JP3238823U - 石炭からエタノールを製造する反応システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本考案の反応システムは、エネルギー消費量を低減し、反応温度を低下させ、原料の利用率を向上させると同時に、生産能力を効果的に向上させる。【解決手段】本考案は、石炭からエタノールを製造する反応システムを提供し、前記反応システムは、順次接続された、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットと、ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットとを含み、前記メタノールは石炭をガス化して製造されたものであり、前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットはジメチルエーテル反応器を含み、メタノールは前記ジメチルエーテル反応器に導入されて気相接触脱水反応を行い、前記ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットはカルボニル化反応器を含み、前記カルボニル化反応器の外側に第１のマイクロ界面発生装置が設けられており、前記ストリッピング塔から分離されたジメチルエーテルと一酸化炭素とが前記第１のマイクロ界面発生装置に導入され、第１のマイクロ界面発生装置で分散破砕された後、前記カルボニル化反応器に入って反応する。【選択図】図１
Description
本考案は、石炭からエタノールを製造する分野に関し、具体的には、石炭からエタノールを製造する反応システムに関する。
世界中でエタノールの生産方法には、食糧発酵方法、石油化学方法、石炭、天然ガスなどのＣ１化学方法がある。食糧発酵方法は国際的に広く応用されており、大手のエタノール生産企業はほとんど食糧発酵技術を採用している。「食糧危機」の影響のため、中国国内では現在、トウモロコシを燃料としたエタノールの新規建設プロジェクトの認可が停止されている。タピオカとトウモロコシの茎を発酵させるセルロースを燃料としたエタノールプロジェクトはその生産コストが高く、国の補助金に過度に依存し、生産技術が完備していないなどの要素により経済効果がよくない。石油化学方法はエチレンを原料とし、エチレン水和により燃料エタノールを製造する。中国の石油は大きく輸入に依存しており、エチレン価格はエタノール価格より高い場合が多く、それにより、この方法の中国での応用と普及が制限されてしまう。
石炭、天然ガスなどのＣ１化学方法は、石炭や天然ガスを原料として合成ガスとメタノールを製造した後、ジメチルエーテル法や酢酸法でエタノールを得る方法であり、この方法は、石炭を原料とし、また中国の石炭資源が豊富であるため、現在最も広く応用されている。しかしこの方法には反応圧力が高く、温度が高く、エネルギー消費量が高く、原料の利用率が低く、生産能力が低いなど一連の問題がある。
これを考慮して、本発明を提案する。
考案の第１の目的は、石炭からエタノールを製造する反応システムを提供することであり、この反応システムは、反応システムとマイクロ界面発生装置とを組み合わせることで、エネルギー消費を低減し、反応温度を下げ、反応の収率を高め、特に反応気相の利用率を高めるとともに、生産能力を効果的に高め、更に製品の品質と収率を高め、さらに設備のコストを節約し、設備の占有面積を節約するという役割を果たす。
本発明の第２の目的は、上記反応系を用いて石炭からエタノールを製造する反応法を提供することである。この反応法は、反応原料を完全に分散・破砕し、反応の質量移動効率を向上させ、転化率を向上させる。反応原料の、そしてまた生成物の収量はそれに応じて増加します。
本発明の上記の目的を実現するために、以下の技術的解決策が特別に採用される。本発明は、石炭からエタノールを製造するための反応システムを提供し、順次接続された、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットと、ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットとを含み、
前記エタノールは石炭をガス化して製造されたものであり、
前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットはジメチルエーテル反応器を含み、
メタノールは前記ジメチルエーテル反応器に導入されて気相接触脱水反応を行い、反応生成物が第１の精留塔に入ってジメチルエーテルが精製され、精留後の気相が洗浄塔に送られて気相のジメチルエーテルが回収され、精留後の液相がストリッピング塔に送られてメタノールとジメチルエーテルが分離され、分離されたジメチルエーテルはジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットに送られ、
前記ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットはカルボニル化反応器を含み、前記カルボニル化反応器の外側には、第１のマイクロ界面発生装置が設けられており、前記ストリッピング塔から分離されたジメチルエーテルと一酸化炭素が前記第１のマイクロ界面発生装置に導入され、
前記第１のマイクロ界面発生装置で分散粉砕された後、前記カルボニル化反応器に入って反応し、前記カルボニル化反応器は第２のマイクロ界面発生装置に接続されて、カルボニル化生成物を前記第２のマイクロ界面発生装置に導入し、前記第２のマイクロ界面発生装置には水素ガスが同時に導入され、前記第２のマイクロ界面発生装置で分散破砕された後、水素化反応器に入って酢酸メチルの水素化反応を行い、水素化反応後の反応生成物について第２の精留塔でメタノールとエタノールとが分離され、エタノールが得られる、ことを特徴とする石炭からエタノールを製造する反応システム。
前記エタノールは石炭をガス化して製造されたものであり、
前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットはジメチルエーテル反応器を含み、
メタノールは前記ジメチルエーテル反応器に導入されて気相接触脱水反応を行い、反応生成物が第１の精留塔に入ってジメチルエーテルが精製され、精留後の気相が洗浄塔に送られて気相のジメチルエーテルが回収され、精留後の液相がストリッピング塔に送られてメタノールとジメチルエーテルが分離され、分離されたジメチルエーテルはジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットに送られ、
前記ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットはカルボニル化反応器を含み、前記カルボニル化反応器の外側には、第１のマイクロ界面発生装置が設けられており、前記ストリッピング塔から分離されたジメチルエーテルと一酸化炭素が前記第１のマイクロ界面発生装置に導入され、
前記第１のマイクロ界面発生装置で分散粉砕された後、前記カルボニル化反応器に入って反応し、前記カルボニル化反応器は第２のマイクロ界面発生装置に接続されて、カルボニル化生成物を前記第２のマイクロ界面発生装置に導入し、前記第２のマイクロ界面発生装置には水素ガスが同時に導入され、前記第２のマイクロ界面発生装置で分散破砕された後、水素化反応器に入って酢酸メチルの水素化反応を行い、水素化反応後の反応生成物について第２の精留塔でメタノールとエタノールとが分離され、エタノールが得られる、ことを特徴とする石炭からエタノールを製造する反応システム。
本考案にかかる石炭からエタノールを製造する反応システムでは、カルボニル化反応器及び水素化反応器の両方の前にマイクロ界面発生装置を設けることにより、入ってくる気相をマイクロバブルに分散破砕して物質移動効果を高め、マイクロ界面発生装置の内部に液相を導入する主な作用は、ガスの分散破砕と連携して、媒体として作用することである。
さらに、本考案の反応システムにおいては、カルボニル化反応器及び水素化反応器の両方の前にマイクロ界面発生装置を設ける必要があるのは、二つの反応器内で行われる反応が全て気液二相の反応であり、設けられるマイクロ界面発生装置が気相を分散して破壊する役割を果たし、マイクロ界面生成器が設けられることで、ジメチルエーテルをガス化する必要がなくなり、マイクロ界面発生装置によって一酸化炭素と混合して粉砕することができ、このようにして操作ステップを簡略化するためであり、このことから、マイクロ界面の考案自体の構造は先行技術であるが、このマイクロ界面発生装置を設ける位置は設計実践を通じて得られたものであり、異なる反応の異なる特徴に基づいて特定の設計を行う必要があることがわかる。
好ましくは、第１のマイクロ界面発生装置も第２のマイクロ界面発生装置も個数が一意ではなく、物質移動効果を向上させるために、それに応じて設ける個数を増加させることができ、設ける態様は上から下に順に設けることが好ましく、各マイクロ界面発生装置は並列の関係にあることが好ましい。
上記第１のマイクロ界面発生装置及び第２のマイクロ界面発生装置は、いずれも空気圧であり、マイクロ界面発生装置に気相を導入し、液相と直接接触させた後、マイクロバブルに破砕することにより、物質移動効果を向上させる。
もちろん、マイクロ界面発生装置を反応器外に設けるに加えて、マイクロ界面発生装置を反応器の内部に設けることもできるが、最も好ましくは、マイクロ界面発生装置を反応器の前に設け、そして、カルボニル化反応器及び水素化反応器の両方の前にマイクロ界面発生装置を設けなければならず、このように反応中の圧力があまりかからないようにするに加えて、原料をガス化する必要もなくなり、より集中的に操作するのに有利であり、また設備操作の安全性も高まり、もし１つのマイクロ界面発生装置を省略すると、プロセス全体における材料の圧力の制御性が低下して、圧力にムラが生じ、また十分にエネルギー消費を低減する効果を達成することができないためである。
当業者が理解できるように、本考案に採用されたマイクロ界面発生装置は、本考案の先行特許、例えば出願番号ＣＮ２０１６１０６４１１１９．６、２０１６１０６４１２５１．７、ＣＮ２０１７１０７６６４３５．０、ＣＮ１０６１８７６６０、ＣＮ１０５９０３４２５Ａ、ＣＮ１０９４３７３９０Ａ、ＣＮ２０５８３３１２７Ｕ及びＣＮ２０７５８１７００Ｕの特許においてすでに具体化されている。先行特許ＣＮ２０１６１０６４１１１９．６において、ミクロン気泡発生装置（即ち、マイクロ界面発生装置）の具体的な製品構造及び動作原理を詳細に紹介しており、当該出願書類には、「ミクロン気泡発生装置は本体と２次破砕部材とを含み、本体にはキャビティがあり、本体にはキャビティと連通する入口が設けられており、キャビティの対向する第１の端と第２の端はいずれも開放されており、キャビティの断面積はキャビティの中間部からキャビティの第１の端と第２の端に向かって減少し、２次破砕部材は、キャビティの第１の端及び第２の端の少なくとも一方に設けられ、２次破砕部材の一部はキャビティ内に設けられ、２次破砕部材とキャビティの両端に開口した貫通孔との間に環状通路が形成される。ミクロン気泡発生装置は、吸気管と、給液管とをさらに含む。」が記載されている。当該出願書類に開示された具体的な構造から、その具体的な動作原理が次の通りであることが分かる。液体は給液管を通って接線方向に沿ってミクロン気泡発生装置内に入り、超高速で回転して気体を切断し、気体の気泡を粉砕してミクロンレベルのマイクロバブルにすることで、液相と気相との間の物質移動面積を増大し、しかもこの特許におけるミクロン気泡発生装置は空気圧マイクロ界面発生装置に属する。
また、先行特許２０１６１０６４１２５１．７には、１次気泡破砕器に循環液入口、循環ガス入口及び気液混合物出口があり、２次気泡破砕器は、供給口と気液混合物出口を連通していることが記載されており、気泡破砕器には気液混合が必要であることを示し、また、後の図面から分かるように、１次気泡破砕器は主に循環液を動力として利用し、したがって、実際には１次気泡破砕器は油圧式マイクロ界面発生装置であり、２次気泡破砕器は気液混合物を楕円形の回転球に同時に導入して回転させることで、回転の過程で気泡破砕を実現するので、２次気泡破砕器は実際には空気圧油圧ハイブリッドマイクロ界面発生装置である。実際には、油圧式マイクロ界面発生装置であっても、空気圧油圧ハイブリッドマイクロ界面発生装置であっても、いずれもマイクロ界面発生装置の具体的な形態であるが、本考案に採用されているマイクロ界面発生装置は上記のいくつかの形態に限定されるものではなく、先行特許に記載されている気泡破砕器の具体的な構造は本考案のマイクロ界面発生装置が採用できる形態の１つにすぎない。
その他、先行特許２０１７１０７６６４３５．０には、「気泡破砕器の原理は高速ジェットで気体同士を衝突させることである」が記載されており、マイクロ界面強化反応器に用いることができることも記載されており、自身の気泡破砕器とマイクロ界面発生装置との間の関連性が検証されており、且つ、先行特許ＣＮ１０６１８７６６０には、気泡破砕器の具体的な構造についても関連する記載があり、具体的には、明細書の［００３１］－［００４１］段落、及び図面の部分を参照し、気泡破砕器Ｓ－２の具体的な動作原理について詳しく説明しており、気泡破砕器の頂部は液相の入口であり、側面は気相の入口であり、頂部から入ってきた液相を通じて吸引力を提供することによって、超微細気泡に粉砕する効果を達成し、図面からもわかるように、気泡破砕器はテーパーの構造をしており、上部の直径は下部の直径より大きく、これは、液相により良い吸引力を提供するためである。
先行特許出願の初期には、マイクロ界面発生装置は開発されたばかりなので、早期にはミクロン気泡発生装置（ＣＮ２０１６１０６４１１１９．６）、気泡破砕器（２０１７１０７６６４３５．０）等と命名されたが、技術改良に伴い、後期にはマイクロ界面発生装置の名称に変更され、現在、本考案におけるマイクロ界面発生装置は以前のミクロン気泡発生装置、気泡破砕器等に相当するが、名称が異なるだけである。
以上のように、本考案のマイクロ界面発生装置は従来技術に属するものであり、気泡破砕器のうち空気圧気泡破砕器も、油圧式気泡破砕器のタイプも、空気圧油圧ハイブリッド気泡破砕器のタイプもあるものの、タイプは主に具体的な作動状況によって選択され、また、マイクロ界面発生装置と反応器、その他の設備との接続については、接続構造、接続位置を含め、マイクロ界面発生装置の構造によって異なり、ここでは限定されない。
本考案の反応システムは、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットと、ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットという２つのユニットを含む。
このうち、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットは、ジメチルエーテル反応器、第１の精留塔、洗浄塔及びストリッピング塔を主な設備として含む。
メタノールはまずジメチルエーテル反応器内において反応温度２５０～２７０℃、圧力１．２ＭＰａで気相接触脱水反応を行い、ジメチルエーテルを生成し、触媒は一般的にモレキュラーシーブ、例えばＺＳＭモレキュラーシーブ、リン酸アルミニウムやγ－Ａｌ2Ｏ3を用いる。メタノールの脱水によるジメチルエーテルの生成は発熱反応であり、反応器の出口の製品ガスの温度は３２０℃～３３０℃である。主反応生成物はジメチルエーテルと水であり、副反応生成物は炭素の酸化物、メタンや炭化水素などである。
好ましくは、メタノールからジメチルエーテルへの反応ユニットは、メタノールポンプを含み、メタノールポンプによって輸送されたメタノールの一部は、ジメチルエーテル反応器に送られる。すなわち、ジメチルエーテル反応器内のメタノール原料はメタノールポンプによって送られ、洗浄塔へのメタノールの一部は洗浄塔においてメタノール又はメタノール－水溶液を洗浄溶媒としてジメチルエーテルを吸収回収するためのものである。
好ましくは、メタノールからジメチルエーテルへの反応ユニットは熱交換器を含み、熱交換器は、生のメタノールと気相接触脱水反応生成物との間の熱交換のために使用される。
好ましくは、熱交換器は、ジメチルエーテル反応器と第１の精留塔との間に配置され、予熱器もまた、熱交換器とジメチルエーテル反応器との間に配置される。メタノールの脱水によるジメチルエーテルの製造は発熱反応であるからこそ、予熱器と熱交換器が設けられ、熱交換は反応生成物と原料を熱交換することで熱を効果的に利用することを図ることができる。
反応生成物が熱交換を経た後、第１の精留塔及びストリッピング塔に順次入って精製されると、比較的純粋なジメチルエーテル製品が後続のエタノール合成用に形成され得る。
好ましくは、第１の精留塔の上部およびストリッピングカラムの上部は、再利用のためにメタノールを戻すためのパイプを介して洗浄カラムと連絡されている。
第１の精留塔の主な役割はジメチルエーテル製品を精製することであり、ストリッピング塔の主な役割はメタノールを回収することであり、第１の精留塔の頂部で回収された気相メタノールは塔頂凝縮器で液化された後、一部は第１の精留塔に還流され、他の一部は洗浄塔に送られ、返送されたメタノールは直接反応原料として利用することもできる。
第１の精留塔の底部から出てくる材料は、大部分がジメチルエーテルであり、少量がメタノールであり、次に、ストリッピング塔に入ってメタノールの回収を行い、ストリッピング塔の頂部から出たメタノールは洗浄塔に送られ、同様にそのまま反応原料とすることができ、ストリッピング塔の底部にはストリッピングに動力を与える循環蒸気ラインが設けられ、ストリッピング過程で発生した廃水を直接排出する廃水排出口がさらに設けられている。
好ましくは、第１の精留塔およびストリッピング塔の両方にサイドドローが設けられ、そして２つのサイドドローは合流しており、第１のマイクロインターフェース発生器に接続されている。第１の精留塔とストリッピング塔との主な製品の抜き出しは、設けられたサイドライン抜き出し口によって行われ、２つのサイドライン抜き出し口が合流した後、ジメチルエーテル製品は、第１のマイクロ界面発生装置に送られて、後続のエタノール合成プロセスに用いられる。
本考案のジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットは、主にカルボニル化反応器、分離塔、水素化反応器及び第２の精留塔を含む。
好ましくは、カルボニル化反応を行うカルボニル化反応器のタイプは固定床反応釜であり、固定床反応釜内の触媒が床層に固定されており、一般に固定床層が３層設けられていれば触媒の反応要件を満たすことができる。
メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットからのジメチルエーテル製品はガス化することを必要とせずに、そのまま第１のマイクロ界面発生装置に導入され、また、第１のマイクロ界面発生装置には一酸化炭素が導入され、一酸化炭素は液相ジメチルエーテルの作用により微細な気泡に粉砕されて、カルボニル化反応器に入ってカルボニル化反応を行い、反応効果を高めるために、カルボニル化反応器の側壁及び頂部の両方に供給口が設けられ、側壁の供給口は２つの固定床層の間に設けることが好ましい。
好ましくは、分離カラムは、カルボニル化生成物中の気相不純物を除去するために、カルボニル化反応器と第２のマイクロインターフェース発生器との間に配置される。一酸化炭素とジメチルエーテルとは触媒の作用下でカルボニル化反応を起こしてカルボニル化生成物を得て、カルボニル化生成物は、主成分として酢酸メチルであり、また未反応のジメチルエーテルも含まれており、分離塔でストリッピングされた後、分離塔の塔頂は主に未反応のジメチルエーテルであり、分離塔の塔頂に設けられた分離タンクでカルボニル化反応のフィードとして直接第１のマイクロ界面発生装置に戻ることができ、分離タンクの底部から出た液相は直接分離塔に戻ってストリッピング分離精製を再び行う。
分離塔の底部から出てくる物質は主に酢酸メチルであり、ポンプによって第２のマイクロ界面発生装置に送られ、第２のマイクロ界面発生装置の作用効果を高めるために、酢酸メチルは予熱器で予熱された後に第２のマイクロ界面発生装置に導入される。第２のマイクロ界面発生装置には水素ガスが同時に導入され、水素ガスは液相の酢酸メチルの作用下で微細な気泡に粉砕され、水素化反応器に入って水素化反応を行う。
好ましくは、水素化反応を行う水素化反応器のタイプは固定床反応釜であり、固定床反応釜内の触媒は床層に固定されており、水素化反応の触媒としては一般的にニッケル系触媒が用いられ、好ましくは担持ニッケル系触媒であってもよく、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物で変性されたニッケル系触媒が用いられてもよい。
酢酸メチルは水素化反応を行った後メタノールとエタノールを生成し、その後、塔頂操作圧力約０．０３ＭＰａの第２の精留塔に入ってエタノール精製を行い、塔頂の蒸気を６１．７℃まで凝縮し、凝縮後の液相（大量はメタノール）の一部を第２の精留塔に戻し、残りをメタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットに送り、反応原料としてジメチルエーテルを製造する。
好ましくは、メタノール出口は、第２の精留塔の上部に提供され、メタノール出口は、再利用のためにメタノールを戻すためのパイプラインを介して洗浄塔と連絡され、生成物は、第２の精留塔の底部に提供される。生成物エタノールの抽出に使用されます。
メタノール出口から出た物質は、塔頂凝縮器で凝縮された後、一部は再び第２の精留塔に戻され、他の一部はパイプラインを介してメタノールを再利用するために前記洗浄塔に連通する。
第２の精留塔の底部に設けられた製品抜き出し口は精製エタノールを抜き出すものであり、温度が約１０１℃であり、抜き出し口での精製エタノールはエタノール冷却器で４０℃まで冷却した後、エタノールバッファタンクを経てポンプによりエタノール製品タンクゾーンに送られ、中間タンクゾーンにエタノール不良品タンクが設けられ、運転時や製造異常時に使用される。第２の精留塔は、エタノール精製を行う過程で塔底から酢酸を主成分とした精留廃液が少量発生し、常温まで冷却された後、重質成分タンクに供給、貯蔵される。
本発明はまた、石炭からエタノールを製造するための反応方法を提供する。
原料のメタノールを気相接触脱水、精留、ストリッピングしてジメチルエーテルを得る。
ジメチルエーテルと一酸化炭素を混合・分散・粉砕した後、カルボニル化反応を行い、カルボニル化反応生成物を得る。
カルボニル化反応生成物を水素と混合・分散・破砕し、水素化反応させた後、精留によりエタノールを得る。
原料のメタノールを気相接触脱水、精留、ストリッピングしてジメチルエーテルを得る。
ジメチルエーテルと一酸化炭素を混合・分散・粉砕した後、カルボニル化反応を行い、カルボニル化反応生成物を得る。
カルボニル化反応生成物を水素と混合・分散・破砕し、水素化反応させた後、精留によりエタノールを得る。
好ましくは、カルボニル化反応の圧力は２．５〜３．０ＭＰａであり、カルボニル化反応の温度は２００〜２３０℃である。
好ましくは、水素化反応の圧力は２．５〜３．０ＭＰａであり、水素化反応の温度は２００〜２１０℃である。
従来技術では、ジメチルエーテルのカルボニル化反応は、温度２４０～２６０℃、圧力５．０ＭＰａとされ、水素化反応は、温度２３０～２６０℃、圧力５．０ＭＰａとされるが、温度を高めることは触媒の反応活性と生成物の選択性を明らかに高めることができるが、反応温度が高すぎると触媒の不活性化を促進し、反応圧力が高いとカルボニル化反応が進行しやすくなり、ジメチルエーテルの変換が促進されるが、反応圧力が高すぎると原料や生成物が液化してしまい、触媒の不活性化を促進し、このため、本考案の反応方法を採用することにより、反応温度、反応圧力を適切に低下させて触媒の活性を保証するだけでなく、エネルギー消費量を低減すると同時に反応効果も保証し、収率及び原料転化率は依然として高いレベルを維持している。
本考案における石炭からエタノールを製造する反応システムを用いて得られるエタノールは、収率が高く、純度が高く、９９．９％に達する。
本考案の石炭からエタノールを製造する反応方法は、反応温度が低く、圧力が大幅に低下し、液時空間速度が高く、生産能力を高め、製品の収率を高める。
従来技術に比べて、考案の有益な効果は次の通りである。
（１）本考案の石炭からエタノールを製造する反応システムはカルボニル化反応器、水素化反応器及びマイクロ界面発生装置を組み合わせることで、エネルギー消費量を下げ、反応温度を下げ、反応収率を高め、原料の利用率を高める。
（２）本考案の石炭からエタノールを製造する反応システムは、マイクロ界面発生装置を特定の位置に設けることにより、操作ステップを簡素化し、プロセス全体のエネルギー消費量を低減するのに最も有利である。
（３）本考案の石炭からエタノールを製造する反応方法は、反応温度が低く、圧力が大幅に低下し、液時空間速度が高く、生産能力が向上し、反応により得られるエタノールは、収率が高く、純度が高く、製品純度が９９．９％に達する。
好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むと、他の様々な利点および利点が当業者に明らかになるであろう。 図面は、好ましい実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を限定すると見なされるべきではない。 また、同じ構成要素は、図面全体を通して同じ参照番号で示されている。
本発明の技術的解決策は、添付の図面および特定の実施形態を参照して以下に明確かつ完全に説明されるが、当業者は、以下に記載される実施形態が本発明の実施形態の一部であるが、すべてではないことを理解する。実施例は、本発明の発明を説明するためにのみ使用され、本発明の本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。 本発明の発明における実施形態に基づいて、創造的な作業なしに当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本発明の本発明の保護範囲に含まれる。 実施例に特定の条件が示されていない場合は、従来の条件またはメーカーが推奨する条件に従って実施します。 メーカーの指示なしに使用される試薬または機器は、市場から購入できる従来の製品です。
本発明の説明において、「中央」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内側」および「外側」という用語に留意されたい。等によって示される配向または位置関係は、添付の図面に示される配向または位置関係に基づくものであり、これは、参照される装置または要素を示すまたは暗示するのではなく、本発明を説明し、説明を簡略化するための便宜のためだけである。特定の配向を有する必要があり、したがって、それは、本発明の発明に対する制限として解釈されるべきではない。 さらに、「第1」、「第2」、および「第3」という用語は、説明目的でのみ使用されており、相対的な重要性を示したり暗示したりするものと解釈されるべきではありません。
本発明の技術的解決策をより明確に説明するために、以下の説明が特定の実施形態の形で与えられている。
図１には、本考案の実施例に係る石炭からエタノールを製造する反応システムの具体的な構造模式図が示されており、この反応システムは、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットとジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットという２つのユニットを含む。
このうち、ジメチルエーテル反応ユニットは、ジメチルエーテル反応器１０、第１の精留塔４０、洗浄塔１４０、及びストリッピング塔１５０を含み、原料メタノールは、メタノールポンプ１３０によって、一部がジメチルエーテル反応器１０に送られ、他の一部が洗浄塔１４０に送られて、洗浄塔１４０内でメタノール又はメタノール水溶液の形の洗浄溶媒を形成して気相のジメチルエーテルを吸収する。メタノールはジメチルエーテル反応器１０に入って気相接触脱水反応を行った後、反応生成物は第１の精留塔４０に入ってジメチルエーテルの精製を行い、精留後の塔頂気相（主に少量の気相ジメチルエーテル及びメタノール等）は洗浄塔１４０に送られて気相ジメチルエーテルの回収を行い、又は直接ジメチルエーテル反応器１０に戻って反応原料として利用することもできる。
第１の精留塔４０の塔頂には塔頂凝縮器４０１があり、塔頂気相は塔頂凝縮器４０１を通過した後、一部は再び第１の精留塔４０に戻り、他の一部は塔頂凝縮器４０１から洗浄塔１４０に送られる。第１の精留塔４０の塔底には塔釜再沸器４０２が設けられ、塔釜再沸器４０２の作用により、塔釜から流出した生成物（主に液相のジメチルエーテル）はストリッピング塔１５０に送られてストリッピング精製操作を行い、ストリッピング塔１５０の塔釜にはストリッピングの動力を与えるための蒸気ラインが設けられており、ストリッピング塔１５０の塔頂からの物質は主に気相のメタノールであり、洗浄塔１４０に戻るか、又は直接ジメチルエーテル反応器１０に戻ってメタノール原料として反応を行い、ストリッピング塔１５０の塔底には、ストリッピング過程で発生した廃水を直接排出する廃水排出口が設けられている。
第１の精留塔４０とストリッピング塔１５０の両方に製品ジメチルエーテルを抜き出するためのサイドライン抜き出し機構が設けられ、両者のサイドラインから抜き出したものは合流した後、エタノールの反応原料としてジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットに送られる。
ジメチルエーテル反応器１０と第１の精留塔４０との間には、原料メタノールを気相接触脱水反応生成物と熱交換するための熱交換器３０が設けられており、熱交換器３０とジメチルエーテル反応器１０との間には、ジメチルエーテル反応器１０に入った原料を予熱し、ジメチルエーテル反応器１０の反応効率を向上させるための予熱器２０が設けられている。
ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットは、カルボニル化反応器７０、第１のマイクロ界面発生装置５０、分離塔８０、第２のマイクロ界面発生装置９０、水素化反応器１１０、及び第２の精留塔１２０を含む。
第１の精留塔４０とストリッピング塔１５０とに設けられたジメチルエーテル製品の抜き出しのためのサイドライン抜き出し口から抜き出したものは合流した後、第１のマイクロ界面発生装置５０に送られ、第１のマイクロ界面発生装置５０にはＣＯも導入され、一酸化炭素はＣＯ貯蔵タンク６０から供給され、一酸化炭素は、第１のマイクロ界面発生装置５０内でジメチルエーテルと混合した後分散粉砕され、カルボニル化反応器７０内に入ってカルボニル化反応を行い、カルボニル化反応生成物は、主成分が酢酸メチルであり、まだ未反応のジメチルエーテルも含まれており、分離塔８０でストリッピングされた後、分離塔８０の頂部は主に未反応のジメチルエーテルであり、分離塔８０の頂部に設けられた分離タンクを介してカルボニル化の反応のフィードとして直接第１のマイクロ界面発生装置５０に戻ることができ、分離タンクの底部から出た液相は直接分離塔８０に戻ってストリッピング分離精製を再び行う。分離塔８０の底部から出てくる物質は主に酢酸メチルであり、ポンプによって第２のマイクロ界面発生装置９０に送られ、第２のマイクロ界面発生装置９０の作用効果を向上させるために、酢酸メチルは、まず予熱器２０で予熱された後、第２のマイクロ界面発生装置９０に導入され、これと同時に、第２のマイクロ界面発生装置９０には水素ガスも導入され、水素ガスは水素貯蔵タンク１００から供給され、水素ガスは第２のマイクロ界面発生装置９０内で液相酢酸メチルと十分に混合されて微細な気泡に粉砕された後、水素化反応器１１０に入って水素化反応を行う。
酢酸メチルは水素化反応を行うとメタノールとエタノールを生成し、第２の精留塔１２０に送られてエタノール精製を行い、第２の精留塔１２０の頂部にメタノール出口１２０１が設けられ、メタノール出口１２０１はパイプラインを介してメタノールを戻して再利用するために洗浄塔１４０に連通し、第２の精留塔１２０の底部に製品エタノールを抜き出すための製品抜き出し口１２０２が設けられる。第２の精留塔１２０の塔頂には塔頂凝縮器が設けられており、塔釜には塔釜再沸器が設けられており、メタノール出口１２０１から出た物質は塔頂凝縮器で凝縮された後、一部は第２の精留塔１２０に戻り、一部は排出され、排出された部分は洗浄塔１４０に送られて洗浄剤として気相ジメチルエーテルを洗浄したり、直接ジメチルエーテル反応器１０に戻って反応原料として利用されたりすることができる。
本実施例の反応システムは、特定の位置にマイクロ界面発生装置を設けることにより、反応全体の物質移動効果を向上させ、エネルギー消費量を低減し、また原料の利用率を向上させる。
上述した実施例では、１つのマイクロ界面発生装置を設けることに限定されるのではなく、分散、物質移動の効果を高めるために、マイクロ界面発生装置を増設することもでき、取り付け位置も実際には制限されず、外付けしても内蔵してもよく、内蔵する場合、対向して設置するように釜内の側壁に取り付けられてもよく、このように、マイクロ界面発生装置の出口から出たマイクロバブルが対向して衝突されるが、もちろん、本考案では、外付けマイクロ界面発生装置を採用する方式が最も好ましい。
上記実施例では、ポンプの個数は特に限定がなく、必要に応じて対応する位置に設けられてもよい。
本考案の石炭からエタノールを製造する反応システムの動作過程及び原理を以下に簡単に説明する。
窒素ガスで反応システムの各設備をパージした後、運転させて操作を行い、原料メタノールは、まずジメチルエーテル反応器１０内で気相接触脱水反応を行い、次に第１の精留塔４０に送ら得て精留され、第１の精留塔４０の塔底から出た物質はストリッピング塔１５０に送られてストリッピングされた後、ジメチルエーテルを生成し、第１の精留塔４０の塔頂から出た物質は洗浄塔１４０に送られて気相ジメチルエーテルの回収を行い、第１の精留塔４０のサイドライン抜き出し機構及びストリッピング塔１５０のサイドライン抜き出し機構から抜き出したジメチルエーテルは第１のマイクロ界面発生装置５０に送られ、ＣＯと混合して分散破砕され、分散粉砕された混合物はカルボニル化反応器７０に入ってカルボニル化反応を行い、カルボニル化反応生成物は分離塔８０に送られてストリッピング分離された後、分離塔８０の塔底から出た後、第２のマイクロ界面発生装置９０に送られて水素と混合して分散粉砕された後、水素化反応器１１０に送られて水素化反応を行い、最後に、水素化反応生成物は第２の精留塔１２０に送られて精留され、最終製品である精製エタノールが得られる。
ここで、カルボニル化反応の圧力は２．５～３．０ＭＰａであり、カルボニル化反応の温度は２００～２３０℃である。
水素化反応の圧力は２．５～３．０ＭＰａであり、水素化反応の温度は２００～２１０℃である。
合成システム全体を円滑に動作させるために、以上の各ステップを繰り返す。
要するに、従来技術の石炭からエタノールを製造する反応システムと比べて、本考案の石炭からエタノールを製造する反応システムは、設備部品が少なく、占有面積が小さく、エネルギー消費量が低く、コストが低く、安全性が高く、反応制御が可能であり、原料転化率が高く、石炭からエタノールを製造する分野に操作性のより良好なマイクロ界面製造システムを提供し、広く普及、応用する価値がある。
最後に、上記の実施形態は、本発明の技術的解決策を説明するためにのみ使用され、それらを限定するものではないことに留意されたい。当業者は、以下を理解する必要がある：前述の実施形態に記載された技術的解決策は、依然として修正可能であるか、またはその技術的特徴の一部またはすべてを同等に置き換えることができ、これらの修正または置換は、本発明の実施形態の技術的解決策の範囲内で対応する技術的解決策の本質を逸脱させない。
１０－ジメチルエーテル反応器；２０－予熱器
３０－熱交換器；４０－第１の精留塔
４０１－塔頂復水器； ４０２－塔釜再沸器
５０－第１のマイクロ界面発生装置；６０－ＣＯ貯蔵タンク
７０－カルボニル化反応器； ８０－分離塔
９０－第２のマイクロ界面発生装置；１００－水素貯蔵タンク
１１０－水素化反応器；１２０－第２の精留塔
１２０１－メタノール出口；１２０２－製品抜き出し口
１３０－メタノールポンプ；１４０－洗浄塔
１５０－ストリッピング塔。
３０－熱交換器；４０－第１の精留塔
４０１－塔頂復水器； ４０２－塔釜再沸器
５０－第１のマイクロ界面発生装置；６０－ＣＯ貯蔵タンク
７０－カルボニル化反応器； ８０－分離塔
９０－第２のマイクロ界面発生装置；１００－水素貯蔵タンク
１１０－水素化反応器；１２０－第２の精留塔
１２０１－メタノール出口；１２０２－製品抜き出し口
１３０－メタノールポンプ；１４０－洗浄塔
１５０－ストリッピング塔。
Claims (8)
- 石炭からエタノールを製造する反応システムであって、
順次接続された、メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットと、ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットとを含み、
前記エタノールは石炭をガス化して製造されたものであり、
前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットはジメチルエーテル反応器を含み、
メタノールは前記ジメチルエーテル反応器に導入されて気相接触脱水反応を行い、反応生成物が第１の精留塔に入ってジメチルエーテルが精製され、精留後の気相が洗浄塔に送られて気相のジメチルエーテルが回収され、精留後の液相がストリッピング塔に送られてメタノールとジメチルエーテルが分離され、分離されたジメチルエーテルはジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットに送られ、
前記ジメチルエーテルからエタノールを製造する反応ユニットはカルボニル化反応器を含み、前記カルボニル化反応器の外側には、第１のマイクロ界面発生装置が設けられており、前記ストリッピング塔から分離されたジメチルエーテルと一酸化炭素が前記第１のマイクロ界面発生装置に導入され、前記第１のマイクロ界面発生装置で分散粉砕された後、前記カルボニル化反応器に入って反応し、前記カルボニル化反応器は第２のマイクロ界面発生装置に接続されて、カルボニル化生成物を前記第２のマイクロ界面発生装置に導入し、前記第２のマイクロ界面発生装置には水素ガスが同時に導入され、前記第２のマイクロ界面発生装置で分散破砕された後、水素化反応器に入って酢酸メチルの水素化反応を行い、水素化反応後の反応生成物について第２の精留塔でメタノールとエタノールとが分離され、エタノールが得られる、ことを特徴とする石炭からエタノールを製造する反応システム。 - 前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットはメタノールポンプを含み、前記メタノールは、メタノールポンプによって、一部が前記ジメチルエーテル反応器に送られ、他の一部が前記洗浄溶媒として前記洗浄塔に送られる、ことを特徴とする請求項１に記載の反応システム。
- 前記メタノールからジメチルエーテルを製造する反応ユニットは、原料メタノールと気相接触脱水反応生成物とを熱交換する熱交換器を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の反応システム。
- 前記熱交換器は、前記ジメチルエーテル反応器と前記第１の精留塔との間に設けられ、前記熱交換器と前記ジメチルエーテル反応器との間に予熱器がさらに設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の反応システム。
- 前記第１の精留塔の頂部及び前記ストリッピング塔の頂部は、メタノールを戻して再利用するために、パイプラインを介して前記洗浄塔に連通していることを特徴とする請求項１に記載の反応システム。
- 前記第１の精留塔と前記ストリッピング塔の両方にサイドライン抜き出し口が設けられ、両者のサイドライン抜き出し口が合流して前記第１のマイクロ界面発生装置に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の反応システム。
- 前記カルボニル化反応器と前記第２のマイクロ界面発生装置との間に、カルボニル化生成物中の気相不純物を除去するために分離塔が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の反応システム。
- 前記第２の精留塔の頂部には、メタノールを戻して再利用するためにパイプラインを介して前記洗浄塔に連通しているメタノール出口が設けられ、前記第２の精留塔の底部には、製品エタノールを抜き出すための製品抜き出し口が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の反応システム。
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