双颗粒催化剂耦合催化方法及反应系统
阅读说明：本技术 双颗粒催化剂耦合催化方法及反应系统 (Double-particle catalyst coupling catalysis method and reaction system ) 是由 王龙延 杨鑫 雷世远 孟凡东 王松江 孙世源 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及气-固相化学反应领域,公开了双颗粒催化剂耦合催化方法及反应系统。方法包括：使由再生器导出的轻颗粒催化剂进入含有重颗粒催化剂的第一流化床反应器中,重颗粒催化剂在第一流化床反应器中参与进行第一化学反应,轻颗粒催化剂为第一化学反应供热或取热；轻颗粒催化剂进入第二流化床反应器中参与进行第二化学反应；然后催化剂颗粒进入再生器中再生；经再生器再生后的催化剂颗粒被再次输送至第一流化床反应器。反应系统,其包括：第一流化床反应器、第二流化床反应器以及再生器。本发明可实现在同一系统不同反应区中实现催化剂和化学反应的高度匹配；可实现两种颗粒快速的传热,可实现热量的高效利用避免热量浪费,减少设备投资。(The invention relates to the field of gas-solid phase chemical reaction, and discloses a coupling catalysis method and a coupling catalysis system for a double-particle catalyst. The method comprises the following steps: the light particle catalyst led out from the regenerator enters a first fluidized bed reactor containing a heavy particle catalyst, the heavy particle catalyst participates in a first chemical reaction in the first fluidized bed reactor, and the light particle catalyst supplies heat or takes heat for the first chemical reaction; the light particle catalyst enters a second fluidized bed reactor to participate in a second chemical reaction; then the catalyst particles enter a regenerator for regeneration; the catalyst particles regenerated by the regenerator are again transferred to the first fluidized bed reactor. A reaction system, comprising: a first fluidized bed reactor, a second fluidized bed reactor, and a regenerator. The invention can realize the high matching of the catalyst and the chemical reaction in different reaction zones of the same system; the quick heat transfer of two kinds of granules can be realized, thermal high efficiency utilization can be realized and heat waste is avoided, and equipment investment is reduced.)
技术领域
本发明涉及气-固相化学反应领域，具体而言，涉及双颗粒催化剂耦合催化方法及反应系统。
背景技术
气-固流化床反应器和液-固流化床反应器(又称浆态床或悬浮床反应器)在石油炼制、石油化工和煤化工等领域得以大量应用。固体颗粒(催化剂或载热体)在连续相(气体或液体或气液乳化相)流动力作用下呈现流化状态，固体颗粒以悬浮状态与连续相良好接触，并使固体颗粒本身也具有类似于流体的性质，使其在化学反应器的引入、导出和输送变得容易。固体颗粒在流化床反应器内的激烈混合，使得流化床反应器的物料浓度和温度趋向均一，连续相流体和固体颗粒间传热、传质速率较其它接触方式高。
在流化床反应器中新型的化学反应大多都伴随有热效应，导致床层温度显著变化，使化学反应温度偏离最优化条件，转化率或产品选择性变差。解决该问题的技术方法主要是通过气相或液相流体(如水蒸气、导热油等)载热体将反应所需热量或反应产生的过剩热量以间壁传热的方式导入或导出反应器中。导入的反应供热和导出的反应取热的载热流体送到加热或冷却器中升温或降温后再循环回到流化床反应器中。这不仅增加了设备投资费用，还因为加热/冷却和载热流体输送过程的热损失造成能量浪费、过程能效降低。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供双颗粒催化剂耦合催化方法及反应系统。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供双颗粒催化剂耦合催化方法，包括：
使由再生器排出的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂进入含有重颗粒催化剂的第一流化床反应器中，重颗粒催化剂在第一流化床反应器中参与进行第一化学反应，使第一反应原料转化为第一反应产物，轻颗粒催化剂为第一化学反应供热或取热；
通过控制流化床载气流速使轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂进入第二流化床反应器中，轻颗粒催化剂参与进行第二化学反应，使第二反应原料转化为第二反应产物；
经第二流化床反应器的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂被载气输送至再生器中再生；
经再生器再生后的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂被载气再次输送至第一流化床反应器。
在可选的实施方式中，第一化学反应为吸热反应，再生后的轻颗粒催化剂温度高于第一流化床反应器内的温度，再生后的轻颗粒催化剂再生后作为供热体为第一化学反应供热。
在可选的实施方式中，第一化学反应为放热反应，第二化学反应为吸热反应，再生后的轻颗粒催化剂温度低于第一流化床反应器内的温度，再生后的轻颗粒催化剂作为冷源带走第一流化床反应器内的热量。
在可选的实施方式中，重颗粒催化剂的颗粒粒径大于轻颗粒催化剂的粒径。
在可选的实施方式中，重颗粒催化剂的颗粒密度大于轻颗粒催化剂的颗粒密度。
第二方面，本发明提供一种双颗粒流化床反应系统，用于实施如前述实施方式任一项的方法，其包括：
依次串联为闭环的第一流化床反应器、第二流化床反应器以及再生器，第二流化床反应器位于第一流化床反应器的上方。
在可选的实施方式中，第一流化床反应器连接有冷却器。
在可选的实施方式中，第一流化床反应器连接有重颗粒催化剂专用再生器。
在可选的实施方式中，第一流化床反应器的底部设置有催化剂颗粒入口，第一流化床反应器的顶部设置有轻颗粒催化剂出口。
在可选的实施方式中，第一流化床反应器的侧壁设置有重颗粒催化剂补入口。
本发明具有以下有益效果：
通过两种颗粒在系统中的循环，可实现在同一系统中发生两种反应；而轻颗粒催化剂的不断循环与重颗粒催化剂接触后分离，可实现两种颗粒快速的传热，当两种化学反应为某些特定的反应时，可实现热量的高效利用避免热量浪费，减少设备投资。该方法可广泛应用于石油炼制、石油化工、天然气化工、煤化工和生物化工等化学工程领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中的三种类型的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂中的其中一种的示意图；
图2为本发明中的三种类型的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂中的其中一种的示意图；
图3为本发明中的三种类型的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂中的其中一种的示意图；
图4为本发明实施例1提供的双颗粒流化床反应系统的结构示意图；
图5为本发明实施例2提供的双颗粒流化床反应系统的结构示意图；
图6为本发明实施例3提供的双颗粒流化床反应系统的结构示意图。
图标：1-第一流化床反应器；2-再生催化剂管线；3-催化剂颗粒入口；4-重颗粒催化剂补入口；5-轻颗粒催化剂出口；6-第二流化床反应器；7-待生催化剂管线；8-再生器；9-再生器补剂口；10-重颗粒催化剂专用再生器；11-冷却器；12-出料口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的双颗粒催化剂耦合催化方法及双颗粒流化床反应系统进行具体说明。
请参照图4-6所示，本发明实施例提供一种双颗粒流化床反应系统，其包括：
依次串联为闭环的第一流化床反应器1、第二流化床反应器6以及再生器8，第二流化床反应器6位于第一流化床反应器1的上方。再生器8的高度位于第一流化床反应器1和第二流化床反应器6的高度之间。
本发明实施例提供的一种双颗粒催化剂耦合催化方法，包括：
使由再生器8排出的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂进入含有重颗粒催化剂的第一流化床反应器1中，重颗粒催化剂在第一流化床反应器1中参与进行第一化学反应，使第一反应原料转化为第一反应产物，轻颗粒催化剂为第一化学反应供热或取热。
通过控制流化床载气流速使轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂进入第二流化床反应器6中，轻颗粒催化剂参与进行第二化学反应，使第二反应原料转化为第二反应产物。
经第二流化床反应器6的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂被载气输送至再生器8中再生。
经再生器8再生后的轻颗粒催化剂或者夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂被载气再次输送至第一流化床反应器1。
在后续的描述中第一化学反应以X反应表述，第二化学反应以Y反应表述。
本申请提供的系统和方法，第一反应原料作为重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂在第一流化床反应器1时的载气，经第一流化床反应器1后X反应产物和Y反应的原料作为轻颗粒催化剂或夹带部分重颗粒催化剂的轻颗粒催化剂进入第二流化床反应器6的载气，经第二流化床反应器6反应后，X反应产物和Y反应产物一同从第二流化床反应器6顶部的出料口12排出。经分离后，轻颗粒催化剂或混合颗粒催化剂进入再生器8中被再生，再生后的颗粒催化剂在重力作用下回到第一流化床反应器1中。如此，可实现在同一系统中发生两种反应产出对应的反应产物，而轻颗粒催化剂的不断循环与重颗粒催化剂接触后分离，可实现两种颗粒快速的传热。
重颗粒催化剂作为第一化学反应的催化剂在第一流化床反应器1中保持流化床床层的形式，具有停留时间长、浓度高等特点，充分促进X反应的进行。现有的再生方式一般是烧焦再生，再生后的颗粒催化剂携带有较高的热量，若X反应为吸热反应，再生后的轻颗粒催化剂温度高于第一流化床反应器1内的温度。则再生后的轻颗粒催化剂再生后作为供热体为第一化学反应供热。若X为放热反应，Y反应为吸热反应，再生后的轻颗粒催化剂温度低于第一流化床反应器1内的温度，则再生后的轻颗粒催化剂作为冷源带走第一流化床反应器1内的热量。
因此，本申请提供的系统和方法，通过两种颗粒在系统中的循环，可实现在同一系统中发生两种反应产出两种反应产物；而轻颗粒催化剂的不断循环与重颗粒催化剂接触后分离，可实现两种颗粒快速的传热，当两种化学反应为某些特定的反应时，可实现热量的高效利用避免热量浪费，减少设备投资。
具体地，重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂分别可以是以下三种形式：1.如图1所示，重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂的密度相似，重颗粒催化剂的颗粒粒径显著大于轻颗粒催化剂的粒径；2.如图2所示，重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂的粒径相似，重颗粒催化剂的颗粒密度显著大于轻颗粒催化剂的密度；3.如图3所示，重颗粒催化剂的粒径和密度均分别大于轻颗粒催化剂的粒径和密度。
进一步地，第一流化床反应器1的底部设置有催化剂颗粒入口3，第一流化床反应器1的顶部设置有轻颗粒催化剂出口5。
优选地，第一流化床反应器1的侧壁设置有重颗粒催化剂补入口4。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图4所示，本实施例中，选用的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂的粒径相似，重颗粒催化剂的颗粒密度显著大于轻颗粒催化剂的密度。
重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂以及发生X反应和Y反应的原料从设置于第一流化床反应器1底部的催化剂颗粒入口3进入双颗粒流化床反应系统中。第一流化床反应器1发生的化学反应为强吸热反应并伴随着重颗粒催化剂的缓慢失活，X反应所需热量由大量循环的轻颗粒催化剂载入，保证了第一流化床反应器1中颗粒床层温度基本恒定。X反应产物、轻颗粒催化剂以及少量的重颗粒催化剂一起通过轻颗粒催化剂出口5离开第一流化床反应器1进入到第二流化床反应器6中促进反应发生，而后轻颗粒催化剂以及与轻颗粒催化剂一起带出第一流化床反应器1的重颗粒催化剂经待生催化剂管线7进入到再生器8中再生，再生后的轻颗粒催化剂和重颗粒催化剂经再生催化剂管线2循环回到第一流化床反应器1中。再生器8产生的过剩热量，由轻颗粒催化剂携带并经过第一流化床反应器1消耗后温度适度降低，对第二流化床反应器6及其再生器8带来产品增值与减少取热量的收益。缓慢失活的重颗粒催化剂可随轻颗粒催化剂不断进入两个反应器共享的再生器8中连续再生，然后循环回到第一流化床反应器1中，不需为重颗粒催化剂载设置单独的再生器8。反应过程因损耗需要补充的重颗粒催化剂直接从重颗粒催化剂补入口4补入。
实施例2
如图4所示，本实施例选用的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂的密度相似，重颗粒催化剂的颗粒粒径大于轻颗粒催化剂的粒径。
重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂以及发生X反应和Y反应的原料从设置于第一流化床反应器1底部的催化剂颗粒入口3进入双颗粒流化床反应系统中。第一流化床反应器1发生的化学反应为强吸热反应并伴随着重颗粒催化剂的缓慢失活，X反应所需热量由大量循环的轻颗粒催化剂载入，保证了第一流化床反应器1中颗粒床层温度基本恒定。X反应产物、轻颗粒催化剂以及少量的重颗粒催化剂一起通过轻颗粒催化剂出口5离开第一流化床反应器1进入到第二流化床反应器6中促进反应发生，而后轻颗粒催化剂以及与轻颗粒催化剂一起带出第一流化床反应器1的重颗粒催化剂经待生催化剂管线7进入到再生器8中再生，再生后的轻颗粒催化剂和重颗粒催化剂经再生催化剂管线2循环回到第一流化床反应器1中。再生器8产生的过剩热量，由轻颗粒催化剂携带并经过第一流化床反应器1消耗后温度适度降低，对第二流化床反应器6及其再生器8带来产品增值与减少取热量的收益。缓慢失活的重颗粒催化剂可随轻颗粒催化剂不断进入两个反应器共享的再生器8中连续再生，然后循环回到第一流化床反应器1中，不需为重颗粒催化剂载设置单独的再生器8。反应过程因损耗需要补充的重颗粒催化剂直接从重颗粒催化剂补入口4补入。
实施例3
如图5所示，本实施例提供的双颗粒流化床反应系统，第一流化床反应器1连接有重颗粒催化剂专用再生器10。
本实施例中，选用的重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂的粒径相似，重颗粒催化剂的颗粒密度显著大于轻颗粒催化剂的密度。
重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂以及发生X反应和Y反应的原料从设置于第一流化床反应器1底部的催化剂颗粒入口3进入双颗粒流化床反应系统中。第一流化床反应器1发生的化学反应为强吸热反应并伴随着重颗粒催化剂的缓慢失活，X反应所需热量由大量循环的轻颗粒催化剂载入，保证了第一流化床反应器1中颗粒床层温度基本恒定。X反应产物和轻颗粒催化剂一起通过轻颗粒催化剂出口5离开第一流化床反应器1进入到第二流化床反应器6中促进反应发生，而后轻颗粒催化剂经待生催化剂管线7进入到再生器8中，再生后的轻颗粒催化剂经再生催化剂管线2循环回到第一流化床反应器1中。再生器8产生的过剩热量，由轻颗粒催化剂携带并经过第一流化床反应器1消耗后温度适度降低，对第二流化床反应器6及其再生器8带来产品增值与减少取热量的收益。缓慢失活的重颗粒催化剂进入重颗粒催化剂专用再生器10中定期或连续再生，然后循环回到第一流化床反应器1中。反应过程因损耗需要补充的重颗粒催化剂直接从重颗粒催化剂补入口4补入，或通过其再生器补剂口9补入。
实施例4
如图6所示，本实施例提供的双颗粒流化床反应系统，第一流化床反应器1连接有冷却器11。
本实施例选用的重颗粒催化剂的粒径和密度均分别大于轻颗粒催化剂的粒径和密度。
重颗粒催化剂和轻颗粒催化剂以及发生X反应和Y反应的原料从设置于第一流化床反应器1底部的催化剂颗粒入口3进入双颗粒流化床反应系统中。第一流化床反应器1发生的化学反应为强放热反应，但重颗粒催化剂基本不需要再生。X反应产生的热量一部分由轻颗粒催化剂带出，另一部分由专门为重颗粒催化剂独立设置的冷却器11取出，保证第一流化床反应器1中颗粒床层温度基本恒定。X反应产物和轻颗粒催化剂一起通过轻颗粒催化剂出口5离开第一流化床反应器1进入到第二流化床反应器6中促进反应发生，再生后的轻颗粒催化剂经再生催化剂管线2循环回到第一流化床反应器1中，再生后的轻颗粒催化剂经再生催化剂管线2循环回到第一流化床反应器1中。因再生器8的过程产生的热量不足以保证轻颗粒催化剂为第二流化床反应器6稳定供热，而轻颗粒催化剂经过第一流化床反应器1后温度能够适度提高，对第二流化床反应器6及其再生器8带来产品增值与减少补热的收益。反应过程因损耗需要补充的重颗粒催化剂直接从重颗粒催化剂补入口4补入。
实验例
将实施例1-3提供的反应方法进行实际应用。
X反应为低碳烷烃脱氢反应，反应原料为纯度为99.9％的丙烷，重颗粒催化剂为CrOx/Al2O3；Y反应为芳构化反应，反应原料为催化汽油，轻颗粒催化剂为HZSM-5分子筛。
表1-3为按照实施例1-3提供的方法实际工作时的具体参数。将反应得到的产品组成记录至表4。
表1为催化汽油性质
表2 催化剂成分
表3 主要工艺条件
表4 产品分布及性质
综上，本申请提供的系统和方法，通过两种颗粒在系统中的循环，可实现在同一系统中发生两种不同类型的反应；而轻颗粒催化剂的不断循环与重颗粒催化剂接触后分离，可实现两种颗粒快速的传热，当两种化学反应为某些特定的反应时，可实现热量的高效利用避免热量浪费，减少设备投资。该方法可广泛应用于石油炼制、石油化工、天然气化工、煤化工和生物化工等化学工程领域。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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