[发明专利]金属元素晶格掺杂碳化硅反应器及其在乙烷脱氢制乙烯中的应用

说明书

本发明涉及金属元素晶格掺杂碳化硅反应器及在无氧条件下催化乙烷脱氢制乙烯的方法，所述反应器基于新型制备的碳化硅材质，利用该材质的良好的热导性能与化学反应惰性特性，基于该反应器，视反应条件，该过程实现了乙烯的高收率合成。本发明的乙烷的转化率为70～100％；乙烯选择性为80～99.99％；丙烯选择性为0～5％；芳烃选择性为0～5％。该本发明具有催化剂寿命长(1000h)、催化剂高温(1700℃)下稳定性好、乙烷转化率和产物选择性高、能耗低、过程重复性好、操作安全可靠等特点，具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及基于碳化硅材质的新型反应器，并成功应用于乙烷脱氢制乙烯过程。该过程实现乙烷高效转化、乙烯高选择性合成，并具有良好的催化剂稳定性。

背景技术

乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料(聚乙烯及聚氯乙烯)、合成乙醇(酒精)的基本化工原料，同时也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的70％以上，在国民经济中占有重要的地位。乙烯产量已经作为作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。

乙烯的生产工艺包括两种方法，乙醇脱水法和烃类的热裂解法。其中，乙醇脱水制乙烯可以追溯到1797年。到1945年以前，绝大部分的乙烯都依然是通过乙醇脱水得到。后来随着石化行业的蓬勃发展，才出现了以烃类裂解(如石脑油)和天然气裂解等制备乙烯方法，逐渐取代了乙醇脱水法成为了工业主导。乙烯可以进行多种类型的反应，从而制出各种化工产品。

随着石油资源的日益紧张，应用来源丰富，且廉价的乙烷脱氢来制取乙烯，可以避开石油路线，因而越来越得到人们的关注，乙烷脱氢制乙烯虽然已经实现了工业化，但由于受热力学平衡转化率的限制，该过程需要在较高的温度下才能得到理想的收率，而在大流速，低停留时间的工业化应用条件下，反应体系的传热成为影响反应器温度的一个重要因素，现在广泛应用的金属管体系，其外壁温度和中心温度，能有两百度的温度差，这就意味着能耗的提升，如果能够将温差缩小，非常有利于工业化前景。因此开发新型的具有良好传热性能的反应器尤为重要。

发明内容

本发明涉及碳化硅反应器的制备及其在乙烷脱氢制乙烯过程中的应用，该碳化硅反应器的材质为金属掺杂的碳化硅，该过程实现了基于碳化硅材质反应器的乙烷脱氢制乙烯。所谓的乙烷脱氢制乙烯是指在无分子氧(O₂)或无单质硫(S)或无氧硫化合物(如SO₂等)存在的条件下直接将乙烷转化的方式。

本发明一方面提供碳化硅反应器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一以碳化硅、金属元素、碳源、硅源、粘合剂为原料，混合后得得混合料1；

步骤二将混合料1经塑形、焙烧，制得所述碳化硅反应器；

所述金属元素选自锂、钠、钾、镁、铝、钙、锶、钡、钇、镧、钛、锆、铈、铬、钼、钨、铼、铁、钴、镍、铜、锌、锗、铟、锡、铅、铋中至少一种，优选锂、钾、镁、铝、钙、锶、钡、钛、铈、锰、钴、铁、镍、锌中至少一种；

原料中，碳化硅的量大于等于50wt.％，小于等于99.9wt.％；金属元素(折算到金属单质)的量大于等于0.0001wt.％，小于等于10wt.％；碳源(折算到碳元素)的量大于等于0.0001wt.％，小于等于30wt.％；硅源(折算到硅元素)的量大于等于0.0001wt.％，小于等于30wt.％；所述碳化硅为α-SiC、β-SiC粉体中的至少一种；所述金属元素存在的状态为氧化物、碳化物、氮化物、硅化物中的至少一种；所述碳源包括石墨、炭黑、活性炭、氮化碳中的至少一种；所述硅源包括固体硅源、液体硅源、金属硅化物中的至少一种；所述固体硅源包括二氧化硅、氮化硅、单质硅、金属硅化物中的至少一种；所述液体硅源为正硅酸四乙酯、硅溶胶中的至少一种；所述金属硅化物包括硅化钛、硅化锆、硅化钽、硅化钨、硅化钯、硅化铂、硅化钴、硅化钼、硅化铁、硅化镍中的至少一种。