專(zhuān)利名稱(chēng)：：生物質(zhì)合成氣一步法合成二甲醚的反應(yīng)器及溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提供一種生物質(zhì)合成氣制備高品位液體燃料的反應(yīng)器系統(tǒng)，特別涉及一種由生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器及其溫度精確控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：二甲醚是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品，可以替代氟氯烴做氣溶膠噴霧劑和環(huán)保型制冷劑，也是生產(chǎn)低碳烯烴的重要原料。近年來(lái)的研究表明，二甲醚可作為液化石油氣和柴油替代品直接作為燃料使用。因此，二甲醚的潛在市場(chǎng)無(wú)疑是十分巨大的。目前，工業(yè)上生產(chǎn)二甲醚主要采用甲醇催化脫水工藝，其裝置規(guī)模小，生產(chǎn)成本高。大規(guī)模生產(chǎn)二甲醚應(yīng)該采用合成氣直接轉(zhuǎn)化工藝。合成氣一步法合成二甲醚由于打破了熱力學(xué)平衡，獲得了高的co轉(zhuǎn)化率。目前，合成氣一步法合成二甲醚主要有固定床與漿態(tài)床兩種工藝。在固定床反應(yīng)器中，由于二甲醚合成放出的大量熱量將使催化劑床層溫度升高，嚴(yán)重時(shí)將使催化劑燒結(jié)，因此受催化劑床層傳熱的限制，固定床反應(yīng)器難以應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中。而漿態(tài)床反應(yīng)器則存在操作復(fù)雜，對(duì)催化劑要求高等問(wèn)題，且co轉(zhuǎn)化效率稍低，未反應(yīng)的原料氣需要反復(fù)循環(huán)，消耗了大量的循環(huán)壓縮功。合成氣直接轉(zhuǎn)化為二甲醚主要有下述兩個(gè)反應(yīng)2C0+4H2=CH30CH3+H20AH=—218.4KJ/mol(250°C)3C0+3H2=CH30CH3+C02AH=-257.9KJ/mol(250°C)可見(jiàn)，二甲醚合成是強(qiáng)放熱反應(yīng)。因此，溫度的控制對(duì)二甲醚合成過(guò)程至關(guān)重要。催化劑的還原、最佳合成反應(yīng)溫度等都需要溫度的精確控制。在合成催化劑的還原過(guò)程中，從催化劑的低溫脫水到催化劑中氧化銅的還原，需要精確控制還原氣還原溫度。還原溫度過(guò)低，會(huì)使催化劑活性組分銅還原過(guò)慢，造成還原不充分；還原溫度過(guò)高，易造成催化劑燒結(jié)；催化劑還原過(guò)程升溫過(guò)快，易造成催化劑結(jié)構(gòu)改變而使活性降低。在合成過(guò)程中，催化劑的最佳反應(yīng)溫度范圍較窄，合成溫度過(guò)高會(huì)使反應(yīng)過(guò)于激烈，反應(yīng)放熱造成催化劑飛溫?zé)Y(jié)，合成溫度過(guò)低會(huì)使反應(yīng)速率緩慢，C0轉(zhuǎn)化率降低，合成效率降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服傳熱限制的二甲醚固定床反應(yīng)器及其溫度控制集成工藝系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，利用過(guò)熱水相變潛熱大的特點(diǎn)，解決傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器因傳熱限制而難以放大的問(wèn)題，提供一種能克服傳熱限制的二甲醚一步法合成反應(yīng)器與溫度控制工藝集成系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案一種生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器，包括有固定床反應(yīng)器，沿該反應(yīng)器內(nèi)縱向平行分布有多根反應(yīng)列管；在所述固定床反應(yīng)器的頂端設(shè)置有反應(yīng)氣入口，靠近頂端的反應(yīng)器的殼程上設(shè)有排氣口，靠近該排氣口的反應(yīng)器兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水出口；在所述固定床反應(yīng)器的底端設(shè)置有反應(yīng)氣出口，靠近底端的反應(yīng)器的殼程上設(shè)有排液口，靠近該排液口的反應(yīng)器兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水進(jìn)口；包括有鍋爐，用于存儲(chǔ)從所述鍋爐傳輸來(lái)的過(guò)熱水的汽包；在所述汽包上設(shè)有安全閥、壓力表、壓力調(diào)節(jié)閥，汽包的一端端部連接有液位計(jì)，另一端端部設(shè)有排液口，還包括有過(guò)熱水進(jìn)水管道和過(guò)熱水回水管道，該過(guò)熱水進(jìn)水管道一端與所述汽包連通，另一端與所述過(guò)熱水進(jìn)口連通，該過(guò)熱水回水管道一端與所述汽包連通，另一端與所述過(guò)熱水出口連通；還包括有與所述反應(yīng)列管連接并檢測(cè)反應(yīng)列管內(nèi)溫度的測(cè)溫點(diǎn)，該測(cè)溫點(diǎn)直觀(guān)顯示反應(yīng)列管中催化劑床層的溫度。所述反應(yīng)列管的管徑為3264mm，相鄰兩反應(yīng)列管之間的距離為反應(yīng)列管管徑的2.5倍。反應(yīng)器列管太小影響固定床反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，太大則反應(yīng)熱難以迅速傳遞給過(guò)熱水會(huì)影響二甲醚的合成反應(yīng)溫度控制，因而反應(yīng)列管的管徑設(shè)置為3264mm，相鄰兩反應(yīng)列管之間的距離為反應(yīng)列管管徑的2.5倍能有效保證反應(yīng)熱能的快速傳遞，滿(mǎn)足反應(yīng)器溫度精確控制的要求。一種應(yīng)用于生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)，包括有鍋爐，用于存儲(chǔ)從所述鍋爐傳輸來(lái)的過(guò)熱水的汽包；在所述汽包上設(shè)有安全閥、壓力表、壓力調(diào)節(jié)閥，汽包的一端端部連接有液位計(jì)，另一端端部設(shè)有排液口，還包括有過(guò)熱水進(jìn)水管道和過(guò)熱水回水管道，該過(guò)熱水進(jìn)水管道一端與所述汽包連通，另一端與所述過(guò)熱水進(jìn)口連通，該過(guò)熱水回水管道一端與所述汽包連通，另一端與所述過(guò)熱水出口連通；還包括有與所述反應(yīng)列管連接并檢測(cè)反應(yīng)列管內(nèi)溫度的測(cè)溫點(diǎn)，該測(cè)溫點(diǎn)直觀(guān)顯示反應(yīng)列管中催化劑床層的溫度。通過(guò)過(guò)熱水的相變潛熱迅速帶走反應(yīng)熱，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器溫度的精確控制。該溫度控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用到其它設(shè)備中，比如漿態(tài)床反應(yīng)器、溫控精度要求高的干燥設(shè)備等。本發(fā)明生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)的操作步驟如下二甲醚合成催化劑填裝于反應(yīng)器列管中，從反應(yīng)氣入口通入還原氣(95%N2+5%H2，體積比)，對(duì)催化劑進(jìn)行還原活化，還原反應(yīng)后的還原氣從反應(yīng)氣出口排走；開(kāi)啟鍋爐，向汽包輸送過(guò)熱水。打開(kāi)反應(yīng)器殼程上端的排氣口，關(guān)閉殼程下部的排液口，汽包里的過(guò)熱水從反應(yīng)器殼程下部的過(guò)熱水進(jìn)水口緩慢通入反應(yīng)器殼程，直至少量水從上端排氣口溢出時(shí)，關(guān)閉排氣口，此時(shí)，過(guò)熱水則經(jīng)過(guò)熱水回水管道上的過(guò)熱水回水口回流到汽包；調(diào)節(jié)汽包上的壓力調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)汽包的壓力在合適的范圍內(nèi)，以維持催化劑還原所需要的合適溫度；催化劑活化還原反應(yīng)完成后，將還原氣切換為生物質(zhì)合成氣，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)汽包壓力至1.553.98MPa之間的一個(gè)值，此時(shí)，過(guò)熱水對(duì)應(yīng)的溫度為20025(TC之間的一個(gè)點(diǎn)，二甲醚合成反應(yīng)便在此溫度下連續(xù)進(jìn)行。生產(chǎn)完畢或者更換催化劑需要停止時(shí)，先關(guān)閉鍋爐，停止向汽包輸送過(guò)熱水，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥降低汽包內(nèi)的壓力，直至跟外面的氣壓一致；打開(kāi)排液口，排盡汽包內(nèi)的液體，再打開(kāi)反應(yīng)器殼程排液口，排盡反應(yīng)器殼程內(nèi)的液體。等反應(yīng)器列管內(nèi)的催化劑冷卻，用N2吹掃后方可開(kāi)啟反應(yīng)器拆卸催化劑。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器由于傳熱限制不易放大的缺點(diǎn)，充分利用固定床反應(yīng)器轉(zhuǎn)化效率高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、投資少、系統(tǒng)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)較大規(guī)模的一步法二甲醚合成器，快速推進(jìn)生物質(zhì)合成氣合成液體燃料技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程；針對(duì)合成氣一步法合成二甲醚時(shí)放熱量較大、而合成反應(yīng)本身對(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，使反應(yīng)熱能迅速傳遞給過(guò)熱水，通過(guò)過(guò)熱水的相變潛熱迅速帶走反應(yīng)熱，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器溫度的精確控制。圖1為本發(fā)明的生物質(zhì)合成氣一步法合成二甲醚反應(yīng)器與溫度控制系統(tǒng)示意圖；圖2為圖1中的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中A-A剖面圖；附圖標(biāo)記說(shuō)明1、合成氣入口，2、反應(yīng)氣出口，3、過(guò)熱水進(jìn)口，4、排液口，5、排氣口，6、過(guò)熱水出口，7、測(cè)溫點(diǎn)，8、反應(yīng)列管，9、殼程，10、過(guò)熱水回水口，11、過(guò)熱水出口，12、壓力調(diào)節(jié)閥，13、排液口，14、過(guò)熱水入口，15、汽包，16、鍋爐，17、固定床反應(yīng)器，18、液位計(jì)，19、安全閥，20、過(guò)熱水進(jìn)水管道，21、過(guò)熱水回水管道，22、壓力表。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例-如圖1到圖3所示，本實(shí)施例的生物質(zhì)合成氣一步法合成二甲醚的反應(yīng)器及溫度控制系統(tǒng)主要由汽包15、鍋爐16和固定床反應(yīng)器17組成。其固定床反應(yīng)器17為列管式固定床反應(yīng)器，在固定床反應(yīng)器17內(nèi)沿反應(yīng)器17縱向平行分布有36根反應(yīng)列管8，該反應(yīng)列管8的管徑為40mm，相鄰兩反應(yīng)列管8管芯之間的距離D為反應(yīng)列管8管徑d的2.5倍，本實(shí)施例為lOOrran;在固定床反應(yīng)器17的頂端設(shè)置有反應(yīng)氣入口1，靠近頂端的反應(yīng)器17的殼程9上設(shè)有排氣口5，靠近該排氣口5的反應(yīng)器17兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水出口6;在固定床反應(yīng)器17的底端設(shè)置有反應(yīng)氣出口2，靠近底端的反應(yīng)器17的殼程9上設(shè)有排液口4，靠近該排液口4的反應(yīng)器17兩側(cè)上分別設(shè)置有過(guò)熱水進(jìn)口3;還包括有設(shè)置在反應(yīng)器17下部用于測(cè)量反應(yīng)列管8溫度的測(cè)溫點(diǎn)7;還包括有鍋爐16，用于存儲(chǔ)從鍋爐16傳輸來(lái)的過(guò)熱水的汽包15;在汽包15上設(shè)有安全閥19、壓力表22、壓力調(diào)節(jié)閥12，汽包15的一端端部連接有液位計(jì)18，另一端端部設(shè)有排液口13，，還包括有過(guò)熱水進(jìn)水管道20和過(guò)熱水回水管道21，該過(guò)熱水進(jìn)水管道20—端與汽包15連通，另一端與過(guò)熱水進(jìn)口3連通，該過(guò)熱水回水管道21—端與汽包15連通，另一端與過(guò)熱水出口6連通。本實(shí)施例生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)的操作步驟如下二甲醚合成催化劑填裝于反應(yīng)器列管中，從反應(yīng)氣入口1通入還原氣(95°認(rèn)2+5%H2，體積比)，對(duì)催化劑進(jìn)行還原活化，反應(yīng)后的還原氣從反應(yīng)氣出口2排走；開(kāi)啟鍋爐16，并向汽包15輸送過(guò)熱水。打開(kāi)反應(yīng)器殼程上端的排氣口5，關(guān)閉殼程下部的排液口4，汽包15里的過(guò)熱水從過(guò)熱水出口11經(jīng)過(guò)熱水進(jìn)口3緩慢通入反應(yīng)器殼程，直至少量水從上端排氣口5溢出時(shí)，關(guān)閉排氣口5，而過(guò)熱水則經(jīng)過(guò)熱水回水管道21上的熱水回水口10回流到汽包15。調(diào)節(jié)汽包15上壓力調(diào)節(jié)閥12，維持汽包15內(nèi)的壓力分別在0.14MPa、0.62MPa、2.32MPa，此時(shí)過(guò)熱水的對(duì)應(yīng)溫度分別為ll(TC、160°C、220°C，二甲醚合成催化劑按此升溫程序進(jìn)行還原活化。催化劑活化反應(yīng)完成后，將還原氣切換為生物質(zhì)合成氣，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥12調(diào)節(jié)汽包壓力至2.32MPa，此時(shí)，過(guò)熱水對(duì)應(yīng)的溫度為22(TC。二甲醚合成反應(yīng)便在此溫度下進(jìn)行。系統(tǒng)運(yùn)行完畢需要停止時(shí)，先關(guān)閉鍋爐16，停止向汽包15輸送過(guò)熱水，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥降低汽包15內(nèi)的壓力，直至跟外面的氣壓一致；打開(kāi)排液口13，排盡汽包15內(nèi)的液體，再打開(kāi)排液口4，排盡反應(yīng)器殼程9內(nèi)的液體，反應(yīng)列管8內(nèi)的催化劑冷卻至室溫，用N2吹掃后方可開(kāi)啟反應(yīng)器拆卸催化劑。本實(shí)施例中的所說(shuō)的催化劑為專(zhuān)利號(hào)為CN1785519的一步法合成二甲醚的雙功能催化劑，生物質(zhì)合成氣成分為H237.60%(體積比，下同)，CO35.39%，C028.54%，CH42.82%，N215.65%。在上述條件下連續(xù)開(kāi)車(chē)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行的主要結(jié)果如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專(zhuān)利范圍中。權(quán)利要求1、一種生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器，其特征在于，包括有固定床反應(yīng)器(17)，沿該反應(yīng)器(17)內(nèi)縱向平行分布有多根反應(yīng)列管(8)；在所述固定床反應(yīng)器(17)的頂端設(shè)置有反應(yīng)氣入口(1)，靠近頂端的反應(yīng)器(17)的殼程(9)上設(shè)有排氣口(5)，靠近該排氣口(5)的反應(yīng)器(17)兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水出口(6)；在所述固定床反應(yīng)器(17)的底端設(shè)置有反應(yīng)氣出口(2)，靠近底端的反應(yīng)器(17)的殼程(9)上設(shè)有排液口(4)，靠近該排液口(4)的反應(yīng)器(17)兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水進(jìn)口(3)；鍋爐(16)，用于存儲(chǔ)從所述鍋爐(16)傳輸來(lái)的過(guò)熱水的汽包(15)；在所述汽包(15)上設(shè)有安全閥(19)、壓力表(22)、壓力調(diào)節(jié)閥(12)，汽包(15)的一端端部連接有液位計(jì)(18)，另一端端部設(shè)有排液口(13)；還包括有過(guò)熱水進(jìn)水管道(20)和過(guò)熱水回水管道(21)，該過(guò)熱水進(jìn)水管道(20)一端與所述汽包(15)連通，另一端與所述過(guò)熱水進(jìn)口(3)連通，該過(guò)熱水回水管道(21)一端與所述汽包(15)連通，另一端與所述過(guò)熱水出口(6)連通。還包括有與所述反應(yīng)列管(8)連接并檢測(cè)反應(yīng)列管(8)內(nèi)溫度的測(cè)溫點(diǎn)(7)。2、如權(quán)利要求l所述的帶有溫度控制系統(tǒng)的生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器，其特征在于所述反應(yīng)列管(8)的管徑為3264mm，相鄰兩反應(yīng)列管(8)之間的距離為反應(yīng)列管(8)管徑的2.5倍。3、一種應(yīng)用于權(quán)利要求1所述生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器的溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括有鍋爐(16)，用于存儲(chǔ)從所述鍋爐(16)傳輸來(lái)的過(guò)熱水的汽包(15);在所述汽包(15)上設(shè)有安全閥(19)、壓力表(22)、壓力調(diào)節(jié)閥(12)，汽包(15)的一端端部連接有液位計(jì)(18)，另一端端部設(shè)有排液口(13);還包括有過(guò)熱水進(jìn)水管道(20)和過(guò)熱水回水管道(21)，該過(guò)熱水進(jìn)水管道(20)—端與所述汽包(15)連通，另一端與所述過(guò)熱水進(jìn)口(3)連通，該過(guò)熱水回水管道(21)—端與所述汽包(15)連通，另一端與所述過(guò)熱水出口(6)連通；還包括有與所述反應(yīng)列管(8)連接并檢測(cè)反應(yīng)列管(8)內(nèi)溫度的測(cè)溫點(diǎn)(7)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種生物質(zhì)合成氣一步制二甲醚的反應(yīng)器，包括有固定床反應(yīng)器，沿該反應(yīng)器內(nèi)縱向平行分布有多根反應(yīng)列管；在所述固定床反應(yīng)器的頂端設(shè)置有反應(yīng)氣入口，靠近頂端的反應(yīng)器的殼程上設(shè)有排氣口，靠近該排氣口的反應(yīng)器兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水出口；在所述固定床反應(yīng)器的底端設(shè)置有反應(yīng)氣出口，靠近底端的反應(yīng)器的殼程上設(shè)有排液口，靠近該排液口的反應(yīng)器兩側(cè)上設(shè)置有過(guò)熱水進(jìn)口。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器由于傳熱限制不易放大的缺點(diǎn)，充分利用固定床反應(yīng)器轉(zhuǎn)化效率高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、投資少、系統(tǒng)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)較大規(guī)模的一步法二甲醚合成器，快速推進(jìn)生物質(zhì)合成氣合成液體燃料技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程。文檔編號(hào)C07C41/00GK101397243SQ200810218978公開(kāi)日2009年4月1日申請(qǐng)日期2008年11月7日優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日發(fā)明者吳創(chuàng)之,華周,琦張,張興華,王鐵軍,馬隆龍申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所