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催化蒸馏:二甲醚技术开始升级

如今,二甲醚作为民用燃料用于醇醚燃料和柴油汽车替代燃料的条件日趋成熟。此外,为配合环保形势,二甲醚还将替代氟氯烃用于气雾剂、致冷剂和发泡剂。毋庸置疑,二甲醚生产和应用前景非常光明。但目前二甲醚生产技术仍不尽完善,在一定程度上影响了项目规模、投资和能耗等指标,亟待取得突破。

日前,中国科学院大连化学物理研究所的最新研究成果向业界展示出一大亮点。他们成功开发出了二步法甲醇脱水制备二甲醚的升级换代技术 催化蒸馏制备二甲醚技术。记者就此采访了该技术的主要研究者之一,大连化物所副研究员孙新德。

记者:中科院大连化物所已经研制出甲醇气相脱水制二甲醚,为什么还要继续开发催化蒸馏制备二甲醚技术呢?

孙新德:现有的二甲醚技术虽然已取得成功,但仍不尽完善。

目前二甲醚的生产方法有一步法和二步法。从理论上说,一步法与甲醇脱水二步法相比,具有工艺过程简短、合成气转化率高等优点,但催化剂寿命短,设备复杂,反应产物分离难度大,能耗高,还不够成熟,国内外尚无规模较大的生产装置。

目前国内外公布的大型二甲醚建设项目绝大多数采用二步法工艺技术,说明该法有较强的综合竞争力。二步法又可分为液相脱水法与气相脱水法,国内分别以山东久泰化工有限公司的复合酸液相法、西南化工研究设计院和中科院大连化学物理研究所的气相脱水法为代表,均已建成较大规模的生产装置。这些技术还存在一些有待改进的地方,如流程较长、投资较大、能耗较高、副反应稍多。气相法的甲醇转化率较低(70%~80%),反应器床层温升大,装置不易大型化。针对以上问题,大连化物所提出将催化蒸馏技术应用于甲醇脱水制二甲醚过程,以实现技术升级换代。

记者:为什么选择研发催化蒸馏技术作为二甲醚升级换代技术?

孙新德:催化蒸馏技术是让催化反应过程和蒸馏分离过程在装有催化剂的催化蒸馏塔中同时进行的一种化学工程方法,已经在甲基叔丁基醚的生产和其他许多化工过程中得到成功运用。

在甲醇脱水制二甲醚的反应体系中,甲醇的挥发度介于反应产物二甲醚和水之间,而且反应是放热反应,特别适合采用催化蒸馏技术。在催化蒸馏塔中部的反应段中装填催化剂,二甲醚和水分别从催化蒸馏塔的塔顶和塔釜排出,而甲醇则富集在催化蒸馏塔中部的反应段,在催化剂的作用下得以高效率地转化。

大连化物所在气相法固体酸催化甲醇脱水生产二甲醚固定床技术的基础上,根据甲醇脱水反应的特点,开发出了催化蒸馏制备二甲醚新型催化剂和催化蒸馏技术。目前该技术已经申请6项专利。

记者:催化蒸馏技术与现有的二甲醚生产技术相比具有哪些优势?

孙新德:大连化物所在催化蒸馏催化剂的活性、选择性,特别是稳定性以及催化蒸馏工艺方面进行了大量的研究工作,并取得了重大突破。大连化物所研发的催化蒸馏技术的技术指标为:甲醇单程转化率 95%,二甲醚选择性 99.98%,原料消耗 1.405吨/吨,蒸汽消耗0.5吨/吨,二甲醚产品纯度为99.9%。催化蒸馏催化剂具有很好的稳定性,在180℃以下可以长期运转,二甲醚的选择性高达99.99%。与传统的甲醇脱水技术相比,新技术有如下优点:

一是该技术反应温度易于控制,消除了传统气相法技术存在的易超温的缺陷。

二是转化率选择性高。该技术打破了甲醇脱水反应的化学平衡限制,甲醇接近全部转化,抑制了副反应的发生,提高了目的产物的选择性,减少了二甲醚的蒸馏损失。甲醇单耗低。

三是节省投资和生产成本。该技术工艺流程简单,减少了设备台数,节省了投资;热量利用充分,反应热直接用作蒸发所需要的热量。催化蒸馏技术装置的投资约为气相法技术的60%~70%,能耗仅为气相法技术的40%。二甲醚生产成本大大降低。

四是催化剂寿命较长。催化蒸馏工艺中,反应生成的二甲醚及可能生成的微量烯烃副产物迅速离开反应区,富集到塔顶。它们在反应区液相的浓度很低,二甲醚生产烯烃的反应速度和烯烃生成积炭的反应速度都会受到很大的抑制。另外,在催化蒸馏工艺的反应条件下,主要含有醇的饱和液相物料扩散到催化剂颗粒中进行反应,反应后物料组分的变化使饱和蒸汽压降低。这样将有部分物料汽化,而汽化所吸收的热量远大于反应放出的热量,使颗粒内部温度低于表面温度。这些因素都有利于延长催化剂的寿命。在催化蒸馏工艺中催化剂的寿命可达到2年。

该技术克服了现有技术存在的流程长、能耗高、投资大等问题,是二甲醚生产技术的重大进展,目前已经完成中试,并具备了实现工业化的条件。大连化物所期盼与相关企业合作,共同将该技术推向工业化。

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