УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИИ ЭТАНА В ЭТИЛЕН

Полезная модель относится к аппаратам химической и нефтехимической промышленности и предназначена для окислительной конверсии этана в этилен с получением технического азота как второго продукта.
В настоящее время большое внимание уделяется разработке процессов и установок каталитической конверсии этана и пропана в соответствующие олефины предпочтительно путем окислительной конверсии. Применение окислителя при конверсии низших алканов в олефины имеет ряд преимуществ: повышение выхода продукта, снижение температуры осуществления реакции в связи с ее экзотермичностью, увеличение времени полезной работы катализатора из-за возможного выгорания кокса в процессе реакции. Однако данный путь вызывает и ряд технологических проблем:
- высокая энергоемкость и капиталоемкость процесса: при реализации окислительной конверсии этана в этилен с использованием кислорода в качестве окислителя требуются дополнительные капитальные затраты на выделение кислорода из воздуха и организацию взрывобезопасного производства, а при использовании воздуха в качестве окислителя в состав продуктов реакции входит балластный азот, который требует дополнительных затрат для его выделения;
- взрывоопасность смеси этан-кислород.
В связи с этим наиболее целесообразной является технология окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, которая обеспечивает взрывобезопасность процесса.
В известных устройствах для конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя ее обычно осуществляют с использованием:
- особой конструкции реакторов с отдельными трубками или каналами для подачи сырья и окислителя, что требует капитальных затрат на переоборудование существующих реакторов и решает проблему взрывобезопасности лишь частично - на стадии подачи сырья и окислителя, тогда как в зоне реакции этан и кислородсодержащий газ непосредственно смешиваются, и не решает проблему изоляции балластного азота от продуктов реакции;
- реакторов с импульсной попеременной подачей сырья и окислителя, что снижает производительность и устойчивость процесса из-за невозможности обеспечить его непрерывность;
- применения мембран, что удорожает процесс, а также нарушает его непрерывность из-за необходимости регулярно очищать мембраны от кокса и иных осевших на ней загрязнений, а также восстанавливать их активность.
Наиболее близким к предложенному является устройство для окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей предельного углеводорода и воздуха при повышенных давлениях. Устройство включает два различных реактора, в которых осуществляют дегидрирование этана и окислительную регенерацию катализатора; устройства для удаления воды из продукта окислительной конверсии и для отделения этилена от непревращенного этана адсорбционной сепарацией; циклонный сепаратор для отделения отработанного катализатора от продуктов реакции; линию циркуляции катализатора между реакторами. После дегидрирования восстановленный катализатор подают в реактор окисления с помощью продувочного (транспортного) потока инертного газа, такого, как азот (см. WO 02/24614 A1, кл. МПК C07C 11/02, C07C 2/84, C07C 5/48, C07C 7/152, опубл. 28.03.2002).
В известном устройстве отработанный воздух содержит значительное количество кислорода (до 5%), что существенно затрудняет рациональное его применение. Таким образом, проблема выделения балластного азота в нем также не решается.
Полезная модель решает задачу рационального использования отработанного обедненного воздуха при высокой селективности образования этилена и обеспечения взрывобезопасности.
Поставленная задача решается тем, что устройство для окислительной конверсии этана в этилен, включающее реактор дегидрирования этана, сепаратор реактора дегидрирования этана, узел подачи сырья, узел вывода продукта - этилена, реактор окислительной регенерации катализатора, сепаратор реактора окислительной регенерации катализатора и линию циркуляции катализатора между реактором дегидрирования этана и реактором окислительной регенерации катализатора, дополнительно содержит узлы ввода транспортного азота, узел вывода технического азота как второго продукта и линию рецикла части технического азота в узел ввода транспортного азота, а реактор окислительной регенерации катализатора дополнительно снабжен соосным ему отградуированным штоком с направляющими пластинами, угол между которыми в горизонтальной плоскости составляет 120°, соединенным с электродвигателем, обеспечивающим регулировку кратности циркуляции катализатора путем перемещения отградуированного штока в вертикальном направлении на заданное число делений, причем указанный шток выполнен полым для поддержания псевдоожижения катализатора путем подачи азота в линию циркуляции катализатора и расположен частично внутри указанного реактора, а частично внутри указанной линии циркуляции.
В устройстве реализуется пространственное разделение потоков сырья и окислителя с переносом кислорода от потока окислителя к потоку сырья с помощью катализатора. Такой прием обеспечивает технологическое преимущество предлагаемой разработки за счет непрерывности протекания соответствующих реакций в каждом отдельном аппарате, простоты управления и гибкости процесса, исключает попадание балластного азота в продукты реакции.
Принцип работы устройства заключается в том, что потоки сырья и окислитель подают в два отдельных реактора, между которыми непрерывно циркулирует катализатор. Катализатор, функционирующий как переносчик кислорода, контактирует с потоком этана в реакторе дегидрирования и одновременно насыщается кислородом в реакторе окисления. Эквимольное количество кислорода, которое может быть захвачено катализатором, предварительно определяют известным методом, например методом термопрограммированного восстановления (ТПВ) (НЕФТЕХИМИЯ, 2011, том 51, №6, с. 1-8. Парциальное окисление низших алканов активным решеточным кислородом оксидно-металлических систем: 1. Экспериментальные методы и установки. И.М. Герзелиев, Н.Я. Усачев, А.Ю. Попов, С.Н. Хаджиев). Таким образом обеспечивается минимальная концентрация кислорода (менее 1%) в «отработанном» воздухе, что позволяет отнести его к категории «технический азот» по ГОСТ-9293-74. Полученный технический азот частью возвращают в систему в качестве транспортного азота, а частью выводят из устройства как второй товарный продукт.
Для того, чтобы обеспечить рациональное применение отработанного воздуха как товарного продукта - технического азота, необходимо, чтобы его качество было стабильным, без заметных колебаний по составу. Между тем для обеспечения высокой селективности по основному продукту - этилену требуется регулировать соотношение «катализатор: сырье» путем изменения скорости подачи этана. Поскольку этан является транспортирующим агентом, уменьшение скорости подачи может привести к дестабилизации режима пневмотранспорта с последующим завалом, а также снижению чистоты второго продукта. Обеспечение стабильного режима пневмотранспорта и соответственно получение технического азота стабильного качества при этих условиях требует фиксирования скорости циркуляции на заданном уровне, что дополнительно обеспечивает и поддержание стабильной высокой селективности по этилену. Эта задача в предложенном устройстве решается путем разработки нового узла, обеспечивающего регулировку кратности циркуляции катализатора и включающего отградуированный регулирующий шток с электроприводом.
Схема устройства для окислительной конверсии этана в этилен представлена на фиг. 1, где:
1 - реактор дегидрирования этана;
2 - сепаратор реактора дегидрирования этана;
3 - узел вывода продукта - этилена;
4 - реактор окислительной регенерации катализатора;
5 - сепаратор реактора окислительной регенерации катализатора;
6 - подъемник катализатора;
7 - стояк;
8 - транспортная линия;
9, 10 - узлы ввода транспортного азота;
11 - узел вывода технического азота;
12 - шток;
13 - направляющие пластины;
14 - электродвигатель.
На фиг. 2 представлена в увеличении часть штока с направляющими пластинами, вид сбоку и сверху.
Устройство для окислительной конверсии этана в этилен продукта включает реактор дегидрирования этана (1), представляющий собой вертикальный цилиндрический аппарат с узлом подачи сырья (не имеет числового обозначения), и реактор окислительной регенерации катализатора (4), также представляющий собой вертикальный аппарат с узлом вывода технического азота (11). Над реактором дегидрирования этана (1) находится сепаратор реактора дегидрирования этана (2), к которому присоединены узел вывода продукта - этилена (3) и стояк (7). Реактор дегидрирования этана (1) и реактор окислительной регенерации катализатора (4) находятся в соединении посредством линии циркуляции катализатора между реактором дегидрирования этана и реактором окислительной регенерации катализатора. Эту линию в совокупности составляют подъемник катализатора (6), стояк (7) и транспортная линия (8). В нижней части транспортной линии (8) существует зона, в которой накапливается катализатор. Узлы ввода транспортного азота (9) и (10) присоединены к реактору дегидрирования этана (1) и подъемнику катализатора (6) соответственно. От узла вывода технического азота к узлам ввода транспортного азота (9) и (10) идет линия рецикла технического азота (не показана на чертеже, за исключением направления потока рецикла).
Соосно реактору окислительной регенерации катализатора (4), то есть вертикально по оси реактора, расположен регулирующий отградуированный шток (12), представляющий собой полую стальную трубку. Так как его общая высота превышает высоту реактора (4), шток находится внутри него лишь частично, а частично выходит в линию циркуляции катализатора (а именно в транспортную линию (8)). В нижней части шток снабжен тремя направляющими пластинами (13), угол между которыми в горизонтальной плоскости составляет 120°. В верхней части шток соединен с электродвигателем (14).
Устройство работает следующим образом.
Сырье - этан - через узел ввода сырья подают в нижнюю часть реактора дегидрирования этана (1), где оно контактирует с катализатором.
В реакторе осуществляют реакцию дегидрирования этана с получением этилена при оптимальной температуре 600°C:
с одновременным восстановлением катализатора.
2
Смесь продуктов реакции, содержащая этилен, побочные продукты реакции (метан, вода, CO и CO) и отработанный (восстановленный) катализатор из реактора дегидрирования этана (1) с помощью потока транспортного азота, подаваемого через узел ввода транспортного азота (9), поднимается в сепаратор реактора дегидрирования этана (2) для разделения. После отделения от катализатора продукты реакции, содержащие этилен, выводят с установки через узел вывода продукта - этилена (3). Отработанный катализатор попадает в линию циркуляции катализатора между реактором дегидрирования этана и реактором окислительной регенерации катализатора: первоначально в стояк (7), по которому он транспортируется вниз, затем с помощью потока транспортного азота, подаваемого через узел ввода транспортного азота (10), поднимается по подъемнику катализатора (6) в реактор окислительной регенерации катализатора (4). Поступающие в реактор (4) воздух и несущий катализатор транспортный азот создают и поддерживают в реакторе псевдоожиженный слой. В этом псевдоожиженном слое происходит окисление катализатора при температуре 600÷650°C путем контакта с горячим воздухом. Отработанный катализатор в реакторе окислительной регенерации катализатора (4) насыщается решеточным кислородом, что приводит не только к окислению, но и к удалению коксовых отложений с поверхности катализатора в случае их образования. Полученную смесь газов, несущую регенерированный катализатор из реактора окисления, отделяют от катализатора в сепараторе реактора окислительной регенерации катализатора (5).
Катализатор по линии циркуляции катализатора, а именно транспортной линии (8), направляют в реактор дегидрирования этана (1), а газ, содержащий в основном азот, выводят из системы через узел вывода технического азота (11).
Поскольку весь поступающий кислород в составе воздуха используется в процессе окисления катализатора, из установки выходит поток технического азота, соответствующего ГОСТ-9293-74. Чистота его дополнительно повышается за счет того, что транспортный поток, который поступает в реактор окисления и смешивается в нем с воздухом, представляет собой азот.
Необходимое количество технического азота через линию рецикла части технического азота возвращают в узлы ввода транспортного азота (9) и (10) как транспортные потоки.
Соотношение «катализатор: сырье» регулируют путем изменения расхода подачи этана. Кратность циркуляции катализатора выбирают так, чтобы она находилась в пределах 10-15 и соответствовала требуемому соотношению «катализатор:сырье». Фиксированную кратность циркуляции, необходимую для стабильного получения этилена с высокой селективностью и технического азота требуемого качества, обеспечивают с помощью перемещения отградуированного штока (12) с направляющими пластинами (13). В шток (12) подают поток азота, что приводит к псевдоожижению части катализатора. Электропривод (14), соединенный с регулирующим штоком через шарико-винтовую передачу, обеспечивает возвратно-поступательное движение (перемещение) штока в вертикальном направлении. При опускании штока увеличивается доля псевдоожиженного катализатора и увеличивается скорость катализатора, который поступает в разгонный участок. При поднятии штока снижается доля псевдоожиженного катализатора, увеличивается неподвижный слой катализатора, что приводит к замедлению скорости циркуляции. Градуировка штока позволяет точно регулировать кратность циркуляции путем перемещения штока на требуемое число делений. При предварительном установлении зависимости между положением штока и кратностью циркуляции для реакции окислительной конверсии этана в этилен на конкретном производстве можно быстро достичь требуемого устойчивого режима.
Регулирующий шток, таким образом, позволяет добиться фиксированного режима циркуляции катализатора и достичь требуемого оптимального отношения «катализатор: сырье». Его применение в устройстве, в котором обеспечивается вывод технического азота как второго продукта и рецикл части технического азота в процесс в качестве транспортного азота, позволяет наиболее рационально утилизировать отработанный обедненный воздух при высокой селективности по этилену во взрывобезопасном процессе.