催化反应工程大作业甲醇催化转化制乙烯.doc

摘 要 本文简述了甲醇催化转化制备烯烃的现状以及研究意义，介绍了甲醇催化转化制低碳烯烃的UOP/Hydro 公司开发的流化床MTO、大连化物所的DMTOLurgi公司开发的固定床MTP技术。对甲醇制烯烃反应机理动力学规律，对该反应有了较充分的认识，并在此基础上讨论了温度、浓度效应以及各种因素对反应体系的影响，确定了合适的反应器和操作条件。最后，根据自己的理解说明了工程实施的过程，分析讨论了放大效应、放大方法及冷模实验等的影响。 关键词: 甲醇制乙烯；反应机理；动力学规律；流化床 1 第一章 甲醇制烯烃研究技术进展 2 1.1 UOP/Hydro MTO 工艺 2 1.2 DMTO工艺 3 1.3 SMTO工艺 4 1.4 MTP工艺 4 1.5 FMTP工艺 5 2.1 甲醇制烯烃反应体系研究 6 2.1.1 反应机理 6 2.1.2 反应体系特殊性 8 2.1.3 工艺优化目标与要求 9 2.2 甲醇制烯烃反应动力学研究 10 2.2.1 甲醇制乙烯动力学模型 10 2.2.2 甲醇制烯烃动力学模型求解 12 2.2.3 甲醇制乙烯的浓度效应 13 2.2.4 甲醇制烯烃的温度效应 14 2.3 甲醇制烯烃工程因素的影响 14 2.3.1 返混的影响 15 2.3.2 加料方式的影响 15 2.3.3 传递过程的影响 17 2.4 反应器选择和操作方式 18 第三章 工程实施方法 22 3.1 开发工作部署 22 3.2 冷模研究 23 3.3 过程的放大方法及放大效应 25 致 谢 27 参 考 文 献 28 前 言 乙烯是世界上最大的化学品之一，同时也是现代石油工业的基础原料，以它为原料，可以通过各种途径来合成一系列的化工产品，与此同时，乙烯的衍生物产品已经遍及高分子和有机材料等各个方面，人类的衣食住行均离不开乙烯。据统计，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有着举足轻重的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。 然而随着经济的发展，对乙烯的需求日益增多，供需矛盾逐渐增大。传统以石油裂解制乙烯的方法，一方面难以满足人类的需求，另一方面，当今石油资源的日益匮乏以及“石油危机”的出现，使得各国科学家致力于研发以非石油物质为原料来生产乙烯的方法，并取得了一些重大的进展。比如以天然气为原料，通过氧化偶联或者本森法制取低碳烯烃；通过费托合成或经由甲醇或二甲醚将天然气或煤转化制取低碳烯烃等。 甲醇制烯烃技术的研究始于1976年[1]，Mobil公司于实验室内使用中孔沸石ZSM-5，发现甲醇可以在ZSM-5催化剂上反应得到包含烯烃、烷烃以及芳香烃在内的烃类物质。之后该公司继续做了深入的研究发现，通过调变反应条件和原料与ZSM-5催化剂的配料比，可以使得甲醇制烃的反应产物停留在低碳烯烃或汽油阶段，从而提出了甲醇制烯烃(Methanol-to-Olefins)和甲醇制汽油(Methanol-to-Gasoline)反应，简称MTO和MTG。甲醇制烯烃MTO技术突破了石油资源紧缺、价格起伏大的限制，开辟了制备低碳烯烃等基础化工原料的新路线，因而越来越受到重视[]。 因此，发展煤代油制取烯烃技术能够有效缓解原油供应不足的压力，同时对推动化工行业向前发展也具有重要的意义[3]。甲醇制烯烃技术开辟了由煤炭或天然气生产基本有机化工原料的新工艺路线，是最有希望取代或部分代替以石脑油为原料制取烯烃的路线，也是实现煤化工或天然气化工向石油化工延伸发展的有效途径[4]。该技术取得了实质性的进展1.1 UOP/Hydro MTO 工艺 1995年UOP和Norsk Hydro公司合作建立了一套MTO示范装置，该装置以流化床为核心设备，改性的SAPO-34分子筛（UOP MTO-100）为催化剂，生产负荷为 0.75吨甲醇每天，装置连续平稳运转90多天，甲醇转化率保持100%，产物乙烯和丙烯的选择性高，分别为55%和27%。催化剂经过450次反应-再生循环，性能稳定，催化剂的强度满足要求。在该演示装置上考察了进料的变化、工艺稳定性、工艺灵活性、乙烯和丙烯质量比的调整、质量稳定性、工艺放大可靠性等。试验结果表明，随着反应温度的升高，乙烯、丙烯质量比呈现升高趋势；反应压力升高，乙烯产率略有增加，一般压力在0.07MPa-0.30MPa时，乙烯和丙烯的质量比为1.0-1.5，空速对反应产物的影响不大，当空速增大2倍时，总转化率和反应产物组成没有明显变化，这正是进行工业规模放大的最有利因素。试验证明，只有当空速增大10倍后，生焦量才会有较大的增加。但是从循环流化床的放大来看，空速不会有太大的变化。 采用UOP公司的MTO工艺，法国道达尔石化公司在比利时费卢依(Feluy)建成全球首