CN207193157U

CN207193157U - 一种制备聚甲氧基二甲醚的系统

Info

Publication number: CN207193157U
Application number: CN201721147277.2U
Authority: CN
Inventors: 王志亮; 高文斌; 徐龙方; 孟祥发; 张效龙; 冷桂玲
Original assignee: Qingdao Maiteda New Materials Co Ltd
Current assignee: Qingdao Maiteda New Materials Co Ltd
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2027-09-08

Abstract

本实用新型公开了一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，包括一级反应设备、二级反应设备和分离单元，一级反应设备上连接有一级反应原料进料管道，一级反应设备的顶部连接有共沸物出料管道，一级反应设备的底部通过一级反应液出料管道与二级反应设备连接，二级反应设备通过二级反应液出料管道与分离单元连接，分离单元上连接有轻组分循环管道和产物出料管道。与现有技术相比，本实用新型采用甲缩醛和水为反应原料，先在催化精馏作用下高选择性制得DMM2，随后进一步反应生成聚甲氧基二甲醚DMM3～8，工艺系统流程简单，显著减少了水对DMMn合成反应的不利影响，提高了原料转化率，降低了能耗和设备投资。

Description

一种制备聚甲氧基二甲醚的系统

技术领域

本实用新型属于化工生产设备技术领域，具体涉及制备聚甲氧基二甲醚DMMn的系统。

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。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。

聚甲氧基二甲醚结构通式为CH₃O(CH₂O)nCH₃，简称DMMn或PODEn等，是目前公认的富氧清洁柴油调和组分和环保溶剂替代组分。DMMn作为清洁柴油调和组分，十六烷值高达76，无硫无芳烃，能与柴油馏分任意比例混溶，不仅能改善柴油发动机的燃烧状况，而且能够显著减少尾气污染物排放，具有广阔的应用前景。DMMn作为环保溶剂替代组分，具有优良的溶解性能，与其他常规溶剂复配，可广泛用于橡胶制备、金属清洗、胶黏剂制备、印染助剂制备及油漆涂料稀释剂制备等众多领域。

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。现已公开的专利技术中，涉及到聚甲氧基二甲醚制备方法的很多，其中提供甲醛单体的主要原料有三聚甲醛、多聚甲醛、浓甲醛水溶液、气体甲醛等，提供封端基团的主要原料有甲醇、甲缩醛、二甲醚等。反应原料中的水含量显著影响原料甲醛的转化率和产物选择性，已公开的专利技术中普遍采用含水量较低的固体原料三聚甲醛或多聚甲醛与甲缩醛进行反应制备聚甲氧基二甲醚。专利CN200580036662.3公开了一种制备聚甲氧基二甲醚的方法，该方法的特征在于通过甲缩醛、三聚甲醛和(或)催化剂引入反应混合物中的水量低于基于反应混合物计的1％；专利CN201210049933.0公开了一种制备聚甲氧基二甲醚的方法，其特征在于将甲醇、甲缩醛和/或二甲醚，以及甲醛和/或多聚甲醛，在酸催化剂和脱水剂存在下制备聚甲氧基二甲醚，目的是在反应中加入脱水剂，及时将反应体系的水移除，推动反应平衡向正方向移动；专利CN201010191075.4公开了一种合成聚甲氧基二甲醚的方法，使用甲醇和过量甲醛或多聚甲醛为原料，其特征之一是在反应器中加入分水剂；专利CN201310327622.0公开了一种制备聚甲氧基二甲醚的组合工艺，以甲缩醛和多聚甲醛为反应原料，反应物料在膜分离脱水装置和反应器之间循环流动，边反应边脱水，反应系统内的水不断被移走，使多聚甲醛反应完全。现已公开的此类专利还有很多，但是三聚甲醛和多聚甲醛的原料成本较高，并且原料是固体，增加了连续化操作难度，其制备方法的经济性较差，因而在工业应用上缺乏竞争优势。

部分专利公开了使用甲醛水溶液或浓甲醛水溶液和甲缩醛反应制备聚甲氧基二甲醚的方法。专利CN201010176630.6公开了一种以50～60％甲醛水溶液为初始原料在离子液体催化作用下制备DMMn的工艺过程，但中间过程仍然涉及三聚甲醛的合成与分离；专利CN201410771125.4公开了一种以80％以上的甲醛水溶液浓缩液为原料在固定床反应器内制备DMMn的方法；专利CN201610522668.1公开了一种以50～88％的甲醛水溶液和甲缩醛为原料在流化床反应器内反应制备DMMn的方法，反应液经过溶剂萃取脱除未反应的甲醛水溶液，萃取剂蒸馏回收后得到含DMMn的物料，再经精制分离获得DMM2～8；专利CN201610671732.2公开了以中等浓度甲醛(55％)与甲缩醛在管道反应器内反应制备DMMn的装置和方法；专利CN201610943861.2公开了一种以浓度为37～85％的稀甲醛水溶液和甲缩醛为原料直接合成DMMn的方法，反应过程中先通过膜分离过程脱除其中的水分小于5％甚至0.5％，再进行缩合反应得到DMMn；专利CN201420508874.3和CN201610147992.X分别公开了使用气体甲醛和甲缩醛为原料制备DMMn的方法，首先由甲醛水溶液与一元醇类形成半缩醛，然后经过负压脱水，最后将半缩醛加热分解释放出几乎不含水的气体甲醛，所得的气体甲醛与甲缩醛再反应生成DMMn。

上述几种方法虽然均以甲醛水溶液为反应原料，但是在反应前或反应过程中，都需要采用蒸发浓缩、膜分离、化学萃取等方式进行脱水，工艺过程复杂，能耗较高，并且使用甲缩醛水溶液的反应系统中仍有大量水存在，反应效果大多不如使用三聚甲醛或多聚甲醛。

无论是采用含水量相对较低的三聚甲醛或多聚甲醛，还是采用甲醛水溶液脱水浓缩的方式，目的都是为了降低反应系统中的水浓度，因为在现有专利技术所采用的反应器型式及反应器操作条件之下，对甲醛与甲缩醛合成DMMn的反应而言，水是有害杂质，水浓度越高，甲醛的转化率越低，产物选择性越差。对于使用甲醛水溶液为反应原料的现有专利技术而言，其所采用的反应器型式使得水作为杂质始终处于反应体系中，并且跟随反应产物及未转化的反应原料同时流出反应器，虽然从技术路线上看是可行性的，但是对于合成DMMn的反应却是非常不利的，即使采用浓度高达88％的甲醛水溶液，其中仍然含有12％左右的水，这些水作为有害杂质会显著影响甲醛的转化率和产物选择性。

实用新型内容

基于上述技术问题，本实用新型提供一种制备聚甲氧基二甲醚的系统。

本实用新型所采用的技术解决方案是：

一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，包括一级反应设备、二级反应设备和分离单元，一级反应设备上连接有一级反应原料进料管道，一级反应设备的顶部连接有共沸物出料管道，一级反应设备的底部通过一级反应液出料管道与二级反应设备连接，二级反应设备通过二级反应液出料管道与分离单元连接，分离单元上连接有轻组分循环管道和产物出料管道。

优选的，所述一级反应设备为非均相反应器中一种或多种的串联组合。

优选的，所述二级反应设备为非均相反应器中的一种或多种组合，或催化精馏塔，或非均相反应器与催化精馏塔的组合。

上述非均相反应器包括但不限于搅拌釜式反应器、固定床反应器和流化床反应器。

优选的，所述的分离单元为普通精馏塔、催化精馏塔或普通精馏塔与催化精馏塔的组合。

优选的，所述轻组分循环管道包括第一轻组分循环管道和第二轻组分循环管道，分离单元通过第一轻组分循环管道连接二级反应设备，分离单元通过第二轻组分循环管道连接一级反应设备。

本实用新型的有益技术效果是：

与现有技术相比，本实用新型采用甲缩醛和水为反应原料，先在催化精馏作用下高选择性制得DMM2，随后进一步反应生成聚甲氧基二甲醚DMM3～8，工艺系统流程简单，显著减少了水对DMMn合成反应的不利影响，提高了原料转化率，降低了能耗和设备投资。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的结构原理示意图。

具体实施方式

结合附图，一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，包括一级反应设备1、二级反应设备2和分离单元3。一级反应设备1上连接有一级反应原料进料管道4，一级反应设备1的顶部连接有共沸物出料管道6，一级反应设备1的底部通过一级反应液出料管道5与二级反应设备2连接。二级反应设备2通过二级反应液出料管道7与分离单元3连接。分离单元3上连接有第一轻组分循环管道8、第二轻组分循环管道9和产物出料管道10。分离单元3通过第一轻组分循环管道8连接二级反应设备2，分离单元3通过第二轻组分循环管道9连接一级反应设备1。

作为对本实用新型的进一步设计，所述一级反应设备1为催化精馏塔或催化精馏塔与搅拌釜式反应器、固定床反应器和流化床反应器等本领域常见的非均相反应器中的一种或多种的串联组合。

进一步的，所述的二级反应设备2为搅拌釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器等本领域常见的非均相反应器中的一种或多种的串联组合，或催化精馏塔，或催化精馏塔与上述非均相反应器中的一种或多种的组合。

更进一步的，所述的分离单元为普通精馏塔、催化精馏塔或普通精馏塔与催化精馏塔的组合。

本发明以甲缩醛和水为原料，首先在一级反应设备1内高选择性的反应生成DMM2和甲醇，甲醇及部分未转化的水与进料中的甲缩醛在一级反应设备1所包含的催化精馏塔塔顶连续共沸蒸出，在催化精馏塔塔底得到不同DMM2浓度的一级反应液。然后以一级反应液为二级反应原料，在二级反应设备2内反应生成含DMM3～8的二级反应液，二级反应液送至分离单元3精馏分离。将未反应的DMM2分离出来并经第一轻组分循环管道8循环返回二级反应设备2，将甲缩醛等轻组分分离出来并经第二轻组分循环管道9循环返回一级反应设备1，即可得到DMM3～8产品。

上述的DMM2是指化学式为CH₃O(CH₂O)₂CH₃的化合物，所述的DMM3～8是指化学通式为CH₃O(CH₂O)nCH₃，其中n＝3、4、5、6、7、8的化合物。

上述反应原料中还可以含有甲醛和/或甲醇，水以甲醛和/或甲醇水溶液的形式添加，其中甲醇在总进料量中的质量分数为1～32％。上述的反应原料甲缩醛和水或甲醛水溶液的进料方式，可以是各组分单独进料，也可以是各组分混合后进料，所述的反应原料可以在催化精馏塔的任意位置进料，优选在反应段进料。

上述一级反应设备塔顶出料中，甲醇的质量分数为2～32％，水的质量分数为0～8％；一级反应设备塔顶采出的甲醇、水、甲缩醛共沸物经精馏分离，改变其中的甲醇和/或水的浓度之后，返回一级反应设备内循环使用。

上述的一级反应液主要由甲缩醛和DMM2组成，其中水、甲醛和甲醇的质量分数之和为0～25％，DMM2～8的质量分数为1～99％，DMM2～8中DMM2的质量分数为0.1～99％。通过控制催化精馏塔塔底温度可以调控催化精馏塔塔底出料组成。

上述二级反应设备的操作温度为30～150℃、操作压力为0.1～3.0MPaA；二级反应设备中，DMM2的转化率为1～99％；二级反应液是由甲缩醛、DMM2～8和水、甲醛、甲醇组成的混合物，其中水、甲醛、甲醇的质量分数之和为1～25％。

上述的一级反应设备和二级反应设备所使用的催化剂为固体酸催化剂，包括酸性阳离子交换树脂、改性离子交换树脂、分子筛、固体超强酸、负载型杂多酸、负载型液体酸、负载型酸性离子液体、负载型固体磷酸、负载型过渡金属或负载型过渡金属氧化物、过渡金属盐中的一种或多种。

所述的产品DMM3～8可以进一步精馏分离脱除其中的重组分，如DMM5～8，脱出的DMMn重组分循环返回二级反应设备。

下面结合具体应用实例对本实用新型作进一步说明：

实施例1

一种制备聚甲氧基二甲醚DMM3～8的工艺系统，包括以下内容：

依次连接的一级反应设备1、二级反应设备2、分离单元3以及相互连接的进出料或循环管道。所述的一级反应设备1为一台催化精馏塔，所述的二级反应设备2为一台固定床反应器，所述的分离单元3包括第一精馏塔和第二精馏塔，两塔为常规精馏塔，催化精馏塔和固定床反应器内装填足量的酸性阳离子交换树脂，催化精馏塔的精馏段、提馏段和分离单元的两台常规精馏塔内均装有高效填料。

所述的反应原料通过一级反应原料进料管道4与催化精馏塔连接，催化精馏塔设有一级反应液出料管道5和共沸物出料管道6，其中一级反应液出料管道5与固定床反应器顶部入口连接，共沸物出料管道6送出系统。所述的固定床反应器出口通过二级反应液出料管道7与分离单元3的第一精馏塔进料口连接，第一精馏塔塔底出料管道与第二精馏塔进料口连接，第一精馏塔塔顶出料口通过第二轻组分循环管道9与一级反应原料进料管道4连接，第二精馏塔塔顶出料口通过第一轻组分循环管道8与固定床反应器连接，第二精馏塔塔底产物通过产物出料管道10送出系统。

反应原料为甲缩醛、甲醇、水的混合物，其中各组分的质量分数为：甲缩醛96.2％，甲醇2.33％，水1.47％。

将反应原料通过计量泵以1000g/min的速度通过一级反应原料进料管道4送至催化精馏塔1的反应段中部，控制催化精馏塔1的反应段压力为0.2MPaG，反应段温度为75℃，回流比为5.0。

反应原料中的甲缩醛和水进入催化精馏塔反应段后，在催化剂作用下发生反应，自催化精馏塔塔顶回流泵出口以803g/min的速度采出甲缩醛、甲醇和水的共沸物，其组成为：甲缩醛91.67％，甲醇8.03％，水0.3％。

自催化精馏塔塔顶采出甲缩醛、甲醇和水的共沸物通过共沸物出料管道6送出系统，经精馏分离，降低甲醇含量并补加适量水后返回作为催化精馏塔进料。

自催化精馏塔的塔底以197g/min的速度采出一级反应液，其中65.8％的甲缩醛、31.3％的DMM2、1.71％的DMM3～6，水、甲醛和甲醇质量分数之和为1.19％，采出的反应液通过一级反应液出料管道5送至固定床反应器。

计算可得，在一级反应设备内，水的转化率为82.3％。

控制固定床反应器物料反应温度为120℃，反应压力为1.2MPaA，固定床反应器出口所得二级反应液组成为：71.1％的甲缩醛，18.1％的DMM2，8.9％的DMM3～8，水、甲醛和甲醇质量分数之和为1.9％。

计算可得，在二级反应设备内，DMM2的转化率为42.17％。

二级反应液197g/min通过二级反应液出料管道7全部送至分离单元的第一精馏塔，第一精馏塔塔顶以142g/min的速度脱除二级反应液中的甲缩醛等轻组分，塔底得到DMM2～8为主的中间物料55g/min，然后送至第二精馏塔，在第二精馏塔塔顶脱除DMM2等轻组分37.5g/min，塔底以17.5g/min的速度得到DMM3～8产品。

第一精馏塔塔顶脱除的甲缩醛等轻组分通过第二轻组分循环管道9返回作为催化精馏塔的进料，第二精馏塔塔顶脱除的DMM2等通过第一轻组分循环管道8返回固定床反应器继续反应，第二精馏塔塔底采出的产品DMM3～8通过产物出料管道10送出系统。

实施例2

包括依次连接的一级反应设备1、二级反应设备2、分离单元3以及相互连接的进出料或循环管道。所述的一级反应设备1为一台固定床反应器和一台催化精馏塔串联，所述的二级反应设备2为一台液固流化床反应器，所述的分离单元3包括第一精馏塔、第二精馏塔和第三精馏塔，三塔为常规精馏塔，催化精馏塔和固定床反应器、流化床反应器内装填足量的酸性阳离子交换树脂，催化精馏塔的精馏段、提馏段和分离单元的三台常规精馏塔内均装有高效填料。

所述的反应原料通过一级反应原料进料管道4与固定床反应器进料口连接，固定床反应器出口与催化精馏塔进料口连接，催化精馏塔设有一级反应液出料管道5和共沸物出料管道6，其中一级反应液出料管道5与流化床反应器底部入口连接，共沸物出料管道6送出系统。所述的流化床反应器顶部出口通过二级反应液出料管道7与分离单元3的第一精馏塔进料口连接，第一精馏塔塔底出料管道与第二精馏塔进料口连接，第二精馏塔塔底出料管道与第三精馏塔进料口连接，第三精馏塔塔底出料管道与流化床反应器底部进料口连接，第一精馏塔塔顶出料口通过第二轻组分循环管道9与一级反应原料进料管道4连接，第二精馏塔塔顶出料口通过第一轻组分循环管道8与流化床反应器底部进料口连接，第三精馏塔塔顶产物通过产物出料管道10送出系统，第三精馏塔塔底产物通过出料管道循环返回流化床反应器底部入口。

反应原料为甲缩醛、甲醇和甲醛水溶液的混合物，其中各组分的质量分数为：甲缩醛88.76％，甲醇1％，水6.41％，甲醛3.83％。

将上述反应原料预热至120℃后，通过计量泵以500g/min的速度通过级反应原料进料管道4送至固定床反应器顶部，在催化剂作用下反应原料中的甲缩醛和水及甲醛反应，达到反应平衡的反应液在固定床底部流出，再送至催化精馏塔反应段。

固定床出料送至催化精馏塔反应段，控制催化精馏塔反应段压力为1.0MPaG，控制反应段温度为125℃，控制催化精馏塔回流比为3.5。

自催化精馏塔塔顶回流泵出口以364.6g/min的速度采出甲缩醛、甲醇和水的共沸物，其组成为：甲缩醛81.93％，甲醇13.7％，水4.37％。

自催化精馏塔塔顶采出甲缩醛、甲醇和水的共沸物通过共沸物出料管道6采出，经精馏分离，降低甲醇含量并补加适量水后返回作为固定床反应器进料。

自催化精馏塔塔底以135.4g/min的速度采出一级反应液，其中8.62％的甲缩醛、66.4％的DMM2、13.11％的DMM3～6，水、甲醛和甲醇质量分数之和为11.87％，采出的反应液通过一级反应液出料管道5送至流化床反应器。

计算可得，在一级反应设备内，水的转化率为46.06％。

控制流化床反应器反应温度为110℃，反应压力为1.0MPaA，流化床反应器出口所得二级反应液组成为：26.5％的甲缩醛，31.6％的DMM2，24.9％的DMM3～8，水、甲醛和甲醇质量分数之和为17.0％。

计算可得，在二级反应设备内，DMM2的转化率为52.41％。

二级反应液135.4g/min通过二级反应液出料管道7全部送至分离单元的第一精馏塔，第一精馏塔塔顶以46.2g/min的速度脱除二级反应液中的甲缩醛等轻组分，塔底得到水、甲醛和甲醇以及DMM2～8为主的中间物料89.2g/min，然后送至第二精馏塔。在第二精馏塔塔顶脱除DMM2等轻组分55.5g/min，塔底以33.7g/min的速度得到DMM3～8产品，DMM3～8产品送至第三精馏塔，在真空条件下，由第三精馏塔塔顶以25.2g/min的速度得到DMM3～4，塔底以8.5g/min的速度得到DMM5～8重质组分。

第一精馏塔塔顶脱除的甲缩醛等轻组分通过第二轻组分循环管道9返回作为固定床反应器的进料，第二精馏塔塔顶脱除的DMM2等轻组分以及第三精馏塔塔底脱除的DMM5～8重质组分通过管道返回流化床反应器继续反应，第三精馏塔塔顶采出的产品DMM3～4通过产物出料管道10送出系统。

Claims

1.一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，其特征在于：包括一级反应设备、二级反应设备和分离单元，一级反应设备上连接有一级反应原料进料管道，一级反应设备的顶部连接有共沸物出料管道，一级反应设备的底部通过一级反应液出料管道与二级反应设备连接，二级反应设备通过二级反应液出料管道与分离单元连接，分离单元上连接有轻组分循环管道和产物出料管道。

2.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，其特征在于：所述一级反应设备为非均相反应器中一种或多种的串联组合。

3.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，其特征在于：所述二级反应设备为非均相反应器中的一种或多种组合，或催化精馏塔，或非均相反应器与催化精馏塔的组合。

4.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，其特征在于：所述的分离单元为普通精馏塔、催化精馏塔或普通精馏塔与催化精馏塔的组合。

5.根据权利要求1所述的一种制备聚甲氧基二甲醚的系统，其特征在于：所述轻组分循环管道包括第一轻组分循环管道和第二轻组分循环管道，分离单元通过第一轻组分循环管道连接二级反应设备，分离单元通过第二轻组分循环管道连接一级反应设备。