一種合成氣高效制備低碳醇的反應(yīng)裝置制造方法及圖紙

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種利用煤、天然氣和生物質(zhì)等經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所得合成氣為原料，在雙層催化劑作用下，高效制備液體燃料如低碳醇的裝置，包括有雙層床反應(yīng)器，該反應(yīng)器內(nèi)裝填甲醇催化劑與高級(jí)醇催化劑或高級(jí)醇催化劑與逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑的組合體系，氫氣或合成氣進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行催化劑還原或低碳醇合成，所得尾氣經(jīng)冷阱氣液分離，液體產(chǎn)物收集后由離線氣相色譜儀分析，氣體產(chǎn)物經(jīng)氣體壓縮機(jī)增壓后，經(jīng)由壓力表和單向閥分別進(jìn)入氫氣進(jìn)口或合成氣進(jìn)口循環(huán)參與催化劑還原或低碳醇合成，由在線氣相色譜儀監(jiān)測(cè)進(jìn)入反應(yīng)器中的循環(huán)氣體產(chǎn)物組成。本實(shí)用新型專利技術(shù)有效提高了合成氣制備低碳醇中高級(jí)醇的產(chǎn)率和選擇性，以及整個(gè)反應(yīng)裝置系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及到一種合成氣高效制備液體燃料的反應(yīng)裝置，特別涉及到一種利用煤、天然氣和生物質(zhì)等經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所得合成氣為原料，在雙層催化劑作用下，高效制備低碳醇的裝置。
技術(shù)介紹
能源是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，清潔燃料的供給能力關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，是國(guó)家戰(zhàn)略安全保障的基礎(chǔ)之一。目前我國(guó)液體燃料(如汽油、柴油、LPG等)主要來自于石油，隨著石油資源的日益枯竭，液體燃料的供應(yīng)將面臨巨大的威脅。由煤、天然氣、生物質(zhì)等含碳資源經(jīng)氣化生產(chǎn)合成氣(CCHH2)，合成氣再催化轉(zhuǎn)化合成烴類、低碳混合醇等清潔燃料和其它化學(xué)品已成為國(guó)內(nèi)外能源化工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是緩解我國(guó)石油資源短缺，實(shí)現(xiàn)含碳資源高效潔凈轉(zhuǎn)化最為現(xiàn)實(shí)可行的途徑之一。低碳混合醇(簡(jiǎn)稱低碳醇)是指由C1-C5醇構(gòu)成的液體混合物。低碳醇主要用途是作為潔凈汽油添加劑，這主要是因?yàn)榛旌洗贾泻幸欢康母呒?jí)醇(C2+醇)，對(duì)水的穩(wěn)定性好，溶劑化效果也相對(duì)比較好，而且可以明顯提高汽油辛烷值，增強(qiáng)其抗震性能，在這方面，低碳醇有望取代污染嚴(yán)重的甲基叔丁基醚(MTBE);其次，低碳醇具有燃燒充分、效率高且CO、NOx及烴類排放量少等優(yōu)點(diǎn)，可以替代石油單獨(dú)用作發(fā)動(dòng)機(jī)新一代低污染的清潔燃料，并且可以在不改變現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下使用。另外，低碳醇經(jīng)分離可得到乙、丙、丁、戊醇等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的醇類，還可作為L(zhǎng)PG代用品和通用化學(xué)溶劑等。由此可以看出，低碳醇中所含高級(jí)醇的量越大，其熱值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值越高，如何提高低碳醇中所含高級(jí)醇的產(chǎn)率和選擇性是合成氣制備液體燃料領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題之一。CO加氫合成低碳醇(反應(yīng)式I)反應(yīng)過程通常伴隨著甲醇、烴類和CO2等副產(chǎn)物的生成，高選擇性和高活性并具有優(yōu)良穩(wěn)定性的催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)是低碳醇合成技術(shù)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)適合該過程的催化劑進(jìn)行了廣泛的研究和探索，目前研究相對(duì)比較集中的催化劑體系主要有貴金屬Rh基催化劑、改性甲醇合成催化劑和改性F-T合成催化劑體系等。其中，貴金屬Rh基催化劑成本高，產(chǎn)物中含有大量烷烴，不適宜于工業(yè)化應(yīng)用。改性甲醇合成催化劑包括高溫(高壓)和低溫(低壓)兩類，改性低溫(低壓)Cu-Zn系甲醇催化劑反應(yīng)條件溫和，醇產(chǎn)率高，但選擇性較差，Cu活性組分易燒結(jié)，而且產(chǎn)物中甲醇含量高；改性高溫(高壓)Zn-Cr系甲醇催化劑主要產(chǎn)物為甲醇和支鏈異丁醇，反應(yīng)條件較為苛刻，但由于其較高的醇選擇性一直受到關(guān)注。改性F-T合成催化劑主要包括Fe、Co或Ni改性低溫(低壓)甲醇合成催化劑及堿改性Mo基催化劑，其中有代表性的為Cu-Co催化劑和鑰系耐硫催化劑，Cu-Co催化劑以法國(guó)石油研究所(IFP)為代表，主要產(chǎn)物為直鏈正構(gòu)醇，反應(yīng)活性和C2+醇的選擇性較高，但總醇選擇性較低且產(chǎn)物中含水較多；鑰系耐硫催化劑由美國(guó)Dow化學(xué)公司開發(fā)，操作條件相對(duì)溫和，產(chǎn)物主要為直鏈正構(gòu)醇，具有獨(dú)特的抗硫性，可避免耗資巨大的深度脫硫，降低經(jīng)濟(jì)成本，而且由于鑰硫催化劑高的變換反應(yīng)活性，產(chǎn)物水含量低，有利于產(chǎn)品的后續(xù)脫水。由此看來，不同的催化劑體系表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)和缺陷。催化劑研究的重點(diǎn)就在于探索不同活性中心的最佳匹配、構(gòu)效關(guān)系及合成低碳醇的選擇性規(guī)律等方面，從而提高低碳醇產(chǎn)物中的高級(jí)醇選擇性和產(chǎn)率等。美國(guó)專利US 20100088951公開了一種新型催化劑Cu-Zn-K-Co (或Mn或Co-Μη) /Al2O3 (或SiO2或CNTs)，以煤、天然氣和生物質(zhì)等經(jīng)氣化重整所得合成氣為原料，可制備出熱值較甲醇和乙醇高，且與丁醇相當(dāng)?shù)挠杉状肌⒁掖肌⒈肌⒍〈己蜔N類所構(gòu)成的混合液體燃料。國(guó)內(nèi)專利CN 102247852A公開了一種Cu-Fe-Co基改性F-T合成催化劑，其中，Cu是合成甲醇的活性成分，有利于CO的非解離吸附，對(duì)合成醇有利；F_T組元Co或Fe組分有利于CO的解離吸附，促使單碳中間體CH/的形成，而高活性的單碳中間體相互結(jié)合，形成C-C鍵，實(shí)現(xiàn)碳鏈增長(zhǎng)，該類催化劑以Cu-Fe作為主活性組分，少量Co作為助活性組分用于調(diào)節(jié)Cu-Fe間的相互作用，表現(xiàn)出較高的高級(jí)醇選擇性，同時(shí)催化劑制備方法簡(jiǎn)單，成本低，性能穩(wěn)定，易于工業(yè)放大生產(chǎn)。nC0+2nH2 — CnH2n+10H+(n-l)H20(I)除催化劑外，通過選擇合適的工藝技術(shù)和反應(yīng)器，有效減少反應(yīng)副產(chǎn)物的生成，對(duì)于提高低碳醇的選擇性和產(chǎn)率也是至關(guān)重要的。美國(guó)專利US 20100088951公開了一種利用逆水煤氣變換反應(yīng)(RWGS，反應(yīng)式2)與甲醇合成、甲醇合成乙醇以及乙醇合成丁醇等反·應(yīng)相結(jié)合，在Cu/水滑石催化劑和膜分離系統(tǒng)的作用下，避免了低碳醇合成過程中所有副反應(yīng)的發(fā)生。美國(guó)專利US 20090182176A1公開了一種將生物質(zhì)和含烴原料經(jīng)部分氧化和/或氣化所得合成氣中間體分離后與生物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵所得醇中間體分離后共同進(jìn)行重整合成低碳醇的工藝技術(shù)，促進(jìn)了低碳醇選擇性的提高。傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器高級(jí)醇選擇性和產(chǎn)率均較低，難以滿足工業(yè)化需求。在雙層床反應(yīng)器中，上層低溫催化劑將合成氣盡可能多地轉(zhuǎn)化為甲醇，下層高溫催化劑則促進(jìn)碳鏈增長(zhǎng)，將上層反應(yīng)所得產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高級(jí)醇，從而使高級(jí)醇的產(chǎn)率和選擇性最大化。美國(guó)Lehigh大學(xué)的Beretta等人曾報(bào)道,在合成異丁醇過程中，使用Cs_Cu/Zn0/Cr2031 | Cs_Zn0/Cr203雙層床催化劑較單層床Cs_Cu/Zn0/Cr203催化劑具有更高的異丁醇產(chǎn)率。目前，雙層床反應(yīng)器的研究集中于支鏈醇的合成，但還未見相關(guān)專利報(bào)道。C02+H2 — CCHH2O(2)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是針對(duì)如何提高合成氣制備液體燃料如低碳醇中所含高級(jí)醇的產(chǎn)率和選擇性這一關(guān)鍵問題，提供一種利用煤、天然氣和生物質(zhì)等經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化所得合成氣為原料，在雙層催化劑作用下，高效制備低碳醇的裝置。為達(dá)到以上目的，本技術(shù)采取了以下技術(shù)方案一種合成氣高效制備低碳醇的反應(yīng)裝置，包括有一高溫電爐，以及置于該高溫電爐內(nèi)的雙層床反應(yīng)器，該雙層床反應(yīng)器頂部設(shè)有原料氣進(jìn)口和套管，底部設(shè)有尾氣出口和支撐管，所述套管內(nèi)插入一熱電偶，并使用與該熱電偶相連的溫度控制器調(diào)節(jié)催化劑的還原溫度或低碳醇合成的反應(yīng)溫度，所述支撐管用于支撐所述雙層床反應(yīng)器內(nèi)部中間位置處設(shè)置的催化劑床層，該催化劑床層由上至下依次為甲醇或高級(jí)醇催化劑顆粒床層、石棉支撐床層、高級(jí)醇或逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑顆粒床層和石棉支撐床層，其中所述甲醇催化劑和高級(jí)醇催化劑組合體系、高級(jí)醇催化劑和逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑組合體系中的催化劑可相互更換裝填床層，催化劑上下床層高度分別為X、y，通過改變X、y可獲得不同組成的低碳醇；包括有與所述原料氣進(jìn)口相連，用于提供還原氣的H2進(jìn)口、提供反應(yīng)原料的合成氣進(jìn)口和對(duì)所述反應(yīng)裝置整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏所用的N2進(jìn)口，以及分別用于調(diào)節(jié)H2、合成氣和N2流量的氣體質(zhì)量流量控制器和配套的氣體流量顯示儀；還包括有與所述尾氣出口相連，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行氣液分離的冷阱，獲得的液體產(chǎn)物經(jīng)所述冷阱底部設(shè)置的針型閥收集，余下的氣體產(chǎn)物經(jīng)由測(cè)定氣體產(chǎn)物壓力的壓力表、控制所述反應(yīng)裝置整個(gè)系統(tǒng)壓力的背壓閥、測(cè)定氣體產(chǎn)物流量的流量計(jì)進(jìn)入尾氣循環(huán)氣路或尾氣排空出口 ；所述尾氣循環(huán)氣路經(jīng)由用于控制催化劑還原后氣體產(chǎn)物或低碳醇本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種合成氣高效制備低碳醇的反應(yīng)裝置，其特征在于：包括有一高溫電爐（7），以及置于該高溫電爐（7）內(nèi)的雙層床反應(yīng)器（6），該雙層床反應(yīng)器（6）頂部設(shè)有原料氣進(jìn)口（61）和套管（63），底部設(shè)有尾氣出口（62）和支撐管（64），所述套管（63）內(nèi)插入一熱電偶（65），并與溫度控制器（8）相連接，所述支撐管（64）用于支撐所述雙層床反應(yīng)器（6）內(nèi)部中間位置處設(shè)置的催化劑床層，該催化劑床層由上至下依次為甲醇催化劑或高級(jí)醇催化劑顆粒床層（66）、石棉支撐床層（68）、高級(jí)醇催化劑或逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑顆粒床層（67）和石棉支撐床層（68），所述甲醇催化劑或高級(jí)醇催化劑顆粒床層（66）和高級(jí)醇催化劑或逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑顆粒床層（67）中的催化劑可相互更換裝填床層，床層高度分別為x、y；還包括有與所述原料氣進(jìn)口（61）相連，用于提供還原氣的H2進(jìn)口（1）、提供反應(yīng)原料的合成氣進(jìn)口（2）和對(duì)所述反應(yīng)裝置整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏所用的N2進(jìn)口（3），以及分別用于調(diào)節(jié)H2、合成氣和N2流量的氣體質(zhì)量流量控制器（4）和配套的氣體流量顯示儀（5）；還包括有與所述尾氣出口（62）相連，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行氣液分離的冷阱（9），冷阱（9）底部設(shè)置有針型閥（10），冷阱（9）氣體出口管路上分別設(shè)有壓力表（19）、控制所述反應(yīng)裝置整個(gè)系統(tǒng)壓力的背壓閥（12）和測(cè)定氣體產(chǎn)物流量的流量計(jì)（13）進(jìn)入尾氣循環(huán)氣路（16），同時(shí)在尾氣循環(huán)氣路（16）上設(shè)置有尾氣排空出口（17）。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種合成氣高效制備低碳醇的反應(yīng)裝置，其特征在于包括有一高溫電爐(7)，以及置于該高溫電爐(7 )內(nèi)的雙層床反應(yīng)器(6 )，該雙層床反應(yīng)器(6 )頂部設(shè)有原料氣進(jìn)口( 61)和套管(63)，底部設(shè)有尾氣出口(62)和支撐管(64)，所述套管(63)內(nèi)插入一熱電偶(65)，并與溫度控制器(8 )相連接，所述支撐管(64 )用于支撐所述雙層床反應(yīng)器(6 )內(nèi)部中間位置處設(shè)置的催化劑床層，該催化劑床層由上至下依次為甲醇催化劑或高級(jí)醇催化劑顆粒床層(66 )、石棉支撐床層(68 )、高級(jí)醇催化劑或逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑顆粒床層(67 )和石棉支撐床層(68)，所述甲醇催化劑或高級(jí)醇催化劑顆粒床層(66)和高級(jí)醇催化劑或逆水煤氣變換反應(yīng)催化劑顆粒床層(67)中的催化劑可相互更換裝填床層，床層高度分別為X、I ; 還包括有與所述原料氣進(jìn)口(61)相連，用于提供還原氣的H2進(jìn)口(I)、提供反應(yīng)原料的合成氣進(jìn)口(2)和對(duì)所述反應(yīng)裝置整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳新德，陳勇，郭海軍，熊蓮，李尚貴，張海榮，謝羽娜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，
類型：實(shí)用新型
國(guó)別省市：