一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统及方法，二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统包括：包括：第一反应精馏塔、第二反应精馏塔、精反应器，第一反应精馏塔与第二反应精馏塔相互并联；第一反应精馏塔与第二反应精馏塔的侧壁由上至下依次设置有氢气进口、二氧化碳进口以及溶剂、催化剂混合进口；第一反应精馏塔、第二反应精馏塔、以及精反应器内设置有分流型微界面发生器，分流型微界面发生器为在微界面发生器本体上设置有多个分流通道，氢气进口以及所述二氧化碳进口与设置在第一反应精馏塔、第二反应精馏塔内部的任意分流型微界面发生器连接。本发明专利技术的强化微界面反应系统降低了加氢反应的温度、压力。压力。压力。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统及方法


[0001]本专利技术涉及甲酸反应制备领域，具体而言，涉及一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统及方法。

技术介绍

[0002]甲酸(CAS号：64-18-6)，又名蚁酸，是含碳数最少的羧酸，具有较强的酸性，是现代有机化工的重要原料。甲酸合成方法众多，包括(1)甲醇羰基合成法，通过催化剂催化甲醇和一氧化碳反应生成甲酸甲酯，然后再水解得到甲酸和甲醇；(2)甲酰胺法，通过催化剂催化一氧化碳和胺在甲醇溶液中生成甲酰胺，然后甲酰胺在酸性条件下水解得到甲酸；(3)二氧化碳法，通过催化剂催化二氧化碳加氢直接制备甲酸。
[0003]在以上甲酸合成方法中，近20年兴起的二氧化碳加氢制备甲酸具有最高的理论原子经济性，是一条非常有潜力的甲酸合成路径。但由于二氧化碳和氢气反应生成甲酸在热力学上受限，现有的过程均需要在反应体系中加入有机或无机碱来和甲酸反应生成甲酸盐，以推动反应朝生成甲酸的方向移动。比如，Nature Catal.(2018,1,743-747)报道了一种以卡宾铜为催化剂催化二氧化碳和氢气反应制备甲酸的方法，但反应需加入过量的强有机碱二氮杂二环来和甲酸反应；Angew.Chem.Int.Ed.(2019,58,722-726)报道了一种以三(五氟苯基)硼为催化剂催化二氧化碳和氢气反应制备甲酸的方法，但反应需加入过量的无机碱碳酸钾和甲酸反应；专利CN201810255395.8中报道了以钌配合物为催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的KHCO3来和甲酸反应以推动过程进行；专利CN105367404B中报道了以纳米多孔钯催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的氢氧化钠或叔丁醇钠来和甲酸反应以推动过程进行；专利CN106622224A中报道了以纳米金基催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的三乙胺或三乙醇胺等来和甲酸反应以推动过程进行。此外，由于甲酸酸性较强，能和许多有机金属化合物发生反应，现有方法报道的催化剂在甲酸条件下并不稳定，使得催化剂快速失活。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种强化微界面反应系统，该强化微界面反应系统一方面通过设置反应精馏塔来推动反应的顺利进行，从而避免了需要添加有机或者无机碱来推动反应制备甲酸的过程，提高了反应效率简化了反应操作，另一方面通过在反应精馏塔内设置微界面发生器将进入的气相高效破碎成微米级气泡，并分散到溶剂、催化剂中形成微界面体系，以数十倍地提高反应气液内的气液相界面积，大幅提高气相向液相的传质速率。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种采用上述强化微界面反应系统进行制甲酸的反应方法，该反应方法操作简便，得到的甲酸纯度高，产品品质高，值得广泛推广进行应用。
[0007]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统，包括：第一反应精馏塔、第二反应精馏塔、精反应器，所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔相互并联；所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的侧壁由上至下依次设置有氢气进口、二氧化碳进口以及溶剂、催化剂混合进口；
[0009]所述第一反应精馏塔、所述第二反应精馏塔、以及所述精反应器内设置有分流型微界面发生器，所述分流型微界面发生器为在微界面发生器本体上设置有多个分流通道，所述氢气进口以及所述二氧化碳进口与设置在所述第一反应精馏塔、所述第二反应精馏塔内部的任意所述分流型微界面发生器连接，所述分流型微界面发生器设置在第一反应精馏塔以及第二反应精馏塔的降液管内；
[0010]所述溶剂、催化剂混合进口设置在所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的塔底，以用于将进入的溶剂、催化剂充满整个所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔；
[0011]所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的塔顶设置有甲酸出口以用于产品甲酸的排出，从所述甲酸出口出来的甲酸后续进入所述精反应器进行精反应，所述第二反应精馏塔。
[0012]现有技术中的甲酸合成方法中，由于二氧化碳和氢气反应生成甲酸在热力学上受限，现有的过程均需要在反应体系中加入有机或无机碱来和甲酸反应生成甲酸盐，以推动反应朝生成甲酸的方向移动。比如，Nature Catal.(2018,1,743-747)报道了一种以卡宾铜为催化剂催化二氧化碳和氢气反应制备甲酸的方法，但反应需加入过量的强有机碱二氮杂二环来和甲酸反应；Angew.Chem.Int.Ed.(2019,58,722-726)报道了一种以三(五氟苯基)硼为催化剂催化二氧化碳和氢气反应制备甲酸的方法，但反应需加入过量的无机碱碳酸钾和甲酸反应；专利CN201810255395.8中报道了以钌配合物为催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的KHCO3来和甲酸反应以推动过程进行；专利CN105367404B中报道了以纳米多孔钯催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的氢氧化钠或叔丁醇钠来和甲酸反应以推动过程进行；专利CN106622224A中报道了以纳米金基催化剂催化二氧化碳加氢制甲酸的方法，反应需以过量的三乙胺或三乙醇胺等来和甲酸反应以推动过程进行，可见现有技术中均需要添加一定量的有机或无机碱来推动反应的进行，本专利技术为了解决上述技术问题提供了一种新型的强化微界面反应系统，在该强化微界面反应系统中通过采用了反应精馏塔设备替代了以往的反应方式，直接在反应精馏塔内达到边反应边精馏的目的，并且通过在反应精馏塔内设置微界面发生器提高了反应效率，大幅度提高传质速率，降低了加氢反应温度与压力。
[0013]本专利技术之所以反应精馏塔设置为两个，且两个之间相互并联同时进行操作，是为了提高处理量，也相应的提高了反应效率。
[0014]在实际加氢操作时，先通入二氧化碳至反应精馏塔内真空置换2-3次后，然后通入二氧化碳至一定的压力，二氧化碳先通入到分流型微界面发生器中分散破碎，后续通入氢气至一定压力，氢气同样的通入到分流型微界面发生器中进行分散破碎，两种气相均经过分散破碎后，能够显著提高后续加氢反应的反应效果，加热至反应温度后，一般反应8-10h，从塔顶收集产品甲酸溶液。
[0015]本专利技术在第一反应精馏塔、第二反应精馏塔、精反应器中特意设置了分流型微界面发生器，所谓分流型微界面发生器的具体结构为在微界面发生器本体上设置有多个分流
通道。分流通道最好成弯曲状，设置在微界面发生器本体的出口处。
[0016]优选地，所述第一反应精馏塔内的分流型微界面发生器的个数为3个，3个所述分流型微界面发生器由上至下依次排列，位于上部的所述分流型微界面发生器设置在所述第一反应精馏塔内的塔板之间，与氢气进口相通用于将进入的氢气进行分散破碎，位于下部的两个所述分流型微界面发生器设置在靠近所述第一反应精馏塔的底部，均与二氧化碳进口相通用于将进入的二氧化碳进行分散破碎。
[0017]优选地，所述第一反应精馏塔内部的上部与中部的所述分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳加氢制甲酸的强化微界面反应系统，其特征在于，包括：第一反应精馏塔、第二反应精馏塔、精反应器，所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔相互并联；所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的侧壁由上至下依次设置有氢气进口、二氧化碳进口以及溶剂、催化剂混合进口；所述第一反应精馏塔、所述第二反应精馏塔、以及所述精反应器内设置有分流型微界面发生器，所述分流型微界面发生器为在微界面发生器本体上设置有多个分流通道，所述氢气进口以及所述二氧化碳进口与设置在所述第一反应精馏塔、所述第二反应精馏塔内部的任意所述分流型微界面发生器连接，所述分流型微界面发生器设置在第一反应精馏塔以及第二反应精馏塔的降液管内；所述溶剂、催化剂混合进口设置在所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的塔底，以用于将进入的溶剂、催化剂充满整个所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔；所述第一反应精馏塔与所述第二反应精馏塔的塔顶设置有甲酸出口以用于产品甲酸的排出，从所述甲酸出口出来的甲酸后续进入所述精反应器进行精反应，所述第二反应精馏塔。2.根据权利要求1所述的强化微界面反应系统，其特征在于，所述第一反应精馏塔内的分流型微界面发生器的个数为3个，3个所述分流型微界面发生器由上至下依次排列，位于上部的所述分流型微界面发生器设置在所述第一反应精馏塔内的塔板之间，与氢气进口相通用于将进入的氢气进行分散破碎，位于下部的两个所述分流型微界面发生器设置在靠近所述第一反应精馏塔的底部，均与二氧化碳进口相通用于将进入的二氧化碳进行分散破碎。3.根据权利要求2所述的强化微界面反应系统，其特征在于，所述第一反应精馏塔内部的上部与中部的所述分流型微界面发生器上的分流通道方向相对，位于底部的所述分流型微界面发生...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志炳，周政，胡兴邦，杨建，张锋，李磊，孟为民，王宝荣，杨高东，罗华勋，杨国强，曹宇，
申请(专利权)人：南京延长反应技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：