化学反应工程课程设计陈玉姣

甲醇制烯烃

流化床反应器的设计

班级： 1014121

学号： 101412102

学生姓名：陈玉姣

指导教师：张军帅

化学与材料工程学院

2015年6月

目录

1绪论： (3)

1.1工艺生产技术方法及进展： (4)

1.2设计任务的意义： (5)

2甲醇制烯烃的反应机理研究： (6)

2.1甲醇制烯烃动力学： (7)

2.2甲醇制烯烃的发展前景: (8)

3设计方案简介: (8)

3.1工艺流程图及说明： (9)

4设计说明书： (10)

4.1操作气速的设计： (10)

U）计算： (11)

4.1.1初始流化速度（

mf

U的计算： (12)

4.1.2逸出速度

t

4.1.3流化床操作气速： (13)

4.2反应器的处理能力 (13)

4.3催化剂的装填量 (13)

4.4流化床反应器床高的确定： (14)

4.4.1浓相段高度的计算 (14)

4.4.2稀相段床高的计算： (15)

4.4.3锥形段计算： (16)

4.5床层的压降： (16)

4.6流化床壁厚： (17)

4.6.1流化床反应器壁厚的计算 (17)

4.6.2筒体应力的计算及试压 (18)

4.7流化床反应器筒体椭圆封头： (19)

4.7.1封头厚度的计算： (19)

4.7.2封头的试压实验： (20)

4.8反应器的裙座： (20)

5流化床反应器的结构 (21)

5.1气体分布器 (21)

5.2旋风分离器的选择 (22)

5.3 换热器的选择 (23)

5主反应器设计一览表： (24)

6设计体会： (25)

7参考文献： (26)

8主要符号说明： (27)

1绪论：

乙烯和丙烯是现代化学工业的重要基础原料，其需求量将越来越大，它们的发展带动着其他基本有机化工产品生产的发展。而且，乙烯的产量往往标志着一个国家基本有机化学工业的发展水平。现有低碳烯烃生产技术严重依赖石油资源，其中乙烯主要来源于石脑油蒸汽裂解，而丙烯则主要来源于石脑油裂解副产和炼油厂催化裂解副产。由于石油是不可再生资源,储量十分有限,且石油价格起伏很大，世界各国开始致力于非石油路线制乙烯和丙烯等低碳烯烃的技术开发，其中以天然气或煤为原料经甲醇制取低碳烯烃技术逐渐成为研究开发的热点。甲醇制取烃类早在1985年,美国美孚(Mobil)公司在新西兰Montonui公司的甲醇制汽油(MTG)生产厂就已经投产。由于烯烃为甲醇制汽油反应的中间产物,所以甲醇制汽油技术的成功开发推动了后来甲醇制烯烃(MTO)、甲醇制丙烯(MTP)等工艺的开发。笔者重点介绍几种国际领先的甲醇制烯烃工艺,如美国UOP公司与挪威Hydro公司的甲醇制烯烃工艺、中国科学院大连化学物理研究所的合成气经由二甲醚制低碳烯烃(syngas via dimethylether toolefins,SDTO)工艺、美国鲁奇(Lurgi)公司的甲醇制丙烯工艺、美国AtoFina与UOP公司的烯烃裂解工艺等,其中UOP/Hydro公司的甲醇制烯烃工艺、Lurgi公司的甲醇制丙烯工艺、AtoFina/UOP公司烯烃裂解工艺已经在过去的二三年内实现了工业化。

1.1工艺生产技术方法及进展：

甲醇制烯烃（MT0）技术当前已处于工业化应用的阶段，其工业化示范装置已在国内商业化成功运行 3 年多。用以甲醇为代表的含氧有机物为原料生产以乙烯和丙烯为主的低碳烯烃工艺有国外的 MT0、MTP工

艺和中国科学院大连化学物理研究所的 DMT0 工艺。甲醇制烯烃的反

应具有以下特点: ①反应为强放热过程,工艺设计需要考虑移热问题;

②为了抑制高碳数烃类和芳烃的形成,提高烯烃的选择性,具有择形功

能的分子筛是常用的催化材料,但是分子筛易积炭失活,需要进行再生;

③目标产物烯烃为中间产物,需要抑制烯烃二次反应(如氢转移、烯烃

聚合等)的进行。从前两个特点出发,流化床是该过程的理想反应器。

甲醇制烯烃催化剂的研究主要集中在分子筛催化剂上。早期研究发现,很多微孔分子筛都可以催化甲醇到烯烃的转化,按照其孔道大小可以

进一步分为:大孔分子筛(孔道由十二元环以上组成,孔径大于0.7 nm,如Y分子筛、丝光沸石、SAPO-5等),中孔分子筛(十元环,孔径约0.5～0.6 nm,如ZSM-5),小孔分子筛(八元环,孔径约0.4 nm,如ZSM-34、SAPO-34、SAPO-18等)。其中大孔分子筛孔道尺寸大,择形效果较差,

容易副产异构烷烃和芳香烃,导致低碳烯烃的选择性低。因此,目前甲

醇制烯烃催化剂的研究主要集中在中孔和小孔分子筛,以ZSM-5和SAPO系列分子筛为代表。本设计选用最具代表性的SAPO-34分子筛。SAPO-34分子筛由美国联碳公司(UCC)在1984年开发成功，属于一类

新型的磷酸硅铝分子筛。它具有八元环构成的椭球形笼和三维孔道结构，与ZSM-5的交叉孔道结构不同， SAPO-34在分子筛内部孔道交叉

处形成了体积较大的椭球形笼,该笼的尺寸为111nm@0165 nm，每个笼通过侧面的共6个八元环与其他笼相通,形成三维的直线孔道，只有C3以下的小分子和正构烃类才可以进出孔道，异构烃以及芳烃受到严重限制。此性质使得SAPO-34具有优异的择形性能，在MTO反应中可以获得很高的低碳烯烃选择性，因而被认为是甲醇制取低碳烯烃过程的最优催化剂，近期MTO催化剂的大量研究工作都集中于此。

1.2设计任务的意义：

本设计介绍了甲醇制烯烃流化床反应器的设计方法，在确定反应温度，压力，操作空速，催化粒径及催化剂颗粒和装填密度的操作条件下对反应器尺寸（浓相段高度、稀相段高度）等计算进行了说明，为甲醇制烯烃成型催化剂配方和制备工艺的确定、MTO工艺操作条件优化提供了实验平台。以甲醇产低碳烯烃的方法，将会首先在我国这个石油资源紧缺而又处在快速发展中的国家得到工业应用，并可望形成一个不需石油且可大规模生产石油化工平台化合物烯烃的重大产业技术。目前我国石脑油和轻柴油等原料资源短缺，如果还是以它们作为低碳烯烃生产唯一原料来源，来满足我国每年对低碳烯烃的增产需求显然不行，必须走出一条新路子。如果在我国煤炭资源丰富的地区，加快煤基MTO 工艺的工业发展，实现以乙烯、丙烯为代表的低碳烯烃生产原料多元化，不失是解决我国石油资源紧张，促进我国低碳烯烃工业快速发展之最有效途径，也有利于实现我国内地产煤大省实现煤炭资源优势转化。另一方面，近几年，我国甲醇市场长时期维持在高