CN215540720U

CN215540720U - 一种微界面强化制备dmc的系统

Info

Publication number: CN215540720U
Application number: CN202121618583.6U
Authority: CN
Inventors: 张志炳; 孟为民; 周政; 王宝荣; 杨高东; 罗华勋; 张锋; 李磊; 杨国强; 田洪舟; 曹宇
Original assignee: Nanjing Institute of Microinterface Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Institute of Microinterface Technology Co Ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-16

Abstract

本实用新型提供了一种微界面强化制备DMC的系统，包括：反应器和第一气液分离器；所述反应器的侧壁设置有出料口；所述反应器中反应得到的产物经所述出料口进入所述第一气液分离器中；所述反应器内设置有第一档板，所述第一档板与所述出料口的出料方向垂直；所述第一档板的高度低于所述出料口；所述第一档板将所述反应器内部分成反应区和出料区；所述第一档板位于所述出料口的一侧为出料区。本实用新型的反应系统所需反应温度和压力低，副反应少、甲醇转化率高，值得广泛推广应用。

Description

一种微界面强化制备DMC的系统

技术领域

本实用新型涉及甲醇羰基化反应制备领域，具体而言，涉及一种微界面强化制备DMC的系统。

背景技术

甲醇液相氧化羰基化法是一种基于CH₃OH、O₂及CO在催化剂作用下合成DMC(碳酸二甲酯)的方法。

现有生产工艺流程一般是在两套反应装置中进行的。每套反应装置由两台并联的反应器以及一台气液分离罐组成。反应温度为115-120℃，反应压力为2.2-2.5MPaG。气液分离罐正常操作液位为50％左右。催化剂为氯化亚铜系催化剂，催化剂颗粒粒径200目(74μm)，在浆料中呈拟均相状态，含量为1.5％-3％(wt)。

反应器液相进料为新鲜甲醇与系统循环的甲醇，经混合后进入气液分离罐底部的降液管分别流进反应器底部。气相进料中新鲜O₂和CO与循环气(主要为CO)混合后，通过两台反应器底部的分布器以鼓泡形式分别进入两台反应器。为保证O₂全部充分反应，以及控制排出气中O₂含量在爆炸极限以下，进料中氧气浓度＜5％。在两台反应器中，O₂、CO与甲醇在催化剂作用下生成DMC与水。两台反应器顶部有管道与气液分离罐连接，反应器上部气液混合物进入气液分离罐进行分离。分离出的气相混合物料送至下游装置，主要组分为CO，DMC、甲醇、CO₂以及水。分离罐底部的液相从降液管与原料甲醇混合后，循环回至两台反应器底部。

甲醇氧化羰基化反应为放热反应，生成1molDMC反应热约为310kJ，反应物料以气相出料，蒸发潜热31kJ/mol。由于原料单程转化率低，反应放热总量相对较少，需要通过反应器内部U型换热器补充热量来调节反应温度恒定。每台反应器内部设有4台换热器，蒸汽耗量约为0-10t/h。

现有DMC生产工艺主要问题如下：

(1)原料混合气在反应器底部经过分布器初始分布后鼓泡进入液相。由于分布器开孔为毫米级别(φ5mm)，所产生的气泡直径偏大(8～15mm)，气液相界面积偏小，且初始分布的气泡在上升过程中容易聚并，反应器内气泡分布不均匀，加之液体循环采用密度差环流方式，流速较慢(＜0.1m/s)，使得气液传质速率偏低，导致宏观反应速率严重低于设计预期值；

(2)O₂耗量多，但实际有效利用率很低；

(3)CO单程转化率约为2-8％，且CO进料量偏多，因此新鲜CO压缩机和循环CO压缩机动力消耗偏大；

(4)由于产物DMC在系统中停留时间过长，与水发生水解反应，生成了CO₂，同时CO和O₂易发生副反应，这些因素大大降低了原料的转化率。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微界面强化制备DMC的系统，该系统通过在反应器内设置第一档板和第二档板，利用第一档板和第二档板之间形成的分液区，能够有效将产物中的固体物料截留；通过在反应器内设置微界面发生器将甲醇和合成气分别分散破碎后再进行羰基化反应，增大了甲醇和合成气的气液传质面积，提高了反应速率，降低了反应能耗。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种微界面强化制备DMC的系统，包括：反应器和第一气液分离器；所述反应器的侧壁设置有出料口；所述反应器中反应得到的产物经所述出料口进入所述第一气液分离器中；

所述反应器内设置有第一档板，所述第一档板与所述出料口的出料方向垂直；所述第一档板的高度低于所述出料口；所述第一档板将所述反应器内部分成反应区和出料区；所述第一档板位于所述出料口的一侧为出料区；

所述反应区的侧壁由上至下依次设置有甲醇进口和合成气进口；所述甲醇进口连接有甲醇管路，所述合成气进口连接有合成气管路；所述甲醇管路上设置有蒸发器；所述反应区内设置有两个微界面发生器，两个所述微界面发生器出口相对；位于上方的所述微界面发生器通过所述甲醇进口与所述甲醇管路相连，位于下方的所述微界面发生器通过所述合成气进口与所述合成气管路相连，两个所述微界面发生器的出口处均设置有分布器；

所述第一档板与所述出料口之间设置有第二档板，所述第二档板与所述第一档板平行；所述第二档板的高度高于所述出料口；所述第一档板与所述第二档板间形成分液区；所述出料口处设置有过滤网。

现有技术中，原料混合气在反应器底部经过分布器初始分布后鼓泡进入液相。由于分布器开孔为毫米级别(φ5mm)，所产生的气泡直径偏大(8～15mm)，气液相界面积偏小，且初始分布的气泡在上升过程中容易聚并，反应器内气泡分布不均匀，加之液体循环采用密度差环流方式，流速较慢(＜0.1m/s)，使得气液传质速率偏低，导致宏观反应速率严重低于设计预期值，且由于产物DMC在系统中停留时间过长，与水发生水解反应，生成了CO₂，同时CO和O₂易发生副反应，这些因素大大降低了原料的转化率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微界面强化制备DMC的系统，该系统通过反应器内设置的微界面发生器将甲醇和合成气分别分散破碎成了微米级的微气泡，提高了甲醇和合成气间的相界传质面积，提高了反应速率，减少了原料在反应器内的存留时间，从而减少了副反应的发生；同时能够有效地降低反应能耗，提高反应转化率。

优选的，所述第一档板与所述第二档板均固定在所述反应器的内壁上且所述第一档板与所述第二档板的底部均与所述反应器的底壁存在间距；所述第二档板底部与所述反应器底部形成回流区。第一档板与第二档板间的间隙形成缓流层，液体在缓流层中形成分层，底部分出的固体颗粒沿回流区流回反应区。

优选的，所述分布器呈锥形，所述分布器上设置有多个分布孔，所述分布孔与所述分布器的器壁垂直。这样设置能够使微气泡沿分布孔向不同的方向流动，从而促进微气泡的均匀分布。

优选的，所述第一档板的底部设置有弧形的引导板；经所述分液区分离出的固体物料沿所述引导板流回所述反应区。

优选的，所述第一档板的高度与所述出料口的底部平齐。第一档板与第二档板间形成高度差，利用该高度差去除液体中混杂的固体颗粒物。

本实用新型的反应器内通过第一档板分隔成反应区和出料区，并通过在反应区内设置两个微界面发生器对甲醇和合成气进行分散破碎。反应时，甲醇和合成气分别经微界面发生器分散破碎成微气泡后在催化剂的参与下进行反应，提高了甲醇与合成气之间的相界传质面积，降低了能耗；将两个微界面发生器的出口相对，能够起到对冲效果，以实现微气泡的均匀分布。

需要注意的是，本实用新型在对微界面发生器进行排布时，位于上方的微界面发生器与甲醇管路连接，位于下方的微界面发生器与合成气管路连接，合成气相对来说气源需要预先合成，而且合成气原料中的CO本身可燃，和O₂反应易发生爆炸，所以为了提高其安全性，尽量将其进气口设置的位置比较低一些，同时鉴于其进入反应器内部后更容易朝着反应器顶部流动，所以用于破碎甲醇的微界面发生器设置在上部，破碎合成气的微界面发生器设置在下部，这样的排布方式也是充分考虑了安全性、反应效率等多方面的因素，合成气通过微界面发生器充分破碎分散后，也会更加大概率的通过位于微界面发生器上部的分布器以实现更为均匀的分布。

本实用新型在微界面发生器出口处还设置有分布器，通过分布器上的分布孔使微气泡沿分布孔向不同的方向流动，从而促进微气泡的均匀分布。可见，本实用新型通过将分布器与微界面发生器结合应用，并结合反应器的结构，提高了微界面发生器本身的应用效果。

另外，本实用新型的反应器中设置有第一档板、第二档板和过滤网，这些设置都是为了防止反应器内的固体催化剂沿出料口流出。其中，第一档板与第二档板间形成高度差使液体沿第一档板与第二档板间的间隙向下流动，第一档板与第二档板间的间隙形成缓流层，液体在缓流层中形成分层，底部分出的固体颗粒沿回流区流回反应区；过滤网对流出的液体物料进一步过滤，防止固体催化剂流出。

本领域所属技术人员可以理解的是，本实用新型所采用的微界面发生器在本实用新型人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。

另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本实用新型所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本实用新型微界面发生器可采用的其中一种形式而已。

此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。

由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本实用新型中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本实用新型的微界面发生器属于现有技术。

优选的，所述第一气液分离器的顶部出口依次连接有第一冷凝器、第二气液分离器和分离塔；所述第一气液分离器中的产物分离为气相物料和液相物料，气相物料经所述第一气液分离器的顶部出口进入所述第一冷凝器中。

优选的，所述反应区内设置有微气泡发生器，所述微气泡发生器位于所述微界面发生器的下方；所述第一气液分离器分离出的液相物料从所述第一气液分离器的底部流出，并经所述微气泡发生器流回所述反应器中。

优选的，所述第一气液分离器与所述微气泡分离器之间设置有循环泵和换热器，液相物料经循环泵进入换热器换热后，流入所述微气泡分离器中。通过控制换热器的循环水进液量能够实现反应器的温度控制。

优选的，所述分离塔设置有液相出口和气相出口；所述液相出口连接有再沸器；所述气相出口连接有第二冷凝器；所述分离塔分离出的混合气经所述第二冷凝器冷凝后一部分回流至所述第二冷凝器中，另一部分经所述甲醇管路流入所述反应器中。

本实用新型还提供了一种采用上述的微界面强化制备DMC的系统的制备方法，包括如下步骤：

将甲醇和合成气分别经微界面破碎后，与催化剂混合进行羰基化反应，再经气液分离后得到产物DMC；所述催化剂为氯化亚铜。

优选的，所述羰基化反应温度为110-115℃，压力为1.5-2.0MPa。

采用本实用新型的反应方法得到的DMC收率高。且该制备方法本身反应温度低、压力大幅度下降，成本显著降低。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的微界面强化制备DMC的系统通过反应器内设置的微界面发生器将甲醇和合成气分别分散破碎成了微米级的微气泡，提高了甲醇和合成气间的相界传质面积，提高了反应速率，减少了原料在反应器内的存留时间，从而减少了副反应的发生；同时能够有效地降低反应能耗，提高反应转化率；

(2)通过分布器上的分布孔使微气泡沿分布孔向不同的方向流动，从而促进微气泡的均匀分布；

(3)通过在反应器内设置第一档板和第二档板，利用第一档板和第二档板之间形成的分液区，能够有效将产物中的固体催化剂截留；

(4)通过过滤网对流出的液体物料进一步过滤，进一步防止固体催化剂流出。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例1提供的微界面强化制备DMC的系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的反应器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的分布器的结构示意图。

其中：

10-反应器； 101-甲醇进口；

102-合成气进口； 103-微界面发生器；

104-分布器； 1041-分布孔；

105-微气泡发生器； 106-第一档板；

107-第二档板； 108-引导板；

109-过滤网； 1010-出料口；

20-蒸发器； 30-甲醇管路；

40-合成气管路； 50-第一气液分离器；

60-第一冷凝器； 70-第二气液分离器；

80-第二冷凝器； 90-分离塔；

100-再沸器； 110-换热器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更加清晰的对本实用新型中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例1

参阅图1-3所示，本实用新型提供了一种微界面强化制备DMC的系统，包括：反应器10和第一气液分离器50；反应器10的侧壁设置有出料口1010；反应器10中反应得到的产物经出料口1010进入第一气液分离器50中。

如图2所示，反应器10内设置有第一档板106，第一档板106与出料口1010的出料方向垂直；第一档板106的高度低于出料口1010；第一档板106将反应器10内部分成反应区和出料区；第一档板106位于出料口1010的一侧为出料区；第一档板106与出料口1010之间设置有第二档板107，第二档板107与第一档板106平行；第二档板107的高度高于出料口1010；第一档板106与第二档板107间形成分液区；出料口1010处设置有过滤网109。

第一档板106与第二档板107均固定在反应器10的内壁上且第一档板106与第二档板107的底部均与反应器10的底壁存在间距；第二档板107底部与反应器10底部形成回流区。第一档板106与第二档板107间的间隙形成缓流层，液体在缓流层中形成分层，底部分出的固体颗粒沿回流区流回反应区。

其中，第一档板106的底部设置有弧形的引导板108；经分液区分离出的固体物料沿引导板108流回反应区。第一档板106的高度与出料口1010的底部平齐。第一档板106与第二档板107间形成高度差，利用该高度差去除液体中混杂的固体颗粒物。

继续参阅图2，反应区的侧壁由上至下依次设置有甲醇进口101和合成气进口102；甲醇进口101连接有甲醇管路30，合成气进口102连接有合成气管路40；甲醇管路30上设置有蒸发器20；反应区内设置有两个微界面发生器103，两个微界面发生器103出口相对；位于上方的微界面发生器103通过甲醇进口101与甲醇管路30相连，位于下方的微界面发生器103通过合成气进口102与合成气管路40相连，两个微界面发生器103的出口处均设置有分布器104。

如图3所示，分布器104呈锥形，分布器104上设置有多个分布孔1041，分布孔1041与分布器104的器壁垂直。这样设置能够使微气泡沿分布孔1041向不同的方向流动，从而促进微气泡的均匀分布。

参阅图1，第一气液分离器50的顶部出口依次连接有第一冷凝器60、第二气液分离器70和分离塔90；第一气液分离器50中的产物分离为气相物料和液相物料，液相物料主要为未反应的甲醇。气相物料经第一气液分离器50的顶部出口进入第一冷凝器60中，再经第一冷凝器60进入第二气液分离器70，第二气液分离器70将产物中的气体进一步分离，液体流入分离塔90中。第二气液分离器70分离出的气体主要为水、一氧化碳和二氧化碳。

其中，反应区内设置有微气泡发生器105，微气泡发生器105位于微界面发生器103的下方；第一气液分离器50分离出的液相物料从第一气液分离器50的底部流出，并经微气泡发生器105流回反应器10中。

继续参阅图1，第一气液分离器50与微气泡分离器之间设置有循环泵和换热器110，液相物料经循环泵进入换热器110换热后，流入微气泡分离器中。通过控制换热器110的循环水进液量能够实现反应器10的温度控制。

分离塔90设置有液相出口和气相出口；液相出口连接有再沸器100；气相出口连接有第二冷凝器80；分离塔90分离出的混合气经第二冷凝器80冷凝后一部分回流至第二冷凝器80中，另一部分经甲醇管路30流入反应器10中。

反应时，将甲醇和混合气同时通入反应器10中，经微界面发生器103分别分散为微气泡后，在催化剂的参与下进行反应，反应产物经第一气液分离器50第二气液分离器70和分离塔90提纯后，得到产物DMC。

其中，反应具体的工艺参数如下表：

甲醇转化率＝转化的甲醇摩尔量/进料甲醇摩尔量，

DMC收率＝产出DMC的摩尔流量/进料甲醇摩尔量。

由上表可以看出，甲醇的单程转化率达到了18.44％(现有工艺一般为10-15％)，DMC的收率达到16.39％(现有工艺一般为8-12％)。反应温度为115℃，压力为1.8MPa，而现有的反应温度一般为120-125℃，压力为2.2-2.5MPa，可见，本实施例的系统相对于现有工艺温度和压力显著降低。

实施例2

本实施例与实施例1仅在工艺参数上有所不同，具体的工艺参数如下表：

其中，反应温度为110℃，压力为1.5MPa。

经计算，甲醇的单程转化率达到了18.87％，DMC的收率达到16.99％。可见，本实施例的系统相对于现有工艺温度和压力显著降低。

实施例3

其中，反应温度为115℃，压力为2MPa。

经计算，甲醇的单程转化率达到了18.81％，DMC的收率达到16.24％。可见，本实施例的系统相对于现有工艺温度和压力显著降低。

总之，与现有技术的相比，本实用新型的反应系统所需反应温度和压力低，副反应少、甲醇转化率高，值得广泛推广应用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，包括：反应器和第一气液分离器；所述反应器的侧壁设置有出料口；所述反应器中反应得到的产物经所述出料口进入所述第一气液分离器中；

2.根据权利要求1所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述第一档板与所述第二档板均固定在所述反应器的内壁上且所述第一档板与所述第二档板的底部均与所述反应器的底壁存在间距；所述第二档板底部与所述反应器底部形成回流区。

3.根据权利要求1所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述分布器呈锥形，所述分布器上设置有多个分布孔，所述分布孔与所述分布器的器壁垂直。

4.根据权利要求1所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述第一档板的底部设置有弧形的引导板；经所述分液区分离出的固体物料沿所述引导板流回所述反应区。

5.根据权利要求1所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述第一档板的高度与所述出料口的底部平齐。

6.根据权利要求1所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述第一气液分离器的顶部出口依次连接有第一冷凝器、第二气液分离器和分离塔；所述第一气液分离器中的产物分离为气相物料和液相物料，气相物料经所述第一气液分离器的顶部出口进入所述第一冷凝器中。

7.根据权利要求6所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述反应区内设置有微气泡发生器，所述微气泡发生器位于所述微界面发生器的下方；所述第一气液分离器分离出的液相物料从所述第一气液分离器的底部流出，并经所述微气泡发生器流回所述反应器中。

8.根据权利要求6所述的微界面强化制备DMC的系统，其特征在于，所述分离塔设置有液相出口和气相出口；所述液相出口连接有再沸器；所述气相出口连接有第二冷凝器；所述分离塔分离出的混合气经所述第二冷凝器冷凝后一部分回流至所述第二冷凝器中，另一部分经所述甲醇管路流入所述反应器中。