甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器及其应用，该固定床反应器包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段设有进料口，所述第二段设有出料口，所述第一段包括催化剂段，所述进料口、催化剂段、出料口沿由第一段至第二段的方向依次设置，所述第一段的内径为所述第二段的内径的2.5～10倍。本发明专利技术可以缩短催化剂段产生的反应产物在高温区的停留时间，减少乙烯等C2烃产物的深度氧化等副反应，提高C2烃的选择性和收率。提高C2烃的选择性和收率。提高C2烃的选择性和收率。

【技术实现步骤摘要】
甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器及其应用


[0001]本专利技术涉及化工领域，具体涉及一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器及其应用。

技术介绍

[0002]乙烯、乙烷等C2烃是重要的基础有机化工原料，应用广泛，尤其是乙烯具有更高的使用价值，其通常是合成塑料、合成树脂、合成橡胶、合成纤维、染料、农药、医药、香料、表面活性剂、新型化工材料以及日化用品的基本原料。随着页岩气和可燃冰开采技术的突破，以储量相对丰富、分布较广和价格低廉的天然气生产乙烯等基础有机化工原料，逐渐成为研究热点。
[0003]甲烷氧化偶联制乙烯(OCM)技术是生产乙烯的重要技术，具有良好的应用前景，然而，提高乙烯等高附加值C2烃的选择性和收率，仍然是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器及其应用，能够显著提高乙烯等高附加值C2烃的选择性和收率，解决现有技术所存在的技术问题。
[0005]本专利技术的一方面，提供一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器，包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段设有进料口，所述第二段设有出料口，所述第一段包括催化剂段，所述进料口、催化剂段、出料口沿由第一段至第二段的方向依次设置，所述第一段的内径为所述第二段的内径的2.5～10倍。
[0006]根据本专利技术的一实施方式，所述第一段的内径为3～20mm，和/或，所述第二段的内径为1～5mm。
[0007]根据本专利技术的一实施方式，所述第一段和第二段同轴设置。
[0008]本专利技术的另一方面，提供一种基于甲烷氧化偶联制备C2烃的方法，采用上述毫秒级变径固定床反应器，所述催化剂段装填有催化剂，所述方法包括：使含有甲烷、氧气、水蒸气的原料气从所述第一段的进料口进入所述第一段，然后在所述催化剂段与所述催化剂接触进行甲烷催化氧化偶联反应，生成的反应产物流经所述第二段后，从所述第二段的出料口排出，得到含有C2烃的产物。
[0009]根据本专利技术的一实施方式，所述催化剂包括载体、以及负载于所述载体上的金属活性组分，所述载体包括二氧化硅，所述金属活性组分包括钠、钨、锰。
[0010]根据本专利技术的一实施方式，所述催化剂中，锰元素的质量含量为1.5～3％，钨元素的质量含量为2.5～4.5％，钠元素的质量含量为0.7～1.1％，余量为载体。
[0011]根据本专利技术的一实施方式，所述原料气中，甲烷的体积含量为15～20％，氧气的体积含量为3～7％，水蒸气的体积含量为73～82％。
[0012]根据本专利技术的一实施方式，所述甲烷催化氧化偶联反应的条件为：压力为0.1～0.3MPa，所述催化剂段的温度为775～850℃，所述原料气的进料体积空速为20000～
60000h
‑1。
[0013]根据本专利技术的一实施方式，所述反应产物在所述第二段的停留时间为2～20ms。
[0014]根据本专利技术的一实施方式，所述C2烃包括乙烯和/或乙烷。
[0015]本专利技术针对甲烷氧化偶联制C2烃，提供了一种结构的变径固定床反应器，通过设置第一段和第二段，在第一段设置催化剂段，并控制第一段的内径为第二段内径的2.5～10倍，可以使在催化剂段反应后的物料流经第二段(高温区)时，缩短在高温区的停留时间(反应产物在高温区的停留时间可达到毫秒级，具体可达2～20ms，为常规固定床反应器物料停留时间的1/5～1/100)，加快反应产物离开高温区的速度，减少乙烯等C2烃产物的深度氧化等副反应，提高C2烃的选择性和收率，尤其可显著提高更高附加值的乙烯的选择性和收率，同时可提高原料转化率，研究显示，原料转化率可高达40％以上，同时，C2烃收率可高达26％以上，其中，乙烯选择性高达42％以上，乙烷选择性高达20％以上。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一实施方式的甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器的结构示意图。
[0017]附图标记说明：
[0018]1：第一段；
[0019]2：第二段；
[0020]12：催化剂段；
[0021]11：原料气入口段；
[0022]100：进料口；
[0023]101：第一内壁；
[0024]102：第一外壁；
[0025]200：出料口；
[0026]201：第二内壁；
[0027]202：第二外壁。
具体实施方式
[0028]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的方案，下面对本专利技术作进一步地详细说明。以下所列举具体实施方式只是对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本专利技术，并非限定本专利技术的范围。基于本专利技术实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]在本专利技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，例如区分各部分，以更清楚说明/解释技术方案，而不能理解为指示或暗示所指示的技术特征的数量或具有实质性意义的顺序等含义。本专利技术中，所述的内径是直径。
[0030]甲烷氧化偶联反应(OCM)的反应温度一般高于750℃，且其是高温强放热反应，反应器内有明显的热区(高温区)存在，而在高温条件下，反应产物中较为活泼的乙烯等C2烃容易进行二次反应，被深度氧化为COx(CO和CO2)等副产物，导致乙烯等C2烃的选择性和收率降低。
[0031]为解决上述问题，本专利技术提供了一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器，如图1所示，包括依次连接的第一段1和第二段2，第一段1设有进料口100，第二段2设有出料口200，第一段包括催化剂段12(即催化剂床层)，进料口100、催化剂段12、出料口200沿由第一段1至第二段2的方向依次设置，第一段1的内径为第二段2的内径的2.5～10倍。
[0032]示例性地，第一段1的内径为第二段2的内径的2.5倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。
[0033]具体地，第一段1包括依次连接的原料气入口段11和催化剂段12，第二段2为反应产物输出段(或称产品气出口段)，进料口100设置在原料气入口段11，原料气入口段11、催化剂段12、第二段2依次相连，原料气从原料气入口段11进入反应器，并在催化剂段12与催化剂接触发生甲烷催化氧化偶联反应，而如上所述，甲烷催化氧化偶联反应需要在一定的高温下进行，且属于强放热反应，导致位于催化剂段(主要反应区)下游的反应产物输出段存在高温区，而本专利技术中，通过上述结构设置，控制第一段1的内径为第二段2的内径的2.5～10倍，由于反应产物(产品气)在反应产物输出段(即第二段2)的气体线速度与反应产物输出段内径的平方呈反比，反应产物输出段的内径减小，其中的产品气线速度增大(一般为第一段气体物料的线速度的5～100倍)，使得产品气快速离开高温区，有效的减少产物中C2烃的深度氧化等副反应的发生，提高C2烃选择本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲烷氧化偶联制C2烃用毫秒级变径固定床反应器，其特征在于，包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段设有进料口，所述第二段设有出料口，所述第一段包括催化剂段，所述进料口、催化剂段、出料口沿由第一段至第二段的方向依次设置，所述第一段的内径为所述第二段的内径的2.5～10倍。2.根据权利要求1所述的毫秒级变径固定床反应器，其特征在于，所述第一段的内径为3～20mm，和/或，所述第二段的内径为1～5mm。3.根据权利要求1所述的毫秒级变径固定床反应器，其特征在于，所述第一段和第二段同轴设置。4.一种基于甲烷氧化偶联制备C2烃的方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
3任一项所述的毫秒级变径固定床反应器，所述催化剂段装填有催化剂，所述方法包括：使含有甲烷、氧气、水蒸气的原料气从所述第一段的进料口进入所述第一段，然后在所述催化剂段与所述催化剂接触进行甲烷催化氧化偶联反应，生成的反应产物流经所述第二段后，从所述第二段的出料口排出，得到含有C2烃的产物。5.根据权利要求4所述的基于甲烷氧化偶联制备C2烃的方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：余长春，刘庆敬，宋悦，李然家，王晓胜，姜桂元，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：