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催化蒸餾:二甲醚技術開始升級

如今,二甲醚作為民用燃料用于醇醚燃料和柴油汽車替代燃料的條件日趨成熟。此外,為配合環保形勢,二甲醚還將替代氟氯烴用于氣霧劑、致冷劑和發泡劑。毋庸置疑,二甲醚生產和應用前景非常光明。但目前二甲醚生產技術仍不盡完善,在一定程度上影響了項目規模、投資和能耗等指標,亟待取得突破。

日前,中國科學院大連化學物理研究所的最新研究成果向業界展示出一大亮點。他們成功開發出了二步法甲醇脫水制備二甲醚的升級換代技術 催化蒸餾制備二甲醚技術。記者就此采訪了該技術的主要研究者之一,大連化物所副研究員孫新德。

記者:中科院大連化物所已經研制出甲醇氣相脫水制二甲醚,為什么還要繼續開發催化蒸餾制備二甲醚技術呢?

孫新德:現有的二甲醚技術雖然已取得成功,但仍不盡完善。

目前二甲醚的生產方法有一步法和二步法。從理論上說,一步法與甲醇脫水二步法相比,具有工藝過程簡短、合成氣轉化率高等優點,但催化劑壽命短,設備復雜,反應產物分離難度大,能耗高,還不夠成熟,國內外尚無規模較大的生產裝置。

目前國內外公布的大型二甲醚建設項目絕大多數采用二步法工藝技術,說明該法有較強的綜合競爭力。二步法又可分為液相脫水法與氣相脫水法,國內分別以山東久泰化工有限公司的復合酸液相法、西南化工研究設計院和中科院大連化學物理研究所的氣相脫水法為代表,均已建成較大規模的生產裝置。這些技術還存在一些有待改進的地方,如流程較長、投資較大、能耗較高、副反應稍多。氣相法的甲醇轉化率較低(70%~80%),反應器床層溫升大,裝置不易大型化。針對以上問題,大連化物所提出將催化蒸餾技術應用于甲醇脫水制二甲醚過程,以實現技術升級換代。

記者:為什么選擇研發催化蒸餾技術作為二甲醚升級換代技術?

孫新德:催化蒸餾技術是讓催化反應過程和蒸餾分離過程在裝有催化劑的催化蒸餾塔中同時進行的一種化學工程方法,已經在甲基叔丁基醚的生產和其他許多化工過程中得到成功運用。

在甲醇脫水制二甲醚的反應體系中,甲醇的揮發度介于反應產物二甲醚和水之間,而且反應是放熱反應,特別適合采用催化蒸餾技術。在催化蒸餾塔中部的反應段中裝填催化劑,二甲醚和水分別從催化蒸餾塔的塔頂和塔釜排出,而甲醇則富集在催化蒸餾塔中部的反應段,在催化劑的作用下得以高效率地轉化。

大連化物所在氣相法固體酸催化甲醇脫水生產二甲醚固定床技術的基礎上,根據甲醇脫水反應的特點,開發出了催化蒸餾制備二甲醚新型催化劑和催化蒸餾技術。目前該技術已經申請6項專利。

記者:催化蒸餾技術與現有的二甲醚生產技術相比具有哪些優勢?

孫新德:大連化物所在催化蒸餾催化劑的活性、選擇性,特別是穩定性以及催化蒸餾工藝方面進行了大量的研究工作,并取得了重大突破。大連化物所研發的催化蒸餾技術的技術指標為:甲醇單程轉化率 95%,二甲醚選擇性 99.98%,原料消耗 1.405噸/噸,蒸汽消耗0.5噸/噸,二甲醚產品純度為99.9%。催化蒸餾催化劑具有很好的穩定性,在180℃以下可以長期運轉,二甲醚的選擇性高達99.99%。與傳統的甲醇脫水技術相比,新技術有如下優點:

一是該技術反應溫度易于控制,消除了傳統氣相法技術存在的易超溫的缺陷。

二是轉化率選擇性高。該技術打破了甲醇脫水反應的化學平衡限制,甲醇接近全部轉化,抑制了副反應的發生,提高了目的產物的選擇性,減少了二甲醚的蒸餾損失。甲醇單耗低。

三是節省投資和生產成本。該技術工藝流程簡單,減少了設備臺數,節省了投資;熱量利用充分,反應熱直接用作蒸發所需要的熱量。催化蒸餾技術裝置的投資約為氣相法技術的60%~70%,能耗僅為氣相法技術的40%。二甲醚生產成本大大降低。

四是催化劑壽命較長。催化蒸餾工藝中,反應生成的二甲醚及可能生成的微量烯烴副產物迅速離開反應區,富集到塔頂。它們在反應區液相的濃度很低,二甲醚生產烯烴的反應速度和烯烴生成積炭的反應速度都會受到很大的抑制。另外,在催化蒸餾工藝的反應條件下,主要含有醇的飽和液相物料擴散到催化劑顆粒中進行反應,反應后物料組分的變化使飽和蒸汽壓降低。這樣將有部分物料汽化,而汽化所吸收的熱量遠大于反應放出的熱量,使顆粒內部溫度低于表面溫度。這些因素都有利于延長催化劑的壽命。在催化蒸餾工藝中催化劑的壽命可達到2年。

該技術克服了現有技術存在的流程長、能耗高、投資大等問題,是二甲醚生產技術的重大進展,目前已經完成中試,并具備了實現工業化的條件。大連化物所期盼與相關企業合作,共同將該技術推向工業化。

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