CN105061165A - 一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备。所述反应设备包括反应塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器和液体外循环系统，反应塔分为上部反应段和下部提浓段，反应段内装填固体酸催化剂，提浓段内设置分离塔盘或填料；在反应塔的侧壁上对应上部反应段处设置有一个原料主进料口、一个循环液体出口和至少一个循环液体返回口，循环液体出口通过循环管道与循环液体返回口连通，在循环管道上设置有循环泵；在反应塔的侧壁上对应下部提浓段处设置有一个原料次进料口和至少一个侧线产物采出口。本发明最大限度的发挥了催化精馏技术的优势，原料单程转化率接近100％，反应副产物和杂质组分分离简单，降低了投资和能耗。

Description

一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备

技术领域

本发明涉及一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，属于化工生产设备领域。

背景技术

我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋决定了国家大力支持和发展清洁煤化工及其下游产品的产业政策。经济的不断发展、汽车保有量的不断增加和随之而来的雾霾天气，使得全社会对国内的能源形势更加关注，对清洁油品的供给和改善环境的诉求更加强烈，与此同时，煤化工繁荣发展产生的数千万吨甲醇产能急需开发新的下游利用途径，而聚甲氧基二甲醚以甲醇为原料，可以在煤化工和石油化工之间起到桥梁的作用。开发先进的聚甲氧基二甲醚生产方法和装置，有利于节约原油能源，对于我国能源储备和能源安全有着重要的战略意义。

聚甲氧基二甲醚(PODEn)是目前世界上公认的富氧清洁柴油调和组分，十六烷值高达76，无硫无芳烃，安全无毒，氧含量达47～50％，低温流动性能好(凝点可达-30℃)，能与柴油馏分任意比例混溶，无需改动发动机结构而直接当柴油组分使用。通过这种清洁柴油组分的加入，不仅可以改善油品质量，而且可使我国现在2.2:1的柴汽比提高到2.5:1。以我国消费柴油1.5亿吨/年计，按15％的添加量计，对聚甲氧基二甲醚的年需求量超过2250万吨。因此，聚甲氧基二甲醚的工业化生产，可以实现对我国柴汽比的调节，有效解决柴油荒和柴油升级难的问题。

聚甲氧基二甲醚的合成和应用研究始于国外，国内研究虽然起步较晚，但是在合成和工业化研究方面已取得较大的成就。合成聚甲氧基二甲醚的原料为甲缩醛和甲醛或者甲醇和甲醛，其中甲醛可以是甲醛水溶液、多聚甲醛、三聚甲醛或气体甲醛等多种形式中的一种。甲缩醛和甲醛或者甲醇与甲醛合成聚甲氧基二甲醚的反应为可逆放热反应，反应产物为具有不同缩合度的混合物，并且反应产物中不可避免的含有未反应完全的原料甲缩醛、甲醇和甲醛，此外还有副反应生成的甲酸、甲酸甲酯、二甲醚等杂质组分，常规的分离方法需要较多的设备和较长的流程才能够得到聚甲氧基二甲醚产品。

合成聚甲氧基二甲醚多采用固体催化剂，原料多聚甲醛或三聚甲醛在常温常压下也是固体，所以目前合成聚甲氧基二甲醚的反应器形式一般为搅拌釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器、环管反应器，这些反应器形式普遍存在生产能力小、操作稳定性差、催化剂磨损、反应热移除困难以及功能单一的不足，仅仅起到反应器的作用，为了获得聚甲氧基二甲醚产品，还要将得到的反应液通过萃取、精馏、吸附脱酸、吸附脱水或膜分离等手段对获得的反应液混合物进行逐一分离，同时配套相应的溶剂回收、吸附剂再生等设施和手段，工艺流程冗长、设备投资大，更重要的是，由于反应器效率低导致了原料甲醛和甲缩醛的单程转化率较低，造成大量物料在反应器和分离单元之间循环，浪费大量能源，能耗普遍较高。

发明内容

针对上述存在的问题或缺陷，本发明提供了一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，该设备解决了目前反应器形式普遍存在的生产能力小、操作稳定性差、催化剂磨损、反应热移除困难以及功能单一的不足，同时解决了使用现有反应器形式带来的工艺流程冗长、设备投资大以及原料单程转化率低、能耗高的不足。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，包括反应塔，反应塔分为上部反应段和下部提浓段，反应段内装填固体酸催化剂，提浓段内设置分离塔盘或填料；所述反应塔的侧壁上对应上部反应段处设置有一个原料主进料口、一个循环液体出口和至少一个循环液体返回口，循环液体出口通过循环管道与循环液体返回口连通，在循环管道上设置有循环泵；所述反应塔的侧壁上对应下部提浓段处设置有一个原料次进料口和至少一个侧线产物采出口；所述反应塔的顶部和底部均设置有出料口。

优选的，所述循环液体返回口设置在循环液体出口上方且垂直距离至少1米，所述循环液体出口设置在原料主进料口的下方且垂直距离不小于0.5米；所述侧线产物采出口设置在原料次进料口上方且垂直距离不小于0.4米。

优选的，所述固体酸催化剂颗粒的长、宽、高或粒径的任一尺寸数值不小于5毫米。

优选的，所述固体酸催化剂以催化剂床层的形式布设，所述催化剂床层至少分为2段，每段催化剂床层的底部设置催化剂支撑板，顶部设置液体分布器，催化剂床层的空隙率为45％～90％。

优选的，所述反应塔下部提浓段内至少设置2层分离塔盘或至少1米高的填料。

优选的，所述反应塔的塔顶设置有冷凝器、回流罐和回流泵，所述反应塔的顶部出料口连接冷凝器，冷凝器与回流罐连接，回流罐通过回流泵连接反应塔的顶部回流口。

优选的，所述回流泵出口还设置一出料管道。

优选的，所述反应塔的塔底设置有再沸器。

优选的，所述反应塔可拆分为两个以上塔体，所有塔体串联在一起。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

充分发挥了催化精馏技术的优势，原料单程转化率接近100％，用最简单的方法分离出副产物甲酸甲酯、二甲醚，同时侧线出料口可以采出杂质组分或根据需要采出具有一定缩合度的产品馏分，不需要复杂的物料循环和众多的分离设备，通过一台设备完成原料转化和产品分离的最优化工艺，真正实现了一端进原料另一端出产品的简单路径，大大缩短了聚甲氧基二甲醚生产工艺流程，显著降低了投资和能耗。

附图说明

图1为本发明制备聚甲氧基二甲醚反应设备的结构示意图；

图2示出两个塔体串联起来的情形。

具体实施方式

为进一步阐释本发明的内容，下面结合附图和实施例进一步说明。

如图1所示，本发明的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，包括反应塔1，反应塔1分为上部反应段101和下部提浓段102。反应段101内装填固体酸催化剂，催化剂颗粒的长、宽、高或粒径的任一尺寸数值不小于5毫米。提浓段102内至少设置2层分离塔盘或至少1米高的填料。所述反应塔的侧壁上对应上部反应段处设置有一个原料主进料口2、一个循环液体出口3和两个循环液体返回口4，循环液体出口3通过循环管道5与循环液体返回口4连通，在循环管道5上设置有循环泵6。所述循环液体返回口4设置在循环液体出口3上方且垂直距离至少1米，所述循环液体出口3设置在原料主进料口2的下方且垂直距离不小于0.5米。所述反应塔的侧壁上对应下部提浓段处设置有一个原料次进料口7和一个侧线产物采出口8。所述侧线产物采出口8设置在原料次进料口7上方且垂直距离不小于0.4米。侧线产物采出口8既可以采出液体物料，也可以采出气体物料。所述反应塔1的顶部和底部均设置有出料口。

作为对本发明的进一步设计，所述固体酸催化剂以催化剂床层的形式布设，所述催化剂床层至少分为2段，每段催化剂床层的底部设置催化剂支撑板，顶部设置液体分布器，催化剂床层的空隙率为45％～90％。

进一步的，所述反应塔1的塔顶设置有冷凝器9、回流罐10和回流泵11，所述反应塔的顶部出料口连接冷凝器9，冷凝器9与回流罐10连接，回流罐10通过回流泵11连接反应塔的顶部回流口。所述回流泵11出口还设置一出料管道12，以采出副反应生成的甲酸甲酯和二甲醚等副产物。所述反应塔1的塔底设置有再沸器13。

更进一步的，为了降低单个反应塔的总高，所述反应塔可拆分为两个以上塔体，所有塔体串联在一起。

本发明的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，尤其适合以甲缩醛、甲醛或三聚甲醛为混合原料的反应过程。

实施例1

在反应塔的反应段设置3段催化剂床层，在反应塔的提浓段设置10层分离塔板，原料甲醛与甲缩醛(88～99.9％)混合物从位于最下层催化剂床层底部的原料主进料口进入反应塔，甲醛与甲缩醛在反应段内催化剂的作用下发生反应并生成聚甲氧基二甲醚产物。为增加反应原料在反应段内的停留时间，促使反应接近反应平衡，在原料主进料口下方2米处设置外循环物料出口，由外循环泵抽出后将反应液送至位于位于第1层与第2层催化剂床层之间的外循环返回口，在每层催化剂床层顶部设置液体分布器，在每层催化剂床层底部设置催化剂支撑板。反应塔的反应段温度控制为40～110℃、压力控制为表压0～0.4MPa。反应塔塔底再沸器输入的热量以及反应热、原料带入的热量等通过汽化反应液中的甲缩醛移除，汽化的甲缩醛由反应塔塔顶出料口进入塔顶冷凝器冷凝，然后进入回流罐，并经回流泵打回塔顶的回流口。除了生成聚甲氧基二甲醚的主反应外，还会有副反应发生，产生甲酸甲酯和少量二甲醚，副产物甲酸甲酯和二甲醚由所述回流泵经出口管道送至副产物回收塔回收。离开反应段的反应液向下进入提浓段，在提浓段塔板的分离作用下，轻组分重新汽化返回反应段继续反应。由位于提浓段第5层塔板降液管处的侧线出料口经侧线出料泵采出组成为15％甲缩醛、13％甲醇、17％甲醛和55％PODE2～8的组分，这些组分在经过处理脱除甲醇等杂质后再经泵送回位于第7层塔板的原料次进料口，原料次进料口还可以补充甲缩醛以促进原料甲醛转化，含量为99.9％的PODE3～8由塔底出料口采出直接作为产品或再送去进一步精制。

实施例2

在反应塔的反应段设置4段催化剂床层，在反应塔的提浓段设置12米高的填料，填料分为3段装填，每段填料均设有液体分布器和填料支撑板。原料三聚甲醛与甲缩醛(88～99.9％)混合物从位于第3层催化剂床层底部的原料主进料口进入反应塔，三聚甲醛与甲缩醛在反应段内催化剂的作用下发生反应并生成聚甲氧基二甲醚产物，为促使反应接近反应平衡，在第4层催化剂床层下方设置外循环物料出口，由外循环泵抽出后将反应液送至位于位于第1层与第2层催化剂床层之间的外循环返回口。在每层催化剂床层顶部设置液体分布器，在每层催化剂床层底部设置催化剂支撑板。反应塔的反应段温度控制为40～100℃、压力控制为表压0～0.35MPa。汽化的甲缩醛将输入反应塔的热量移除，甲缩醛由反应塔塔顶出料口进入塔顶冷凝器冷凝，然后进入回流罐，并经回流泵打回塔顶的回流口。以三聚甲醛作为反应原料时，也会发生副反应产生甲酸甲酯和少量二甲醚，副产物甲酸甲酯和二甲醚由所述回流泵经出口管道送至副产物回收塔回收。离开反应段的反应液向下进入提浓段，在提浓段塔板的分离作用下，轻组分重新汽化返回反应段继续反应。由位于提浓段第2段填料底部的侧线出料口经侧线出料泵采出组成为7％甲缩醛、11％甲醇、18％甲醛和64％PODE2～8的组分，这些组分在经过处理脱除甲醇等杂质后再经泵送回位于提浓段第3层填料中部的原料次进料口，含量为99.9％的PODE3～8由塔底出料口采出直接作为产品或再送去进一步精制。

如图2所示，为了降低单个塔的总高，反应塔可拆分为串联的2塔。反应塔可以在反应段或提浓段的任意位置分割为2塔，其中上塔可以包括反应段和部分提浓段，或者仅仅包括反应段，下塔可以包括部分反应段和提浓段，或者仅仅包括提浓段。

以上实施例仅仅用于说明本发明，而不在于限制本发明的适用范围，在阅读本发明后，相关领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所述权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：包括反应塔，反应塔分为上部反应段和下部提浓段，反应段内装填固体酸催化剂，提浓段内设置分离塔盘或填料；所述反应塔的侧壁上对应上部反应段处设置有一个原料主进料口、一个循环液体出口和至少一个循环液体返回口，循环液体出口通过循环管道与循环液体返回口连通，在循环管道上设置有循环泵；所述反应塔的侧壁上对应下部提浓段处设置有一个原料次进料口和至少一个侧线产物采出口；所述反应塔的顶部和底部均设置有出料口。

2.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述循环液体返回口设置在循环液体出口上方且垂直距离至少1米，所述循环液体出口设置在原料主进料口的下方且垂直距离不小于0.5米；所述侧线产物采出口设置在原料次进料口上方且垂直距离不小于0.4米。

3.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述固体酸催化剂颗粒的长、宽、高或粒径的任一尺寸数值不小于5毫米。

4.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述固体酸催化剂以催化剂床层的形式布设，所述催化剂床层至少分为2段，每段催化剂床层的底部设置催化剂支撑板，顶部设置液体分布器，催化剂床层的空隙率为45%～90%。

5.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述反应塔下部提浓段内至少设置2层分离塔盘或至少1米高的填料。

6.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述反应塔的塔顶设置有冷凝器、回流罐和回流泵，所述反应塔的顶部出料口连接冷凝器，冷凝器与回流罐连接，回流罐通过回流泵连接反应塔的顶部回流口。

7.根据权利要求6所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述回流泵出口还设置一出料管道。

8.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述反应塔的塔底设置有再沸器。

9.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的反应设备，其特征在于：所述反应塔拆分为两个以上塔体，所有塔体串联在一起。