CN1137769C - 一种浆态床合成反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浆态床合成反应装置，包括提升管、下降管、气体分布器和搅拌器，其中的提升管的上、下端分别与下降管的上、下端相连通，气体分布器设在提升管的下部，搅拌器设在下降管的上部。本发明设计的反应装置，通过控制循环速度调节反应物在反应器内的停留时间，增强气泡的破碎和分散，气泡直径减小，气含率增大，改善浆态反应器内的相际传质，并利用大颗粒起到的破碎气泡作用，进一步增大气液相际传质面积，改善相际传质。
Description
本发明涉及一种浆态床合成反应装置，适用于反应受传质、传热影响的新型浆态床合成反应装置，属化工工艺过程中的工程技术领域。特别地，本发明适用于在有溶剂存在下，由合成气液相法制取甲醇或二甲醚的反应过程。
由合成气制取甲醇和二甲醚，包括以下几个化学反应：甲醇合成反应 -90.4.J/mol(1)水煤气变换反应 -41.0kJ/mol(2)甲醇脱水反应 -23.0.0kJ/mol(3)
以上反应一般采用气相法，在固定床反应器内进行。反应温度为200-300℃，压力5.0-15MPa，反应为强放热反应。为解决反应移热问题，合成气要大量循环和压缩，循环比高达5-10，使得合成过程中CO的单程转化率非常低，并且也大大增加了设备投资和能耗。同时，由于H2的热容较大及催化剂容易结焦失活，使用较高H2/CO比的合成气。
为解决上述存在的问题，可使用一种惰性溶剂作为移热介质，采用浆态床反应器代替固定床反应器，进行液相法合成。在浆态体系中，由于液相溶剂的热容大，液相法很容易实现恒温操作。利用液相作为移热介质，避免了气相法中大量合成气的循环压缩，降低了能耗，使得合成气可以达到较高的单程转化率。因可使用小得多的换热面积，实现液相与反应体系的换热，一方面使得反应器制造简单，另一方面可方便地利用反应热米产生中压蒸汽，能量利用效率高。
在三相浆态床应用过程中，目前较多的是三相浆态鼓泡床和机械搅拌釜。要在鼓泡床中实现良好的分散和混合效果，提高传质效率，需要较高的空速以促进其内部的湍动，但是这样会使反应物在反应器中的停留时间变短，催化剂的利用率降低，反应不够完全，进而降低了转化率。机械搅拌釜能够实现较好的湍动效果，但由于其自身的局限，目前主要应用于实验室研究，难于进行工业放大。并且对于类似合成气直接制取二甲醚合成过程，使用活性温度不同的甲醇合成和甲醇脱水两种催化剂。甲醇合成催化剂一般使用温度220-280℃，而甲醇脱水催化剂使用温度一般在280℃左右。在使用过程中，两种同等粒度的催化剂按一定比例，采用物理混合，装入反应器，与溶剂一起共同组成浆态体系。由于甲醇合成催化剂高温易失活，反应必须在甲醇脱水催化剂适宜的温度下进行，因此甲醇脱水反应速率会因反应温度低而较慢，这样在实际的反应过程中脱水速率会限制整个反应的转化率。
本发明的目的是设计一种浆态床合成反应装置，使反应体系在较低的空速下也能够获得较高的分散和混合效果。本发明主要结合了鼓泡床、机械搅拌釜、三相循环流化床和环流反应器等类型反应器的特点，采用搅拌桨或循环泵使反应器内产生循环流动。一可以通过控制循环速度调节反应物在反应器内的停留时间，提高其转化率；二可通过循环还能增强气泡的破碎和分散，使气泡直径减小，气含率增大，改善浆态反应器内的相际传质；三可使用两种不同粒度的固体颗粒，利用大颗粒存起到的破碎气泡作用，进一步增大气液相际传质面积，改善相际传质。
本发明设计的浆态床合成反应装置，包括提升管、下降管、气体分布器和搅拌器，其中的提升管的上、下端分别与下降管的上、下端相连通，气体分布器设在提升管的下部，搅拌器设在下降管的上部。
本发明设计的浆态床合成反应装置的另一种结构为：反应装置包括提升管、下降管、气体分布器和循环泵，其中的提升管的上、下端分别与下降管的上、下端相连通，提升管的下端通过循环泵与下降管相连通，气体分布器设在提升管的下部。
本发明设计的浆态床合成反应装置，以用于一步法二甲醚合成的过程为例，具有如下优点，如图1所示，使用不同粒度的甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂，与惰性的溶剂组成双颗粒的循环流化体系。其中甲醇合成催化剂为大颗粒，为分散相，与溶剂组成传统的流化床。甲醇脱水催化剂为小颗粒，与溶剂一起组成拟均相，形成循环流化体系。而通过调节循环速率，可以使大颗粒的甲醇合成催化剂只存在于反应器的提升管区，而不流入下降管区；小颗粒的甲醇脱水催化剂则与溶剂组成的拟均相，在整个反应器内循环。这样可以通过控制反应器两侧的反应温度，使甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂分别在本身所适宜的活性温度下进行催化反应，从而进一步提高反应的转化率。另外大颗粒的存在还能起到破碎气泡的作用，增大了气液相际传质面积。这样就克服了传统的浆态床反应器传质效率低，以及两种催化剂使用温度不匹配所带来的问题。
附图说明：
图1是本发明设计的反应装置的结构示意图。
图2是本反应装置的另一种结构示意图。
图3是反应装置中提升管的上端和下降管的另一种结构方式。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
如图1所示，本发明设计的浆态床合成反应装置，包括提升管1、下降管2、气体分布器4和搅拌器5，其中的提升管1的上、下端分别与下降管2的上、下端相连通，气体分布器4设在提升管1的下部，搅拌器5设在下降管2的上部。
本发明设计的浆态床合成反应装置的另一种结构为：反应装置包括提升管1、下降管2、气体分布器4和循环泵6，其中的提升管1的上、下端分别与下降管2的上、下端相连通，提升管1的下端通过循环泵6与下降管2相连通，气体分布器4设在提升管1的下部。
本反应装置的工作过程如下所述：气相反应物由反应器的底部引入，经过气体分布器4进入反应器的提升管区1，在此区域内，存在两种不同粒度的催化剂，对于一步法二甲醚合成即为甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂，其中甲醇合成催化剂为大颗粒，粒度约0.2-1.0mm，为分散相，与溶剂组成传统的流化床。甲醇脱水催化剂为小颗粒，粒度约30-100μm，与溶剂一起组成拟均相。提升管区1的温度可以控制在220-280℃，为甲醇合成催化剂的活性温度，同时进行甲醇合成和甲醇脱水反应。同时，大颗粒的存在能够起到破碎气泡的作用，使气泡的尺寸变得更小，提高气含率，增加了气液传质面积。
在气液分离区3，气相产物及部分未反应的反应物与浆态相分离并作为产品从反应器顶部取出，另一部分未反应完全的反应物则被带入下降管2。设计不同的内部结构可以得到不同的气液分离效果，同时能够保证小颗粒能够带入下降管而大颗粒保留在提升管1中。为了控制带入下降管2内的气体量和防止大颗粒进入下降管2，可以采用图1或图3所示的结构，结合调节反应器内的空速来进行控制。气液分离区3的顶部设有气相产品出口，在反应器的运行过程中，惰性溶剂会逐渐损失，因此在反应器的顶部还设有液相注入口，用于补充溶剂。
进入下降管2的中间产物甲醇在小颗粒催化剂的作用下脱水生成产物二甲醚。本区域的温度控制在250-320℃，为脱水催化剂的活性温度区域，主要进行甲醇脱水反应。这就可以在一定程度上解决两种催化剂使用温度不匹配的问题，使每种催化剂都能在其最适宜的活性温度下工作。
由于气体从提升管1一侧通入，造成了提升管1和下降管2内气含率的差异，进而导致两侧密度的差异，从而产生了反应器内的循环流动，这是气升式环流反应器的基本原理。当反应物的进气空速较大时，气升的作用就可以实现反应器内良好的循环；当反应物的进气空速较小时仅依靠气升可能无法保证整个反应器内的循环流动，此时可以采用强制循环的办法来实现，并且通过改变强制循环的强度可以控制带入下降管的气体量，此时系统就成为气升与强制循环结合的反应器。强制循环的实现方法也有多种，图1和图2是本发明的两个示例。图1采用在下降管顶部加一个推进式搅拌桨5的办法来推动反应器内的物流循环。为了改善搅拌桨附近的流动状况，消除打旋现象，需要在搅拌桨附近的管壁上安装挡板等内构件，以破坏其环向流动，增强轴向流动的推动力。图2是采用在反应器内加装循环泵6的方法实现强制循环。
下面介绍本发明的实施例。
实施例1：合成气一步法合成二甲醚
在反应器内加入一种高沸点的惰性溶剂，可以是液体石蜡。然后在反应器提升管区1装填一种小颗粒的甲醇合成催化剂，粒度约0.5-1.0mm，再加入一种大颗粒的甲醇脱水催化剂，粒度约30-50μm，并对催化剂进行预处理。
催化剂与惰性溶剂的重量比为5-60％，合成气组成H2/(CO+CO2)＝1∶1-4∶1，经压缩、换热后由塔底鼓泡进入反应器提升管区1。甲醇脱水催化剂与溶剂一起组成浆液，通过搅拌器5或浆态泵6进行强制循环；合成气与浆液一起并流向上，通过控制浆液的循环速率，保持反应器提升管区1内大颗粒甲醇合成催化剂的流化状态，且使得大颗粒的甲醇合成催化剂只存在于提升管区1，而不进入下降管区2。
反应温度控制为提升管区1为220-280℃，同时进行甲醇合成和甲醇脱水反应生成二甲醚。下降管区2为250-320℃主要进行甲醇脱水反应。整个反应器内压力30-100MPa，合成气空速为1000-10000h-1。浆液由反应器提升管区1底部上升到反应器顶部后，夹带少量的气体进入反应器的下降管区2，继续进行反应。通过控制取热，在浆液循环回反应器提升管区1时，使浆液温度降至220-280℃。反应生成的二甲醚及少量甲醇，CO单程转化率可达80-95％，二甲醚选择性大于90％。实施例2：合成气合成甲醇
只向反应器内填加甲醇合成催化剂。催化剂可以是单颗粒体系，也可是由自身或与不同粒度的惰性颗粒构成双颗粒体系，整个反应器内温度控制为220-280℃。其余条件同实施例1。得CO单程转化率40-80％，甲醇选择性大于95％。
Claims (2)
1、一种浆态床合成反应装置，其特征在于该装置包括提升管、下降管、气体分布器和搅拌器；所述的提升管的上、下端分别与下降管的上、下端相连通，气体分布器设在提升管的下部，搅拌器设在下降管的上部。
2、一种浆态床合成反应装置，其特征在于该反应装置包括提升管、下降管、气体分布器和循环泵；所述的提升管的上、下端分别与下降管的上、下端相连通，提升管的下端通过循环泵与下降管相连通，气体分布器设在提升管的下部。
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