应用微通道技术实施平衡限制性化学反应的方法技术

本发明专利技术涉及一种在微通道反应器（１００）内实施平衡限制性化学反应的方法。该方法涉及应用主动性的热交换（１３０，１３２），适宜于实施放热反应和吸热反应。该方法包括反应组合物流过至少两个各具有一种催化剂材料（可以相同或不同）的反应区（１１６，１１８）。该方法特别适宜于合成甲醇和二甲醚。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种。该方法特别适于合成甲醇和二甲醚。
技术介绍
开发改进的化学方法的主要目标通常是为了应用更便宜的原材料，降低能源需求、资本投入和生产费用。提供巨大的社会及经济效益的一个应用领域是对能源效益、“氢经济”中超低排放燃料电池的应用。燃料电池的应用领域包括从用于运输的传统内燃机的替代到住宅和轻工业中供应电能所需的充电时间间隔长的电池的替代。把这些燃料电池的应用变为现实的挑战之一涉及到提供一种不昂贵的方法以“贮存”该应用所需的氢燃料。 贮存氢燃料的便利方法涉及到应用甲醇或二甲醚。对于甲醇而言，氢气可以通过简单的、低温重整反应从甲醇分子中释放，以产生包括氢气的合成气。二甲醚可以通过与水反应被相似地重整而产生氢气。 与其他碳氢化合物相比，作为“燃料”的甲醇和二甲醚的当前成本是高的。因此，开发出一项可以将甲醇和二甲醚的成本降低到“燃料”成本水平的技术是有益的。这样可以启动甲醇和二甲醚作为燃料电池的可行性燃料的应用。 甲醇的通常生产方法是在固定床反应器内，在以铜为基础的催化剂例如Cu/ZnO/Al2O3上，通过一氧化碳的氢化反应而生成的。该技术在近30多年来一直没有变化。用于该技术的催化剂的平均寿命为4年。由于该反应是放热的，因此在反应动力学和反应热力学之间存在着一个折衷。反应速率在更高温度下更快一些，而平衡更易于在低温下建立。在高温下运行可以加快催化剂的失活速率，并且产生不需要的副产物，例如可以形成共沸的酮，使得产品分离变得更加困难。 众所周知，甲醇合成的内在反应速率比反应容器与反应环境之间的热传导率要快。其具有限制甲醇合成的效果。尽管理论上的动力学提示相当于数毫秒或十毫秒或上百毫秒的接触时间是可以达到的，但热传导的慢速率通常需要数秒到数分钟的接触时间。因此开发出一种可以实现非常短的相当于数毫秒或十毫秒或上百毫秒的接触时间的方法是非常有利的。其可以大幅度提高反应器的生产力，也就是说，可以大幅度提高每单位容积反应器的产量。本专利技术方法提供了这样的优势。 二甲醚一般是通过在脱水催化剂存在下经甲醇的脱水而生成的。该反应是放热的，且是平衡限制性的。和甲醇合成一样，二甲醚的合成反应速率受去除反应器热量的能力的限制。改进的热的去除能大幅度增加二甲醚反应器的生产量。本专利技术方法提供了这样的优势。 也可以用一种将甲醇合成和脱水整合在一个反应器中并应用一种组合的甲醇合成催化剂和脱水催化剂的方法直接从合成气中生产二甲醚。这种直接合成方法是放热且是平衡限制性的。由合成气直接合成二甲醚受去除反应器热量的能力的限制。也可以通过实行非常短的接触时间和高的热去除来大幅度提高二甲醚的直接合成。本专利技术方法提供了这样的优势。
技术实现思路
本专利技术涉及一种通过实施平衡限制性化学反应将反应组合物转化成目的产物的方法，该反应组合物包括初级反应物，该方法包括 (A)确定反应组合物中的初级反应物在第一反应温度和另一反应温度下的平衡转化值； (B)反应组合物在第一反应温度下流过微通道反应器内的第一反应区，接触第一种催化剂，形成中间产物组合物，所述中间产物组合物包括初级反应物和目的产物，在第一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为5％，第一反应区和热交换器进行热交换，以使第一反应区内的温度保持为第一反应温度；以及 (C)源自上一步骤的中间产物组合物在另一反应温度下流过微通道反应器内的另一反应区，接触另一种催化剂，形成目的产物，在另一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为5％；另一反应区和热交换器进行热交换，以使另一反应区内的温度保持为另一反应温度。 在一个实施方案中，第一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值，与另一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值基本相同。 在一个实施方案中，反应组合物中初级反应物在位于第一反应温度和另一反应温度之间的一个附加温度下的平衡转化值被确定，在步骤(B)之后但在步骤(C)之前，形成于步骤(B)的中间产物组合物在附加反应温度下流过微通道反应器内的一个附加反应区，接触一种附加催化剂，产生另外一种中间产物组合物，所述另外一种中间产物组合物包括初级反应物和目的产物，在附加反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为5％，附加反应区和热交换器进行热交换，以使附加反应区内的温度保持为附加反应温度。 在一个实施方案中，第一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值、另一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值，以及附加反应区的初级反应物转化的平衡趋近值基本相同。 在每一个反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为5％，在一个实施方案中至少约为20％，在一个实施方案中至少约为40％，在一个实施方案中至少约为50％，在一个实施方案中至少约为60％，在一个实施方案中至少约为70％，在一个实施方案中至少约为80％，在一个实施方案中至少约为90％。因为在一个平衡限制性化学反应中转化趋近100％，该方法的效率显著下降是由于平衡趋近值是渐进性的。因此，在一个明显有利的实施方案中，每一个反应区内的初级反应物转化的平衡趋近值可以从约5％到约99％，在一个实施方案中从约20％到约98％，在一个实施方案中从约40％到约98％，在一个实施方案中从约50％到约95％，在一个实施方案中从约60％到约95％。在一个特别有利的实施方案中，初级反应物转化的平衡趋近值从约75％到约95％，在一个实施方案中从约80％到约95％。 在工艺微通道内的各反应区之间可以存在或不存在物理隔断。在每一个反应区可以使用同一种催化剂，在反应区之间催化剂可以持续延伸。通过控制热交换器内的热交换流体和/或流体特性可以在反应区内保持不同的温度。例如，可以在一些热交换通道内应用更高流速的热交换流体。如果用部分或是全部沸腾的热交换流体来作为去除热量的方法，则单个或成组的热交换通道内的压力可以下降以缓解局部的沸腾温度以及邻接反应区的相应温度。在一个实施方案中，在与反应区相邻的热交换通道应用部分或是全部的冷凝以对吸热反应提供选择性的热量。通过改变热交换通道内的压力可以改变局部热交换通道的温度。 本专利技术方法使用的微通道反应器具有高的表面积-体积比，因此显示出加强的热量和质量传导率。这可以使本专利技术方法在非常接近的温度控制下实施。结合本专利技术方法，可以定制(tailor)微通道反应器内的温度分布以获得更高的产量。在本专利技术方法的一个实施方案中，应用微通道反应器可以得到更强的热交换(例如加强的冷却)，所述微通道反应器能够使用传统反应器中难于使用的高活性催化剂。 附图说明 在附图里，同样的部分和特征具有同样的名称。 图1是可用于本专利技术方法的微通道的示意图。 图2是阐明特殊形式的本专利技术方法的流程示意图，其中反应组合物流过具有两个反应区的微通道反应器，接触催化剂，进行热交换，并反应形成产物。 图3是可用于图2所示微通道反应器的微通道反应器核心的工艺微通道和邻接的热交换通道的示意图，通过热交换通道的热交换流体的流动与通过工艺微通道的反应组合物和产物的流动呈错流。 图4是本专利技术方法的可选实施方案的流程示意图，其中，组合物流过具有2个反应区的微通道反应器，接触催化剂，进行热交换，并反应形成产物。 图5是可用于图4所示微通道反应器的微通道反应器核心的工艺微通道和邻接的热交换通道的示意图，通过热交换通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实施平衡限制性化学反应将反应组合物转化为目的产物的方法，该反应组合物包括初级反应物，该方法包括以下步骤：　　　　（Ａ）确定反应组合物中的初级反应物在第一反应温度和另一反应温度下的平衡转化值；　　　　（Ｂ）反应组合物在第一反应温度下流过微通道反应器内的第一反应区，接触第一种催化剂，形成中间产物组合物，所述中间产物组合物包括初级反应物和目的产物，在第一反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为５％，第一反应区和热交换器进行热交换，以使第一反应区内的温度保持为第一反应温度；以及　　　　（Ｃ）源自上一步骤的中间产物组合物在另一个反应温度下流过微通道反应器内的另一个反应区，接触另一种催化剂，形成目的产物，在另一个反应区的初级反应物转化的平衡趋近值至少约为５％；另一个反应区和热交换器进行热交换，以使另一个反应区内的温度保持为另一反应温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安娜利通科维奇，卡伊托德保罗雅罗施，特里马扎内茨，弗朗西斯P戴利，拉奇德塔哈，恩里克阿塞韦斯德阿尔瓦，
申请(专利权)人：万罗赛斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]