发布时间 : 星期一 文章化学反应工程课程设计陈玉姣更新完毕开始阅读
1.1工艺生产技术方法及进展：
甲醇制烯烃（MT0）技术当前已处于工业化应用的阶段，其工业化示范装置已在国内商业化成功运行 3 年多。用以甲醇为代表的含氧有机物为原料生产以乙烯和丙烯为主的低碳烯烃工艺有国外的 MT0、MTP工艺和中国科学院大连化学物理研究所的 DMT0 工艺。甲醇制烯烃的反应具有以下特点: ①反应为强放热过程,工艺设计需要考虑移热问题; ②为了抑制高碳数烃类和芳烃的形成,提高烯烃的选择性,具有择形功能的分子筛是常用的催化材料,但是分子筛易积炭失活,需要进行再生; ③目标产物烯烃为中间产物,需要抑制烯烃二次反应(如氢转移、烯烃聚合等)的进行。从前两个特点出发,流化床是该过程的理想反应器。 甲醇制烯烃催化剂的研究主要集中在分子筛催化剂上。早期研究发现,很多微孔分子筛都可以催化甲醇到烯烃的转化,按照其孔道大小可以进一步分为:大孔分子筛(孔道由十二元环以上组成,孔径大于0.7 nm,如Y分子筛、丝光沸石、SAPO-5等),中孔分子筛(十元环,孔径约0.5～0.6 nm,如ZSM-5),小孔分子筛(八元环,孔径约0.4 nm,如ZSM-34、SAPO-34、SAPO-18等)。其中大孔分子筛孔道尺寸大,择形效果较差,容易副产异构烷烃和芳香烃,导致低碳烯烃的选择性低。因此,目前甲醇制烯烃催化剂的研究主要集中在中孔和小孔分子筛,以ZSM-5和SAPO系列分子筛为代表。本设计选用最具代表性的SAPO-34分子筛。SAPO-34分子筛由美国联碳公司(UCC)在1984年开发成功，属于一类新型的磷酸硅铝分子筛。它具有八元环构成的椭球形笼和三维孔道结构，与ZSM-5的交叉孔道结构不同， SAPO-34在分子筛内部孔道交叉
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处形成了体积较大的椭球形笼,该笼的尺寸为111nm@0165 nm，每个笼通过侧面的共6个八元环与其他笼相通,形成三维的直线孔道，只有C3以下的小分子和正构烃类才可以进出孔道，异构烃以及芳烃受到严重限制。此性质使得SAPO-34具有优异的择形性能，在MTO反应中可以获得很高的低碳烯烃选择性，因而被认为是甲醇制取低碳烯烃过程的最优催化剂，近期MTO催化剂的大量研究工作都集中于此。
1.2设计任务的意义：
本设计介绍了甲醇制烯烃流化床反应器的设计方法，在确定反应温度，压力，操作空速，催化粒径及催化剂颗粒和装填密度的操作条件下对反应器尺寸（浓相段高度、稀相段高度）等计算进行了说明，为甲醇制烯烃成型催化剂配方和制备工艺的确定、MTO工艺操作条件优化提供了实验平台。以甲醇产低碳烯烃的方法，将会首先在我国这个石油资源紧缺而又处在快速发展中的国家得到工业应用，并可望形成一个不需石油且可大规模生产石油化工平台化合物烯烃的重大产业技术。目前我国石脑油和轻柴油等原料资源短缺，如果还是以它们作为低碳烯烃生产唯一原料来源，来满足我国每年对低碳烯烃的增产需求显然不行，必须走出一条新路子。如果在我国煤炭资源丰富的地区，加快煤基MTO 工艺的工业发展，实现以乙烯、丙烯为代表的低碳烯烃生产原料多元化，不失是解决我国石油资源紧张，促进我国低碳烯烃工业快速发展之最有效途径，也有利于实现我国内地产煤大省实现煤炭资源优势转化。另一方面，近几年，我国甲醇市场长时期维持在高
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位，使得社会大量投资甲醇的热情不减，人们已经担忧甲醇产品在未来数年的市场问题。而MTO技术，也为根本解决甲醇市场出路提供保证。
2甲醇制烯烃的反应机理研究：
甲醇制烯烃的反应历程可以分为3个步骤，如图1所示。步骤1是甲醇脱水到二甲醚的反应，一般认为是甲醇在分子筛表面质子化形成甲氧基，步骤2是甲醇亲核攻击,生成二甲醚，步骤3是典型的碳正离子机理，包括链增长、裂解以及氢转移反应，其中烷烃和芳烃主要来源于氢转移和成环反应。关键是步骤2，目标产物低碳烯烃是如何形成的，从C-O键的甲醇如何形成C-C键,这是MTO反应机理的核心问题。 MTO及MTG的反应历程主反应为:
2CH3OH?C2H4?2H20 3CH3OH?C3H6?3H2O
图1 甲醇到烯烃的总体反应历程
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Figure 1 Methanol-to-hydrocarbons reaction path
2.1 MTO反应动力学
动力学研究表明，MTO反应中所有主、副反应均为快速反应，因而，甲醇、二甲醚生成低碳烯烃的化学反应速率不是反应的控制步骤，而关键操作参数的控制应该极为关注的问题。从化学动力学角度考虑，原料甲醇蒸汽与催化剂的接触时间尽可能越短越好，这对防止深度裂解和结焦极为有利，另外，在反应器内催化剂应该有一个合适的停留时间，否则其活性和选择性难以保证。
Chen D动力学模型如图2所示。
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