CN202808649U - 一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置 - Google Patents

Abstract

一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置，包括：反应系统、减压闪蒸系统、萃取系统、碱洗系统、精馏分离系统；一种制备聚甲氧基二甲醚的工艺过程包括如下步骤：原料进料、缩醛化反应、反应物闪蒸及单体的回收、产品萃取及水相催化剂的分离、萃取液的碱洗、精馏分离及回收。本实用新型的优点是：套筒内冷却水和外部冷却系统的结合使用，快速的散去合成反应过程中产生的热量，散热性能好、混合均匀、无分层、操作更加容易控制，避免大分子聚甲氧基二甲醚的生成，减少能量消耗，产品收率高。

Description

一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置

技术领域

本实用新型属于新型燃料制备领域，涉及一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置。 

背景技术

聚甲氧基二甲醚(DMMn)是国际上公认的降低油耗和减小烟气排放的新型环保型燃油调和组分，十六烷值高，其物性与柴油相近，调和到柴油中使用不需要对车辆发动机供油系统进行改造。国外大公司相继对该生产技术进行开发和研究，通过试验和应用研究表明：添加20%的这种含氧化物，烟度最高可降低80%～90%，NOx可以降低50%，同时热效率也比现在单用柴油要高。 

目前多采用甲醇和三聚甲醛为原料，在催化剂的作用下缩醛化反应合成聚甲氧基二甲醚，中国发明专利CN102249869A公开了一种聚甲氧基二甲醚的工艺过程，如图1所示，包括一个反应区、一个分离区、一个催化剂再生区和一个产品脱水区。 

1)反应区：所述反应区包括单级或多级管式反应器和换热器，反应器与换热器循环连通，离子液体催化剂由管线4加入催化剂储罐V3，再经泵输送至反应器R1后，循环至整个系统；反应原料三聚甲醛经管线2、甲醇或甲缩醛经管线3，分别进入原料储罐V1、V2，反应原料通过液体质量流速计计量经管线5、循环来的轻组分经管线12、循环来的催化剂溶液经管线6计量连续流入缩醛化反应器R1；N₂通过净化单元净化，经管线1计量送入反应器R1，在一定的温度和压力下发生缩醛化反应。从反应器R1顶部流出的反应液由泵P1经管线7送入换热器V5，再经管线8返回反应器R1；反应器与换热器循环连通，反应液在反应器与换热器中循环。从反应器R1顶部排出的反应液包括催化剂、DMM_1-8、水、未反应甲醇和三聚甲醛，经管线9送入管式反应器R2，在一定的温度和压力下继续发生缩醛化反应。 

2)反应器流出液由反应器R2经管线10送到模式蒸发器V6。分离出的气相为DMM_1-2、部分水、未反应甲醇和三聚甲醛，经管线12通过冷却，返回反应系统；液相包括催化剂、DMM_3-8和水，经管线11送入相分离器V7。 

3)催化剂再生区及脱水区：在相分离器V7中下层包括离子液体、水和少量的DMM_3-8，经吸附塔V10脱水再生后经管线15由泵输送至催化剂储罐V4，再经管线6输送至反应器R1重复使用。上层粗产品主要包括DMM_3-8、水和少量离子液体催化剂，经管线13由泵输送至吸附塔V8，粗产品脱除水和酸后汇集到产品罐V9。 

聚甲氧基二甲醚的合成属于放热反应，通过外置换热器撤出反应热，很难对反应温度进行控制，容易造成局部过热，副反应增加，易生成大分子聚甲氧基二甲醚，且原料消耗增加，产品收率降低，增加动力的消耗。而且局部高温容易造成单体汽化，反应系统发生水锤，影响反应器的运行。同时原料和催化剂密度相差比较大，物料与催化剂容易发生分层，造成混合不均，催化效率降低，相应产物的收率也降低。 

通过简单蒸发和沉降分离，仅能获取DMM_3-8，其中有效组分DMM₂仍需要回收返回到反应器进一步反应生成DMM_3-8，因此该工艺过程DMM产品的收率比较低。 

为解决上述技术问题，一种散热性能好、物料无分层新型反应器以及一种新型分离工艺的制备聚甲氧基二甲醚的系统装置在新型能源的应用领域具有重要意义。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置，采用一种反应物料散热性好、混合均匀、无分层、操作更加容易控制的新型反应器来生产聚甲氧基二甲醚，同时采用一种新型分离工艺实现聚甲氧基二甲醚产品的有效分离。 

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 

一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置，包括：反应系统、减压闪蒸系统、萃取系统、碱洗系统、精馏分离系统； 

所述的反应系统，包括：进料混合器、环管式反应器、反应器循环泵、调压罐，循环冷却器；反应系统以离子液作催化剂，采用环管式反应器实现聚甲氧基二甲醚生产，环管式反应器外侧均设有夹套（套筒），蒸汽、热水或冷却水循环在夹套中进行加热、恒温或撤热；环管式反应器外部同时设有 循环管路和循环冷却器，通过控制循环冷却器的冷却水量控制环管式反应器的入口温度，所述反应系统还包括稳压系统，稳压系统包括与环管式反应器连通的调压罐，从环管式反应器的出口引出一股物料通过管道送至调压罐控制环管式反应器的压力，调压罐设有高压氮气减压阀和调节阀，调压罐放空管线上设有压力调节阀以控制环管式反应器的压力，两组调节阀采用分程控制，两组调节阀通过分程调节高压氮气和放空阀来控制环管式反应器的压力；环管式反应器中设有混合元件，一方面保持物料和催化剂的充分混合，另一方面是强化传热效果，维持反应稳定的进行； 

所述的减压闪蒸系统，包括闪蒸罐、闪蒸冷凝器、闪蒸收集罐；使高温反应产物进行减压闪蒸除掉部分低沸点的单体和产物，高温反应产物利用调节阀控制闪蒸罐的压力，使部分低沸点的产物蒸发排放，经过冷凝回收送回反应系统； 

所述的萃取系统，包括萃取塔；主要是通过萃取实现水相催化剂和产品的分离，经过闪蒸的反应产物，利用水相催化剂和反应产物在萃取剂中的溶解度不同，在萃取塔中实现催化剂的初步分离，萃取塔采用规整填料，填料高度为10～30米，萃取剂与原料进料比为0.5～2； 

所述的碱洗系统，包括碱洗混合器、碱液沉降罐；通过碱洗除掉产品的甲酸，主要是通过向反应产物注入40～50%的浓碱，在碱洗混合器中进行充分混合，中和掉残留的酸性物质，碱洗后的物质在碱液沉降罐中进行分离，沉降时间为5～20小时； 

所述的精馏分离系统，包括单体回收塔、萃取剂回收塔、产品分离塔、三聚甲醛脱除塔，用于通过多级精馏方式将甲醛、甲醇、芳烃、三聚甲醛及多聚甲氧基二甲醚进行分离；其中：a)低分子量聚甲氧基二甲醚（DMM1）和甲醇或甲醛在单体回收塔的塔顶分离出来，该塔可以采用板式塔或填料塔（理论板数10～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，单体回收塔的塔顶操作温度为50～80℃；b)萃取剂芳烃在萃取剂回收塔的塔顶进行回收，该塔采用板式塔或填料塔（理论板数20～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.5MpaG，萃取剂回收塔的塔顶操作温度为60～100℃；c)聚甲氧基二甲醚产品（DMM2-8）在产品分离塔的塔底产出，该塔采用板式塔或填 料塔（理论板数20～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，产品分离塔的塔顶操作温度为60～120℃；d)三聚甲醛可在三聚甲醛脱除塔予以脱除，塔顶为低分子量的聚甲氧基二甲醚（DMM2），可以掺入产品，该塔采用板式塔或填料塔（理论板数30～50块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，三聚甲醛脱除塔的塔顶操作温度为60～120℃。 

本实用新型制备聚甲氧基二甲醚的工艺过程包括如下步骤： 

1）原料进料：甲醇经管线、三聚甲醛经计量后与回收单体、DMM轻组分和催化剂一起流入进料混合器，反应进料充分混合后与反应循环物料一起进入环管式反应器； 

2）缩醛化反应：进料混合器的物料与反应循环物料在环管式反应器内继续进行混合，以防止物料分层，影响反应效果，同时反应物料进行加热进行热引发反应，反应过程中随着反应温度的提高，反应加剧，这时需要通入高温水进行撤热，以维持正常的反应温度，防止生成高聚物或单体汽化造成“水锤”影响环管式反应器的运行，如果反应剧烈，可以通过注入循环冷却水迅速给环管式反应器进行降温，从环管式反应器出来的物料一部分直接排放进后续分离系统，另一部分经过循环冷却器冷却控制一定的温度才能返回到环管式反应器；环管式反应器的压力可以通过调节调压罐上高压氮气调节阀和放空阀开度进行环管式反应器压力的调节，调节方式采用分程调节，调节压力主要是防止反应单体汽化，影响反应效果； 

3）反应物闪蒸及单体的回收：从调压罐出来的物料进入闪蒸罐，经过减压后利用物料产生的显热加热物料，使部分单体汽化，经过闪蒸冷凝器冷凝回收送回环管式反应器作为循环反应物料； 

4）产品萃取及水相催化剂的分离：通过常规分离是无法将水相催化剂进行分离，而且常规分离催化剂流失比较严重，这样会使催化剂的运行成本增加，采用芳烃作为萃取剂，利用水相催化剂和反应产物在萃取剂中的溶解度不同，闪蒸罐的罐底反应产物经过萃取塔能够很好地将产品和水相催化剂进行分离；催化剂经过浓缩和单体分离返回到环管式反应器循环使用； 

5）萃取液的碱洗：萃取液含有酸性物质，直接进入分离系统对管道、设备和仪表的材质要求比较高，造价也会增加，如果直接除掉酸性物质，后 续分离系统的材质可选用碳钢即可满足工艺要求，因此萃取液进行分离前，应注入40%的浓碱，与萃取液在碱洗混合器上进行充分混合，然后在碱液沉降罐上进行沉降分离； 

6）精馏分离及回收，包括：a)萃取剂、单体分离及回收：萃取塔的塔顶萃取液及产品经碱洗后进入单体回收塔进一步分离，塔顶回收的单体返回环管式反应器循环使用，塔底分离的萃取剂混合液进入萃取剂回收塔进行回收，从萃取塔的塔顶再返回萃取塔内重复利用；b)产品分离：经萃取分离出的聚甲氧基二甲醚产品（DMM2-8）在产品分离塔的塔底产出；c)三聚甲醛脱除：对于产品中含有的三聚甲醛需要在三聚甲醛脱除塔中进行脱除，并返回到进料侧重新进入环管式反应器。 

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点： 

1）本实用新型的夹套环管反应器可以将蒸汽和高温水加热、冷却水和外部冷却系统的结合使用，可以快速对反应物料进行加热、恒温和撤热，传热性能好，同时在反应器内部采用混合元件强化传热和传质，避免大分子聚甲氧基二甲醚的生成，减少能量消耗，产品收率高。 

2）本实用新型设置有稳压系统，维持反应压力的恒定，保证反应生成物为液相；同时维持反应器内始终充满液体，防止反应系统产生气相空间，造成气阻和水锤，影响系统运行。 

3）本实用新型在环管式反应器后方设有闪蒸罐，能够利用反应物料自身的显热是部分单体首先汽化，然后冷凝回收返回到环管式反应器，可以显著降低后续分离系统的能量消耗。 

4）本实用新型采用芳烃作为萃取剂可以将产品和水相催化剂进行分离，可以减少催化剂的流失。 

5）本实用新型设有单体、芳烃、三聚甲醛和DMM产品分离系统，能够保证产品的质量指标，同时最大限度的回收相关组分，减少组分的损失。 

附图说明

图1是背景技术中制备聚甲氧基二甲醚的工艺过程框图； 

图2是本实用新型一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置的结构示意图； 

图3是本实用新型实施例的工艺过程框图； 

其中：1.进料混合器，2.环管式反应器，3.反应器循环泵，4.调压罐，5.闪蒸器，6.闪蒸冷凝器，7.闪蒸收集罐，8.萃取塔，9.碱洗混合器，10.碱液沉降罐，11.单体回收塔，12.萃取剂回收塔，13.产品分离塔，14.三聚甲醛脱除塔，15，循环冷却器。 

具体实用方式 

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述： 

参见图2，一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置，包括：反应系统、减压闪蒸系统、萃取系统、碱洗系统、精馏分离系统； 

所述的反应系统，包括：进料混合器1、环管式反应器2、反应器循环泵3、调压罐4，循环冷却器15；以离子液作催化剂，采用环管式反应器2实现聚甲氧基二甲醚生产，环管式反应器2外侧均设有夹套（套筒），蒸汽、热水或冷却水循环在夹套中进行加热、恒温或撤热；环管式反应器2外部同时设有循环管路和循环冷却器15，通过控制循环冷却器15的冷却水量控制环管式反应器2的入口温度，所述反应系统还包括稳压系统，稳压系统包括与环管式反应器2连通的调压罐4，同时从环管式反应器2的出口引出一股物料通过管道送至调压罐4控制环管式反应器2的压力，调压罐4设有高压氮气减压阀和调节阀，调压罐4放空管线上设有压力调节阀以控制环管式反应器2的压力，两组调节阀采用分程控制，两组调节阀通过分程调节高压氮气和放空阀来控制环管式反应器2的压力；环管式反应器2中设有混合元件，一方面保持物料和催化剂的充分混合，另一方面是强化传热效果，维持反应稳定的进行。 

其中：作为优选，环管式反应器2规格为DN150mm×50000mm；环管式反应器2外侧采用DN200mm夹套管，环管式反应器2分成8段；环管式反应器2进料介质为甲醇、三聚甲醛、回收单体和催化剂，进料比例为0.4:0.8:0.50:0.05（吨产品计算），反应器操作压力为2.5～3.5MpaG，操作温度为105～125℃。 

所述的减压闪蒸系统，包括闪蒸罐5、闪蒸冷凝器6、闪蒸收集罐7；使高温反应产物进行减压闪蒸除掉部分低沸点的单体和产物，高温反应产物利用调节阀控制闪蒸罐5的压力，使部分低沸点的产物蒸发排放，经过冷凝 回收送回反应系统； 

所述的萃取系统，包括萃取塔8；主要是通过萃取实现水相催化剂和产品的分离，经过闪蒸的反应产物，利用水相催化剂和反应产物在萃取剂中的溶解度不同，在萃取塔8中实现催化剂的初步分离，萃取塔8采用规整填料，填料高度为10～30米，萃取剂与原料进料比为0.5～2；反应产物含有甲醇、甲醛、水、聚甲氧基二甲醚、三聚甲醛、萃取剂芳烃（苯）以及催化剂，经过闪蒸后除掉部分低分子量的聚甲氧基二甲醚，剩下的物料送进萃取塔8中，物料从塔顶进入，萃取剂从塔底送入，甲醇、甲醛、聚甲氧基二甲醚、三聚甲醛易溶于苯的介质从塔顶排出，催化剂和水从塔底排出，催化剂经过浓缩后循环送回环管式反应器2，萃取塔8化验分析结果见表1，分离产品质量指标见表2； 

表1 

表2 

所述的碱洗系统，包括碱洗混合器9、碱液沉降罐10；用于通过碱洗除掉产品的甲酸，主要是通过向反应产物注入40～50%的浓碱，在碱洗混合器9中进行充分混合，中和掉残留的酸性物质，碱洗后的物质在碱液沉降罐10中进行分离，沉降时间为5～20小时； 

所述的精馏分离系统，包括单体回收塔11、萃取剂回收塔12、产品分离塔13、三聚甲醛脱除塔14；用于通过多级精馏方式将甲醛、甲醇、芳烃、三聚甲醛及多聚甲氧基二甲醚进行分离； 

其中： 

a)低分子量聚甲氧基二甲醚（DMM1）和甲醇或甲醛在单体回收塔11的塔顶分离出来，该塔可以采用板式塔或填料塔（理论板数10～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，单体回收塔11的塔顶操作温度为50～80℃； 

b)萃取剂芳烃在萃取剂回收塔12的塔顶进行回收，该塔采用板式塔或填料塔（理论板数20～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.5MpaG，萃取剂回收塔12的塔顶操作温度为60～100℃； 

c)聚甲氧基二甲醚产品（DMM2-8）在产品分离塔13的塔底产出，该塔采用板式塔或填料塔（理论板数20～40块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，产品分离塔13的塔顶操作温度为60～120℃； 

d)三聚甲醛可在三聚甲醛脱除塔14予以脱除，塔顶为低分子量的聚甲氧基二甲醚（DMM2），可以掺入产品，该塔采用板式塔或填料塔（理论板数30～50块，填料高度10～30m），操作压力为0～0.3MPaG，三聚甲醛脱除塔14的塔顶操作温度为60～120℃。 

参见图3，本实用新型制备聚甲氧基二甲醚的工艺过程包括如下步 骤： 

（1）原料进料：甲醇经管线、三聚甲醛经计量后与回收单体、DMM轻组分和催化剂一起流入进料混合器1，反应进料充分混合后与反应循环物料一起进入环管式反应器2； 

（2）缩醛化反应：进料混合器1的物料与循环物料在环管式反应器2内继续进行混合，以防止物料分层，影响反应效果，同时反应物料进行加热进行热引发反应，反应过程中随着反应温度的提高，反应加剧，这时需要通入高温水进行撤热，以维持正常的反应温度，防止生成高聚物或单体汽化造成“水锤”影响环管式反应器2的运行，如果反应剧烈，可以通过注入循环冷却水迅速给环管式反应器2进行降温，从环管式反应器2出来的物料一部分直接排放进后续分离系统，另一部分经过循环冷却器15冷却控制一定的温度才能返回到环管式反应器2；环管式反应器2的压力可以通过调节调压罐4上高压氮气调节阀和放空阀开度进行环管式反应器2压力的调节，调节方式采用分程调节，调节压力主要是防止反应单体汽化，影响反应效果； 

（3）反应物闪蒸及单体的回收：从调压罐4出来的物料进入闪蒸罐5，经过减压后利用物料产生的显热加热物料，使部分单体汽化，经过闪蒸冷凝器6冷凝回收送回环管式反应器2作为循环反应物料； 

（4）产品萃取及水相催化剂的分离：通过常规分离是无法将水相催化剂进行分离，而且常规分离催化剂流失比较严重，这样会使催化剂的运行成本增加，采用芳烃作为萃取剂，利用水相催化剂和反应产物在萃取剂中的溶解度不同，闪蒸罐5的罐底反应产物经过萃取塔8能够很好地将产品和水相催化剂进行分离；催化剂经过浓缩和单体分离返回到环管式反应器2循环使用； 

（5）萃取液的碱洗：萃取液含有酸性物质，直接进入分离系统对管道、设备和仪表的材质要求比较高，造价也会增加，如果直接除掉酸性物质，后续分离系统的材质可选用碳钢即可满足工艺要求，因此萃取液进行分离前，应注入40%的浓碱，与萃取液在碱洗混合器9上进行充分混合，然后在碱液沉降罐10上进行沉降分离； 

（6）精馏分离及回收： 

a)萃取剂、单体分离及回收：萃取塔8的塔顶萃取液及产品经碱洗后进入单体回收塔11进一步分离，塔顶回收的单体返回环管式反应器2循环使用，塔底分离的萃取剂混合液进入萃取剂回收塔12进行回收，从萃取塔的塔顶再返回萃取塔8内重复利用； 

b)产品分离：经萃取分离出的聚甲氧基二甲醚产品（DMM2-8）在产品分离塔13的塔底产出； 

c)三聚甲醛脱除：对于产品中含有的三聚甲醛需要在三聚甲醛脱除塔14中进行脱除，并返回到进料侧重新进入环管式反应器2。 

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改与改进提升，或对其部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型技术方案的精神和范围。 

Claims (1)

1.一种制备聚甲氧基二甲醚的系统装置，其特征在于，包括：反应系统、减压闪蒸系统、萃取系统、碱洗系统、精馏分离系统；其中：

所述的反应系统，包括：进料混合器（1）、环管式反应器（2）、反应器循环泵（3）、调压罐（4），循环冷却器（15）；反应系统以离子液作催化剂，采用环管式反应器（2）实现聚甲氧基二甲醚生产，环管式反应器（2）外侧均设有夹套，蒸汽、热水或冷却水循环在夹套中进行加热、恒温或撤热；环管式反应器（2）外部同时设有循环管路和循环冷却器（15），通过控制循环冷却器（15）的冷却水量控制环管式反应器（2）的入口温度，所述反应系统还包括稳压系统，稳压系统包括与环管式反应器（2）连通的调压罐（4），从环管式反应器（2）的出口引出一股物料通过管道送至调压罐（4）控制环管式反应器（2）的压力，调压罐（4）设有高压氮气减压阀和调节阀，调压罐（4）放空管线上设有压力调节阀以控制环管式反应器（2）的压力，两组调节阀采用分程控制，两组调节阀通过分程调节高压氮气和放空阀来控制环管式反应器（2）的压力；环管式反应器（2）中设有混合元件，一方面保持物料和催化剂的充分混合，另一方面是强化传热效果，维持反应稳定的进行；

所述的减压闪蒸系统，包括闪蒸罐（5）、闪蒸冷凝器（6）、闪蒸收集罐（7）；

所述的萃取系统，包括萃取塔（8）；萃取塔（8）采用规整填料，填料高度为10～30米，萃取剂与原料进料比为0.5～2；

所述的碱洗系统，包括碱洗混合器（9）、碱液沉降罐（10）；

所述的精馏分离系统，包括单体回收塔（11）、萃取剂回收塔（12）、产品分离塔（13）、三聚甲醛脱除塔（14），用于通过多级精馏方式将甲醛、甲醇、芳烃、三聚甲醛及多聚甲氧基二甲醚进行分离。 

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