从上到下是逐渐增大的， 因此， 这种 流体回流的速度也是逐渐增大的， 而不是突然增大， 因此， 流体回流速度逐渐增大不会带来 装置操作困难， 在上述反应器中放入本发明催化剂分散器， 不仅非常好地解决了催化剂颗 粒自然堆积和沉积的问题， 消除了反应器中 “反应死区” ， 而且仅通过一些工艺参数或操作 参数的微调， 就能实现装置的良好运转。 0026 上述催化剂分散器的截面圆锥状结构的又一个好处是 ： 由于 “反应死区” 在反应器 中占据一定体积， 消除上述 “反应死区” 自然也可消除其在反应器中占据的体积， 这样， 相。
22、对 于反应产物相同的产率， 使用上述催化剂分散器的反应器尺寸可以缩小， 这对装置的生产 和维修成本降低是大有好处的。 0027 在本发明中， 对上述催化剂分散器 （截面圆锥状筒） 的高度、 顶端直径和底端直径 并有特别限定， 具体选择这些参数时应根据反应器环境和实验结果而定， 其中， 反应器内壁 直径的大小、 反应罐的高度、 催化剂的粒度和比重， 有机含氧化合物的种类， 甚至反应罐中 的温度和压力都是确定上述参数所需考虑的因素。 0028 如图 1 所示， 向反应罐 30 中装入一定量的固态催化剂后， 反应气体或液体由其入 口经气体或液体分布器 10 进入反应罐 30 中后， 与催化剂颗粒充分。
23、接触， 此时， 催化剂颗粒 在气体或液体向上推力和本身重力的双重作用下处于悬浮状态， 即流化状态， 在反应罐 30 下部密相区中， 由于催化剂颗粒粒度较大， 流体流动受阻， 因此流动较弱， 催化剂颗粒不会 大范围移动， 而且会出现催化剂堆积现象， 这一区域一般会被称为 “密相区” 。再往上催化 剂颗粒进入比 “密相区” 略高的区域后， 由于流速下降， 进入此区域中的催化剂大颗粒本身 重力会大于上述推力 （重力与直径的三次方成正比， 上述推力与直径的平方成正比） ， 所以 这些催化剂大颗粒又会重新回到 “密相区” 中， 而催化剂小颗粒则会悬浮或漂浮在上述区域 中， 由于在装置运行时催化剂小颗粒比。
24、例小， 而且容易被带出上述区域， 所以， 这一区域催 化剂数量较少， 因此叫 “稀相区” 。由于催化剂主要集中在密相区中， 因此， 反应主要发生在 密相区中。为了达到最好的反应效果， 催化剂分散器 20 顶端优选处于或低于 “密相区” 和 “稀相区” 的连接处， 更具体地说， 催化剂分散器 20 顶端优选与 “密相区” 顶部处于同一水平 面上， 或略低于 “密相区” 顶部。 0029 如图 1 所示， 反应器 “密相区” 通常为圆柱形，“密相区” 的下端还包括向下凸出的 弧形封口端， 催化剂分散器 20 的下端优选高于 “密相区” 与上述弧形封口端的连接处的水 平线。 0030 通常， 在催化。
25、剂分散器 20 底部设有多个向下延伸的支撑脚 （未标记） ， 催化剂分散 器 20 通过上述支撑脚支撑在反应罐 30 的底部或下部区域， 其截面圆锥结构可以由一个扇 形钢板卷起来形成， 通过常规固定的方式、 例如焊接将几个支撑脚 （未标记） 固定到催化剂 说 明 书 CN 103846063 A 6 5/6 页 7 分散器 20 底部， 再将固定有上述支撑脚的催化剂分散器 20 放入反应罐 30 底部， 如果在反 应罐30中流体湍流不剧烈， 则不用固定， 直接放入反应罐30中即可， 如果流体湍流剧烈， 还 需用常规固定的方式、 例如焊接将支撑脚固定在反应罐 30 的底部附近。 0031 作为本。
26、领域普通技术人员所能够想到的实施方式之一， 上述气体或液体分布器 10 还可位于催化剂分散器 20 的底端开口之内， 或催化剂分散器 20 的底端与上述气体或液体 分布器 10 处于同一水平面上。 0032 值得说明的是 ： 本发明催化剂分散器可与前述 CN1171667C 中公开的圆柱状导流 筒耦合使用， 如图 2 和图 3 所示， 上述圆柱状导流筒 40 与催化剂分散器 20 可是连体的或分 体的， 当二者是分体时， 可通过常规固定的方式、 例如用钢条焊接将它们连接在一起， 以便 于操作和控制， 此时， 上述圆柱状导流筒40的直径可与催化剂分散器20的顶端直径大致相 等。 0033 实施例。
27、 0034 实施例 1 0035 用图 1 所示的反应器由甲醇制备烯烃， 其中所用的催化剂分散器的高度、 底端位 置、 顶端位置与反应器密相区的高度、 底端位置、 顶端位置相同， 所述反应器是实验室规模 的反应器， 其密相区直径为 2 米， 高度为 15 米。催化剂分散器顶端直径为 1 米， 底端直径为 1.5 米， 并且催化剂分散器的中心线与反应器圆柱形密相区的中心线重合。 0036 在本实施例 1 中， 甲醇和 MTO 催化剂均商购自神华包头煤化工有限责任公司。 0037 在本实施例 1 中， 逐渐减少来自催化剂再生器的再生催化剂循环量， 当减少至起 始催化剂循环量的 75% 时， 观察到。
28、烯烃的生产率出现下降， 这说明起始催化剂的循环量相 对于催化剂循环需求量过量 25%。 0038 本实施例 1 所采用的工艺参数表示在下面表 1 中。 0039 对比实施例 1 0040 除了将本发明催化剂分散器从上述反应器中取出外， 重复实施例 1 的实验过程， 本对比实施例 1 所采用的工艺参数与实施例 1 完全相同。 0041 同样， 在本对比实施例 1 中， 逐渐减少来自催化剂再生器的再生催化剂循环量， 当 减少至起始催化剂循环量的 95% 时， 观察到烯烃的生产率出现明显下降， 这说明起始催化 剂的循环量相对于催化剂循环需求量仅过量 5%。 0042 比较实施例 1 和对比实施例 1。
29、 的催化剂循环需求量可知 ： 二者相差为起始催化剂 循环量的 20%， 这说明对比实施例 1 中的催化剂颗粒在反应器中出现了自然堆积或沉积， 从 而形成 “反应死区” ， 这样堆积或沉积的催化剂颗粒并没有参与反应， 而被白白浪费。 这部分 浪费的催化剂数量正好是起始催化剂循环量的 20%， 这也从侧面说明 ： 在反应器中加入本 发明催化剂分散器后， 可有效消除催化剂颗粒出现的自然堆积或沉积， 避免了 “反应死区” 的出现， 有效地起到了在反应器中均匀分散催化剂颗粒和减少催化剂颗粒浪费的目的。 0043 表 1 0044 工艺参数实施例 1对比实施例 1 催化剂再生器工作温度 ,650650 说。
30、 明 书 CN 103846063 A 7 6/6 页 8 催化剂再生器工作压力 ,MPa0.110.11 甲醇制烯烃反应器工作温度 ,450450 甲醇制烯烃反应器工作压力 ,MPa0.120.12 甲醇与再生催化剂接触反应时间， 秒44 0045 本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、 而非限制性的术语和表述方 式， 在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物 排斥在外。 0046 尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式， 但本发明不被限制为所描述的实施 方式。相反， 本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这 些实施方式进行任何变通和改进， 本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确 定。 说 明 书 CN 103846063 A 8 1/3 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103846063 A 9 2/3 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103846063 A 10 3/3 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103846063 A 11 。