[发明专利]流化床反应系统以及使用该系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及烃类转化工艺领域，更具体来说，本发明涉及用于烃类转化的流化床反应系统以及使用该系统的方法。

背景技术

1,3-丁二烯，简称丁二烯，是合成橡胶的最重要单体。随着世界各国争先发展和采用轻油裂解副产碳四馏分制备丁二烯的新技术，丁烯氧化脱氢生产丁二烯的研究获得了重大进展。

丁烯氧化脱氢制丁二烯是放热且实际不可逆的反应，可在不太高的温度下进行该反应而得到收率较高的丁二烯。反应原料有原料丁烯、空气和原料蒸汽，反应后的产品称为反应产物气体，或者产物气，其组成除了丁二烯外，还生成一氧化碳、二氧化碳以及醛、酮、酸等有机含氧化合物。丁烯氧化脱氢反应主要由丁烯和氧之间发生，生成丁二烯、一氧化碳、二氧化碳和水（即生成水），利用氧来夺取丁烯中的两个氢原子，使之生成丁二烯和水。由于氢原子和氧原子结合成水是很牢固的，所以从理论上看，丁烯的平衡转化率接近于100%，这使得氧化反应和脱氢反应结合在一起的反应叫做氧化脱氢反应。主反应方程式如下：

主要的副反应为：

C₄H₈+4O₂→4CO+4H₂O+Q2式(2)

C₄H₈+6O₂→4CO₂+4H₂O+Q3式(3)

其中，Q1、Q2、Q3均为热量，反应过程中，25℃下的反应热为：Q1=-29.3kcal/mol，Q2=-334.71kcal/mol，Q3=-605.23kcal/mol。由放热反应值可以看出，丁烯氧化脱氢反应属于强放热反应，在绝热反应中其反应温升是很大的。为防止反应出口温度过高和提高丁二烯的选择性，反应过程中加入大量的水蒸气，称为原料蒸汽。通常需要将反应器入口处的水蒸气和丁烯原料的摩尔比（水烯比）保持在特定的水平，水烯比对过程各方面的影响可归纳如下：

（1）水烯比增加能提高选择性，但生产能力降低。由于水蒸气的稀释作用，水烯比增加能降低原料中丁烯和氧的分压。例如，当水烯比升高使得丁烯和氧的分压大约下降一半的时候，丁烯氧化脱氢生成丁二烯的反应速度降至原本的1/2，生产能力降至一半，这是不利的一面，但是从选择性来看，如此增加水烯比将提高选择性，因为从丁二烯引起的二次副反应不仅和丁二烯分压成正比，而且与氧分压的约0.5次方有关，因此，当丁二烯和氧的分压降低一半，则二次副反应的速率相应地降至原本速率的1/2.83，降低的幅度超过主反应，因此选择性提高。

（2）在工程上，常调节水烯比来保证线速，从而使反应器的生产能力具有一定操作弹性。因为在设备潜力较大，而需要的生产能力又不是很大时，如果减少投料，则不能保证系统所必须满足的下限线速，此时可通过加大水烯比而在保证该线速的同时以所需的低生产能力进行工艺运行。但水烯比的加大也有一定限制，因为对于丁烯氧化制备丁二烯的反应，反应器的入口气体温度通常在140℃左右，反应器出口气体温度约为480-500℃，出口气体能带出大量热量。如果水烯比增加，出口气体中包含的水蒸气含量随之增加，带出热量也相应增加，当此带出的热量超过反应放出的热量时，热量的平衡不能维持，反应温度就不能保持。另外，在反应热中，有很大一部分是副反应造成的，尤其是过度氧化生成二氧化碳和一氧化碳的副反应，其中生成二氧化碳的反应热为生成丁二烯反应产生的反应热的20倍左右。因此为保持热量的平衡，允许的最大水烯比与副反应很有关系。

（3）如果采用比较高的水烯比，则会增大反应气体本身的热容，因此反应器的温度较易控制。在使用新催化剂时，催化剂活性高，通过采用比较高的水烯比，会使得反应体系内的温度总体比较稳定且易于掌控。但是另一方面，在正常操作时，如水烯比过大，则易使浓相段底部温度过低，使反应不完全，造成稀相段超温。

（4）从防止爆炸的观点来看，水蒸气可以起到缩小丁烯爆炸限度范围的作用，因此采用较高的水烯比有利于维持系统的安全操作。