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1、应用化工技术-毕业论文 吉林工业职业技术学院毕业论文甲醇制低碳烯烃技术研究进展学生姓名徐振超指导老师肖 鹏 专 业应用化工技术系 部应用化工系 答辩日期 2012520摘 要甲醇制低碳烯烃 MTO 技术提供了一种以煤制甲醇为原料生产烯烃的途径本文重点讨论了国内外MTO 工艺的发展概况工艺流程和使用现状介绍了催化剂研究进展和MTO 工艺的反应机理对MTO 技术应用及其制约条件进行了初步分析并根据我国的实际情况对其开发应用前景进行了展望关键词甲醇制低碳烯烃 MTO 工艺催化剂Abstract The methanol-to-olefin MTO technology offers an alter
2、native for the conversion of coal tolight olefins by using coal methanol as raw material This paper introduces the development processing andpresent status of methanol-to-olefins technology both at home and abroad It also covers the progress on thecatalysts research and reaction mechanism of MTO The
3、 paper also analyzes the application and therestriction of MTO technology and provides some prospect according to the actual conditions in ChinaKey words methanol-to-olefin MTO technology catalysts目 录摘 要I目 录I前 言- 1 -第一章低碳烯烃催化剂- 2 -11 ZSM-5 分子筛催化剂- 2 -12 SAPO-34 分子筛催化剂- 2 -第二章碳烯烃工艺- 5 -21 UOPHydro 公司
4、的MTO 工艺- 5 -22大连化学物理研究所的DMTO 工艺- 6 -23 上海化工研究院的SMTO 工艺- 7 -24 鲁奇 Lurgi 公司的MTP 工艺- 7 -25 清华大学的FMTP 工艺- 8 -第三章碳烯烃反应机理- 10 -31 氧鎓离子机理- 10 -32 烃池机理- 11 -第四章 烃技术应用及其制约- 13 -第四章结 论- 14 -参考文献- 16 -致 谢- 19 -前 言低碳烯烃 乙烯丙烯等 作为化学工业重要的基本有机化工原料在现代石油和化学工业中起着举足轻重的作用1其产业发展水平和市场供需平衡情况直接影响着整个石化工业的发展水平和产业规模2随着我国国民经济整体水
5、平的不断提高特别是现代化学工业的迅猛发展对低碳烯烃的需求日渐攀升供需矛盾也将日益突出迄今为止制取乙烯丙烯等低碳烯烃的重要途径仍然是通过石脑油轻柴油 均来自石油 的催化裂化裂解的反应过程3然而近年来石油资源持续短缺国际原油价格逐年上涨烯烃的生产成本不断提高极大地影响了烯烃工业的发展4为解决烯烃供求方面的矛盾在改进传统蒸汽裂解和催化裂化方法的同时还必须重视发展非石油原料制低碳烯烃技术1 我国的能源结构特点是多煤贫油少气这种能源现状决定了以煤代油生产低碳烯烃实施煤代油能源战略是保证国家能源安全的重要途径之一5甲醇制烯烃 Methanol to Olefin简称MTO 技术开辟了由煤炭或天然气生产基本
6、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6利用非石油路线以甲醇为原料生产烯烃不仅可使烯烃价格摆脱石油产品的影响减少我国对石油资源的过度依赖而且对推动贫油地区的工业发展及均衡合理利用我国资源具有十分重要的战略意义7在当前调整能源利用的结构以逐步降低国民经济发展对石油能源依赖的背景下利用我国储量丰富的煤资源开发甲醇制烯烃技术对确保国家能源安全实现经济快速可持续发展也具有深远的影响3 6低碳烯烃催化剂MTO 技术的关键是高性能催化剂的研制目前MTO 所用的催化剂以分子筛为主要活性组分分子筛的性质合成工艺载体的性
7、质加工助剂的性质和配方成型工艺等因素对分子筛催化剂的性能都会产生影响在 MTO 催化剂的研究中ZSM-5 和SAPO-34 两种分子筛催化剂以其优异的性能受到了人们最广泛的关注与应用11 ZSM-5 分子筛催化剂 1977 年 美国埃克森美孚 Mobil 公司的Chang 等8首次采用ZSM-5 沸石作为MTO 反应的催化剂ZSM-5 是一种典型的高硅沸石具有二维十元环交叉孔道孔口直径055 nm 图1 其独特的孔道结构和酸性质在甲醇的转化反应中具有优良的反应活性和反应稳定性但ZSM-5 分子筛的孔径相对较大酸性太强低碳烯烃的选择性较低主产物为丙烯及C4烃类同时得到大量的芳烃和正构烷烃反应结焦
8、快图1 ZSM-5 结构示意图9为了提高催化剂在MTO 反应中乙烯的选择性许多研究采用引入金属离子的方法对ZSM-5催化剂进行改性10-12金属离子的引入可使分子筛的酸性酸分布和孔径大小发生变化改性后的ZSM-5 分子筛有效的降低了酸中心强度且有一部分金属氧化物存在于分子筛的孔道中使孔道开口缩小限制了低级烃类的进一步反应从而有效地提高MTO 反应中催化剂在高温条件下的稳定性及对乙烯的选择性12 SAPO-34 分子筛催化剂1984 年美国联合碳化物公司 UCC 开发了磷酸硅铝系列分子筛 SAPO-n n 代表结构型号 13其中最为人们所瞩目的是SAPO-34 分子筛该种分子筛的MTO 催化性能
9、优异甲醇转化率100或近乎100乙烯和丙烯的选择性在60左右几乎没有C5 以上的产物特别是环球油品公司 UOP 开发的以SAPO-34 为活性组分的催化剂其乙烯选择性明显优于ZSM-5使MTO工艺取得突破性的进展SAPO-34 非沸石催化剂是一种结晶硅磷酸铝由PO4AlO4 和SiO4 四面体相互连接而成具有氧八元环构成的椭球形笼和三维孔道结构孔口有效直径保持在043 nm050 nm 之间属于三方晶系具有与菱沸石相似的结构如图2 所示14SAPO-34 特殊的强择形性八元环通道结构可以有效地抑制芳烃的生成对低碳烯烃的选择性达到90以上与ZSM-5 催化剂相比其孔径比小孔道密度高可利用的比表面
10、积大MTO 工艺反应速度快此外SAPO-34 的吸附性能热稳定性和水稳定性较高其测定的骨架崩塌温度为1000C在20的水蒸汽环境中600C 下进行处理仍可保持结晶结构这一点对MTO 工艺的连续反应和催化剂再生操作具有十分重要的作用SAPO-34 的发现使MTO 工艺取得突破性的进展近期的国外专利来看对SAPO-34 催化剂改进主要有以下两方面的内容一是将各种金属元素引入SAPO-34 分子筛骨架上改变分子筛酸性和孔口大小得到小孔口径和中等强度的酸中心提高低碳烯烃的选择性二是MTO 流化床对催化剂的强度耐磨性和筛分粒度都有一定的要求为此对于催化剂强度方面的改进也是一个主要方面3碳烯烃工艺最早提出
11、MTO 工艺的是美孚石油公司 Mobil 后来巴士夫 BASF 埃克森石油公司 Exxon 环球油品公司 UOP 以及海德鲁公司 Hydro 等相继投入研发推进了MTO 工业化进程15目前世界上进行中试或万吨级MTOMTP 工业示范装置有环球油品公司及海德鲁公司 以下简称UOP Hydro 公司 的流化床工艺技术 MTO 中国科学院大连化学物理研究所的甲醇制取低碳烯烃技术 DMTO 中国石化集团石油化工研究院和上海石油化工研究院的甲醇制烯烃技术 SMTO 鲁奇 Lurgi 公司的固定床甲醇制丙烯技术 MTP 以及清华大学的流化床甲醇制丙烯技术 FMTP 等5 家7 16-1821 UOPHyd
12、ro 公司的MTO 工艺美国环球油品公司 UOP 和挪威海德鲁 Hydro 公司共同开发了UOPHydro MTO 工艺MTO 工艺对原料甲醇的适用范围较大可以使用粗甲醇 浓8082 燃料级甲醇 浓度95 和AA 级甲醇 浓度 99 7该工艺采用流化床反应器和再生器设计其流程见图3其反应温度由回收热量的蒸汽发生系统来控制失活的催化剂被送到流化床再生器中烧碳再生并通过发生蒸汽将热量移除然后返回流化床反应器继续反应由于流化床条件和混合均匀催化剂的共同作用反应器几乎是等温的反应物富含烯烃只有少量的甲烷故流程选择前脱乙烷塔而省去前脱甲烷塔节省了投资和制冷能耗该工艺开发了基于SAPO-34 的新型分子筛
13、催化剂MTO-100在温度350550C压力01 MPa05 MPa 下进行反应反应产物中乙烯和丙烯的比例可以通过改变反应强度灵活调节 摩075150 乙烷丙烷二烯烃和炔烃生成的数量少19生产商可根据市场需求生产适销对路产品以获取最大的利益1995 年UOP 与Hydro 公司在挪威建成一套甲醇加工能力075 td 的示范装置连续平稳运转90 多天甲醇转化率接近100乙烯和丙烯的碳基质量收率达到80催化剂再生次数超过450次其稳定性和强度得到一定的验证表1 为UOPHydro MTO 工艺年产500 kt 乙烯装置的物料平衡表三个主要产品乙烯丙烯和丁烯的甲醇碳收率之和达91显示出该工艺的极高选
14、择性202008 年1 月31 日新加坡Eurochem 技术公司旗下的Viva 公司将在尼日利亚的Lekki 建设3300 kta 甲醇装置下游配套建设MTO 装置采用UOPHydro 公司的MTO 技术和UOP 烯烃裂解工艺技术 OCP 组成MTO-OCP 加工技术方案年产800 kt 烯烃计划2012 年建成投产22大连化学物理研究所的DMTO 工艺20 世纪80 年代中国科学院大连化学物理研究所已开始对MTO 工艺的研究90 年代大连化学物理研究所发明了以三乙胺 TEA 和二乙胺 DEA 为模板剂及用TEA 加四乙基氢氧化铵 TEAOH 为双模板剂制备SAPO 分子筛的经济实用方法 采
15、用流化床反应器进行了以小孔SAPO-34 和改性SAPO 分子筛为催化剂的甲醇二甲醚制乙烯 DMTO 法 技术研究工艺流程如图4 所示与传统合成气经甲醇制低碳烯烃的MTO 相比较该工艺甲醇转化率高建设投资和操作费用节省5080其自行研制的催化剂DO123 价格低廉具有较强的市场竞争力2006年2 月由中科院大连化学物理研究所与陕西新兴煤化工科技发展有限责任公司中国石化集团洛阳石化工程公司合作在陕西华县建成的世界上第一套万吨级甲醇制取低碳烯烃规模的DMTO工业化示范装置试车成功在规模为甲醇处理量50 td 的工业化装置上甲醇转化率大于998乙烯丙烯选择性大于7816乙烯和丙烯产出比例为1 1二者
16、之比可通过工艺参数调整在1508 之间变换累积平稳运行近1150 h该装置于2006 年8 月通过国家级鉴定23 上海化工研究院的SMTO 工艺中石化上海化工研究院于2000 年开始进行MTO 技术的开发在MTO 催化剂和工艺方面已申请多项专利20042006 年SAPO-34 分子筛工业放大生产成功20052006 年采用新型干燥方法的流化床催化剂制备成功其价格低廉催化性能优异粒度分布类似于FCC 催化剂而强度优于FCC 催化剂为了加快自主新能源技术的开发上海石油化工研究院与中国石化工程建设公司开展合作开发甲醇制烯烃 SMTO 成套技术在燕山石化建成了一套100 td 甲醇进料的SMTO工业
17、化示范装置该项目于2006 年9 月启动进展顺利2007 年11 月已成功投产装置产出的乙烯和丙稀直接送燕山石化现有装置实现连续运行表2 对MTO 工业示范装置技术进行了比较从表中可以发现大连化学物理研究所自主开发的甲醇制烯烃技术在主体工艺流程和催化剂方面和UOP 技术基本相同主要工艺参数优于UOP技术实验装置规模为UOP 技术的667 倍进一步表明国产MTO 技术已达到并超过国外技术而且进行进一步工业放大可信程度高于国外1824 鲁奇 Lurgi 公司的MTP 工艺德国鲁奇 Lurgi 公司在20 世纪90 年代开始研究甲醇制丙烯技术鲁奇公司开发的MTP 工艺其主要产物为丙烯同时得到市场容量
18、巨大的副产物汽油液化石油气 LPG 以及燃料气等被公认为是目前从天然气通过甲醇生产丙烯费用最低的方法该工艺采用德国南方化学公司 Sudchmie 研究开发的改性ZSM-5 分子筛催化剂该催化剂丙烯选择性高结焦少丙烷产率低已经实现工业化生产并且积碳量小 001的甲醇原料转化成焦炭 可进行原位间歇再生再生温度较低 在反应温度下再生 鲁奇公司的MTP 工艺流程如图5反应装置主要有3 个绝热固定床反应器组成2 个反应器串联在线生产在压013MPa026 MPa 和380480C 温度下操作另一个反应器进行再生这样可保证生产的连续性和催化剂的活性相对于甲醇制烯烃流化床工艺甲醇制丙烯固定床工艺只用于生产丙
19、烯在工业放大过程中风险较小2002 年1 月鲁奇公司在挪威与TJeldbergodden 甲醇联合企业合作建立了工业演示装置设计能力为甲醇进料量360 kgh装置正常运转了11000 h甲醇转化率大于99丙烯的总碳收率约为7125 清华大学的FMTP 工艺清华大学自1999 年开始进行甲醇及二甲醚制烯烃方面的研究相关研究成果已经获得国家发明专利19清华大学以SAPO-34 分子筛作催化剂采用气固并流下行式流化床短接触反应器催化剂与原料在气固并流下行式流化床超短接触反应器中接触反应物流方向为下行催化剂及反应产物出反应器后进入设置在该反应器下部的气固快速分离器进行分离及时中止反应的进行有效地抑制了
20、二次反应的发生分离出的催化剂进入再生器中烧炭再生催化剂在系统中连续再生反应循环进行此项专利减小了副产物烷烃的产生降低了后续分离工艺的难度增加了目标产物丙烯的产量但其催化剂和反应器形式却与目前的MTO 工艺的流化床类似因此工艺记为FMTP2006 年7 月13 日清华大学与中国化学工程集团公司签订 流化床甲醇制丙烯 FMTP 工业化技术开发项目合作协议并与安徽淮化集团合作建立了工业试验装置该工业试验装置建设规模为年处理甲醇30 kt年产丙烯近10 kt副产液化石油气800 t总投资约16 亿元2009 年3 月投料试车至2009 年10 月9 日15时该装置已连续稳定安全环保地运行了470 h达
21、到了预期的效果取得了成功碳烯烃反应机理甲醇转化为烃是放热反应可看作是由三个关键步骤组成CH3OH12CH3OCH312H2O10090 kJCH3OCH32CH2 烯烃H2O18698 kJCH2 烯烃CH2 烃15968 kJ 4关于甲醇或二甲醚脱水生成烯烃的反应机理其根本问题是起始CC 键如何形成对于没有H 的甲醇和二甲醚通过何种途径生成第一个CC 键从MTO 反应研究至今提出的机理模型达20 多种至今没有定论22根据CC生成过程中产生的中间产物不同主要分为卡宾 Carbene 机理氧鎓离子 Oxium ylide 机理烃池 Hydrocarbon Pool 机理碳正离子 Carbeniu
22、m ion 机理和自由基机理等其中氧鎓离子机理和烃池机理得到较为广泛的认可31 氧鎓离子机理氧鎓离子机理23认为甲醇脱水后得到的二甲醚与固体酸表面的质子酸作用形成二甲基氧鎓离子之后又与另一个二甲醚反应生成三甲基氧鎓内鎓氧盐接着脱质子形成与催化剂表面相聚合的二甲基氧鎓内鎓盐物种该物种或者经分子内的Stevens 重排形成甲乙醚或者是分子间甲基化形成乙基二甲基氧鎓离子两者都通过消除反应生成乙烯 图6 32 烃池机理实验发现甲醇转化反应中存在一个动力学诱导期即反应一开始只有少量的烃生成当反应进行到一定程度时烃类物质的生成量突然增大并保持相对稳定Kolboe24在实验中认识到MTO反应产物可能来自一种
23、中间物质由此提出了hydrocarbon pool的概念他认为甲醇通过复杂的反应生成了hydrocarbon pool 物种而反应的最终产物均来自hydrocarbon pool通过13C 甲醇分别和12C 烯烃 乙烯丙烯和丁烯 共进料反应他进一步发现几乎所有的烃类产物都含有13C 同位素 说明产物主要来自甲醇反应生成的hydrocarbon pool而不是乙烯或其他烯烃的链增长验证了hydrocarbon pool 机理的存在进一步的实验25 26表明hydrocarbon-pool 是由五甲基苯和六甲基苯构成它们通过与甲醇二甲醚的甲基化形成乙烯和丙烯本身形成二甲基苯和三甲基苯后经过重新甲基
24、化开始新一个催化循环Haw等27 28通过原位 MAS NMR 实验认为中间物种是多甲基苯为hydrocarbon-pool 机理提供了强有力的证据烃池机理避免了复杂的中间产物被较多地应用于反应动力学和失活动力学研究当中 图7 第四章 烃技术应用及其制约条件分析据统计我国在建和规划中的甲醇制烯烃项目总产能超过20000 kta其中包括1 个国家核准示范项目和2 个省级核准示范项目神华集团内蒙古包头DMTO 装置 国家核准示范项目 2006 年12 月获国家发改委核准该项目位于包头市规划的新型工业基地内装置规模1800 kta 甲醇600 kta 甲醇制烯烃300 kta聚乙烯300 kta 聚
25、丙烯2008 年开工建设计划2010 年投产神华宁煤MTP 装置神华宁煤集团在宁东能源化工基地投资132 亿元建设1670 kta 甲醇520 kta 聚丙烯项目2006 年8 月神华与德国鲁奇公司签订了MTP 技术转让合同2007 年神华又与西门子公司签订了GSP 气化技术及专有设备采购合同2007 年底项目开工建设预计2010年建成投产大唐多伦MTP 装置大唐国际发电股份有限公司计划在锡林郭勒盟多伦县建设煤基烯烃项目建设规模1680 kta 甲醇500 kta 丙烯装置2006 年8 月开工计划2010 年投产该项目采用Lurgi 公司MTP 技术以胜利煤田褐煤为原料主产聚丙烯 460 k
26、ta 联产汽油 200 kta 液化气 360 kta 等多种副产品项目总计划投资180亿元在甲醇制烯烃技术发展过程中也受到了一些条件的制约第一甲醇制烯烃技术包括合成气生产甲醇生产和烯烃生产前两个环节都是可行的成熟技术烯烃生产工业化技术还有待进一步完善第二同规模相比甲醇制烯烃项目的投资比石脑油制烯烃的投资提高34项目投资高增加了项目融资难度也限制了甲醇制烯烃技术的应用和推广第三国家实行了提高废水回收利用率节能减排及增产不增污等一系列环保政策环境容量增加了项目获批难度在一定程度上制约了甲醇制烯烃技术工业化的进程第四甲醇制烯烃工业需水量较大因此项目所在地必须要有丰富的水资源作为支撑而我国产煤地大多
27、数为缺水的西部地区水资源的可获得性是项目必须首先考虑的问题29 第五从需求看我国未来对烯烃的市场需求较大但从技术看核心技术甲醇制烯烃工艺尚无商业化实例在项目建设和运行管理上没有现成的经验可借鉴与此同时国家对煤制烯烃也持谨慎态度因此该产业发展中还存在着诸多不确定因素和风险30 结 论乙烯和丙烯是现代化学工业的重要基础原料是衡量一个国家综合国力的重要指标中国市场对烯烃需求增长快用量大50依靠进口由于中国石油资源不足大力发展石油制取烯烃受到石油供应的制约因此今后采用甲醇制取烯烃的工艺技术将是一条具有光明前景的路线目前在高油价背景下在煤炭比较丰富且价格低廉的内蒙古新疆及陕西省等地区将煤炭做为化工原料具
28、有无可比拟的成本优势随着国内引进的MTP 装置开车及国产MTO 技术的成熟必将催生甲醇制取烯烃建设的高潮天然气和煤炭可以合成甲醇也可通过费托合成转化为油天然气或煤炭经甲醇再经MTO 生产乙烯丙烯比经费托反应制合成油再裂解得到乙烯和丙烯的路线产量要高l166且MTO路线不产生氢气乙烯回收流程大大简化在乙烯产量均为1000s kta 时如果三烯 乙烯丙烯丁二烯 总收率相同石脑油路线需原料3018 kt费托合成油路线只需2332 kt用费托合成油替代石脑油节油率超过20综合考虑我国烯烃市场需求量和油气资源的储备量应当加快我国甲醇制烯烃技术的研究完善现有技术对催化剂性能及制备工艺进行改进开发出烯烃收率
29、高抗积炭能力强耐磨损的催化剂形成自己的知识产权此外应积极推动企业与科研单位的合作进一步使MTO 工艺在我国尽快实现工业化规模化随着石油资源的逐渐减少甲醇制丙烯技术的竞争力将增强具有较好的工业应用前景和经济效益目前的甲醇制丙烯技术要实现工业化还需要进一步完善包括对其动力学研究催化剂的改进及制备烯烃分离回收技术的完善等方面我国发展甲醇制丙烯技术在消化吸收国外研究成果的同时应根据煤资源储藏丰富的国情结合自身的实际情况发展煤基甲醇制丙烯技术我国有较丰富的煤炭和天然气资源但这些资源的地区分布很不均匀有相当一部分分布在交通运输条件很差的边远地区由于运输成本高这些资源在探明的同时就成了难动用储量若将煤炭天然
30、气资源通过甲醇转化成丙烯再转化成高附加值的丙烯衍生物这些难动用储量就可能转化成可动用储量另外这些资源的开发利用及深度转化将对当地的经济发展和人民生活的改善起到明显的促进作用作为一种以煤和天然气为原料的生产工艺特别是针对我国石油对进口的依赖程度不断提高的现状MTP技术具有重要的战略意义参考文献1 郭颀谢朝钢 甲醇在ZRP 分子筛上转化为轻烯烃的研究J 石油炼制与化工200536 9 26302 解玉梅 我国基本有机原料产业现状分析J 化工技术经济200523 6 8123 彭琳 甲醇制低碳烯烃技术进展J 国内外石油化工快报200838 4 164 王平尧 甲醇制烯烃技术进展及其对国内烯烃工业的影
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