CN102649564B - 含co混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，主要解决以往技术中用于含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢过程中，温度控制困难，存在氢气脱除率低，CO损失率高的技术问题。本发明通过采用以含氢气和CO的气体为原料，在反应温度为80～260℃，体积空速为100～10000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.5～10∶1，反应压力为-0.08～5.0MPa的条件下，原料依次与热点分布区域强化换热组合反应器中的上绝热催化剂床、换热催化剂床和下绝热催化剂床内的贵金属催化剂接触，原料中的氢气被氧化为水的技术方案，较好地解决了该问题，可用于含CO混合气体原料催化氧化脱氢的工业生产中。

Description

含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法

技术领域

本发明涉及一种含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，特别是关于采用热点分布区域强化换热组合反应器，实现CO混合气体原料催化氧化脱氢反应，实用于含CO混合气体原料催化氧化脱氢反应过程中。

背景技术

草酸酯是重要的有机化工原料，大量用于精细化工生产各种染料、医药、重要的溶剂，萃取剂以及各种中间体。进入21世纪，草酸酯作为可降解的环保型工程塑料单体而受到国际广泛重视。此外，草酸酯常压水解可得草酸，常压氨解可得优质缓效化肥草酰氨。草酸酯还可以用作溶剂，生产医药和染料中间体等，例如与脂肪酸酯、环己乙酰苯、胺基醇以及许多杂环化合物进行各种缩合反应。它还可以合成在医药上用作激素的胸酰碱。此外，草酸酯低压加氢可制备十分重要的化工原料乙二醇，而目前乙二醇主要依靠石油路线来制备，成本较高，我国每年需大量进口乙二醇，2007年进口量近480万吨。

传统草酸酯的生产路线是利用草酸同醇发生酯化反应来制备的，生产工艺成本高，能耗大，污染严重，原料利用不合理。而采用一氧化碳偶联技术生产草酸酯已成为国内外研究的热点。

众所周知，一氧化碳可从各种含一氧化碳的混合气中分离提取，工业上可用于分离一氧化碳的原料气包括：天然气和石油转化的合成气、水煤气、半水煤气以及钢铁厂、电石厂和黄磷厂的尾气等。现有CO分离提纯的主要方法是变压吸附法，我国有多家公司开发了变压吸附分离一氧化碳新技术，尤其是开发的高效吸附剂，对一氧化碳有极高吸附容量和选择性，可解决从氮或甲烷含量高的原料气中分离出高纯度一氧化碳的难题，可设计建成大型一氧化碳分离装置。尽管如此，由该技术从合成气中分离出的一氧化碳，在兼顾一氧化碳收率的前提下，通常情况下其氢气的含量可达到1％以上。而研究表明氢气的存在会导致后续CO偶联反应催化剂活性降低，直至反应无法进行，因此，开发一氧化碳选择除氢技术意义重大。

目前，国内外报道的脱氢催化剂主要有Pd/Al₂O₃、CoMo/Al₂O₃等，也有基于锰系金属氧化物的脱氢剂，但这些催化剂或脱氢剂一般用于高纯氮、高纯氧以及二氧化碳等非还原性气体的脱氢净化。而对于CO还原气体存在下，催化剂对氢气的脱除率低，CO的损失率高。如采用文献CN97191805.8公开的催化氧化脱氢的方法及催化剂，在用于氢气含量10％的CO混合气体为原料，在反应温度220℃，体积空速3000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.6∶1，反应压力为0.5MPa的条件下，CO的损失率高达1.5％，反应流出物中氢气的含量高达1000ppm。

上述文献所涉及的技术存在的主要问题是工艺及催化剂不合理，导致一氧化碳损失率高，氢气脱除不彻底。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是以往文献技术中用于含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢反应过程中，温度控制困难，存在氢气脱除率低，CO损失率高的技术问题，提供一种新的含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法。该含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢用于含CO混合气体原料催化氧化脱氢过程中，温度控制均匀，具有氢气脱除率高，CO损失率低的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，以含氢气和CO的气体为原料，在反应温度为80～260℃，体积空速为100～10000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.5～10∶1，反应压力为-0.08～5.0MPa的条件下，原料依次与热点分布区域强化换热组合反应器中的上绝热催化剂床、换热催化剂床和下绝热催化剂床内的贵金属催化剂接触，原料中的氢气被氧化为水，其中热点分布区域强化换热组合反应器基本由原料入口(1)、多孔气体分布板(3)、气体分布室(4)、上绝热催化剂床(5)、换热催化剂床(6)、下绝热催化剂床(7)、换热管(13)、集气室(8)和多孔集气板(9)构成，其主要特征在于换热催化剂床(6)位于上绝热催化剂床(5)的下部，下绝热催化剂床(7)的上部，且换热催化剂床(6)内设置换热管(13)。

上述技术方案中多孔集气板(9)位于集气室(8)内，并与气体出口(10)相连接。多孔气体分布板(3)位于气体分布室(4)内，并与原料入口(1)相连接。上绝热催化剂床(5)上部距离多孔气体分布板(3)下部的长度是反应器长度的1/30～1/6；下绝热催化剂床(7)的下部距离多孔集气板(9)上部的垂直高度是反应器高度的1/30～1/6。上绝热催化剂床(5)的高度是换热催化剂床(6)高度的1/6～3/2，下绝热催化剂床(7)是换热催化剂床(6)高度的1/6～1/1。

上述技术方案中反应条件优选为：反应温度为120～240℃，体积空速为500～6000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.5～4∶1，反应压力为0.01～2.0MPa，贵金属催化剂活性组分优选选自钯或铂，载体优选选自氧化铝。

众所周知，氢气与氧气的反应是高强度的放热反应，在CO存在下的氢气脱除反应，对温度的控制要求很高。若温度控制不当，可能会造成因为温度偏高而引发CO与氧气反应，这不仅会导致放热量进一步加大，温度进一步升高，而且CO的损失也会急剧增加，因此控制反应床层温度分布均匀对含CO气体混合物通过氧化脱氢反应过程至关重要，催化剂床层的温度分布越均匀，氢气的选择脱除就越容易控制，且容易保持较低的CO损失率。对于常规的固定床反应器而言，由于催化反应在催化剂上并不按前后相等速度进行，一般反应器前部离平衡远，反应速度快，放出反应热也多，表现为前部偏中间位置容易出现显著的热点区域，而后部随反应接近平衡，反应速度减慢，放出反应热也少，若采用常规的列管反应器，其冷却剂的温度前后一样，这样如果降低冷却剂温度，加大传热温差和移热，达到中前部高反应速度和强反应热的移热要求，则反应器下部或后部反应热减小，移热大于反应热造成反应温度下降，使反应速度进一步减慢直到催化剂活性以下就停止反应，因此难以做到前后部反应都在最佳反应温度下进行的两全其美的办法。本发明针对这一根本矛盾，并依据反应的放热特点，在反应器中部设置换热区，而反应器两端设置绝热区，使热点区域扁平化，温度分布更趋均匀合理，这对于最大化的发挥催化剂的效率，最大程度地降低CO的损失，以及较为彻底地脱除原料中的氢气，提供有益的效果。

本发明用图1所示装置，热点分布区域强化换热组合反应器，精确控制温度，采用贵金属钯或铂负载氧化铝为催化剂，在反应温度为80～260℃，体积空速为100～10000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.5～10∶1，反应压力为-0.08～5.0MPa的条件下，原料依次与热点分布区域强化换热组合反应器中的上绝热催化剂床、换热催化剂床和下绝热催化剂床内的贵金属催化剂接触，原料中的氢气被氧化为水，在含CO的气体原料中，氢气的体积百分含量为大于0～15％的条件下，氢气的脱除率可达到100％，CO的损失率可小于0.3％，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为本发明采用的热点分布区域强化换热组合反应器示意图。

图1中1是原料入口，2是人孔，3是多孔气体分布板，4是气体分布室，5是上绝热催化剂床，6是换热催化剂床，7是下绝热催化剂床，8是集气室，9是多孔集气板，10是气体出口，11是催化剂卸出口，12是换热介质出口，13是换热管，14是换热介质入口，15是反应器罐体。

图1中原料由原料入口1引入，气体经多孔气体分布板3分布后进入分布室4进一步混合分布，然后进入上绝热催化剂床5与催化剂接触反应，有一定温升的反应流出物再进入换热催化剂床6，反应过程中释放出的热量通过换热管13进行热量的移出，保持换热催化剂床6内的温度均匀，大部分原料反应后的流出物最后进入下绝热催化剂床7进一步反应完全后，流出物进入集气室8，通过多孔集气板9经气体出口10进入后续系统。由于热点温度分布区域采用换热管进行热量的移出与控制，从而达到整个反应器催化剂床温度均布的效果。

下面通过实施例对本发明作进一步阐述。

具体实施方式

【实施例1】

用图1的热点分布区域强化换热组合反应器，采用换热管对换热催化剂床内的催化剂进行换热，其中，反应器的上绝热催化剂床上部距离多孔气体分布板下部的长度是反应器长度的1/20；下绝热催化剂床的下部距离多孔集气板上部的垂直高度是反应器高度的1/10，反应器的上绝热催化剂床的高度是换热催化剂床高度的1/8，下绝热催化剂床是换热催化剂床高度的1/4，以钯含量为0.5％的钯负载氧化铝的催化剂为催化剂，用氢气含量10％的CO混合气体为原料，在反应入口温度220℃，体积空速3000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.6∶1，反应压力为0.5MPa的条件下，反应结果为：CO的损失率为0.32％，反应流出物中氢气的含量为0ppm，反应器催化剂床温差小于10℃。

【实施例2】

用图1的热点分布区域强化换热组合反应器，采用换热管对换热催化剂床内的催化剂进行换热，其中，反应器的上绝热催化剂床上部距离多孔气体分布板下部的长度是反应器长度的1/10；下绝热催化剂床的下部距离多孔集气板上部的垂直高度是反应器高度的1/20，反应器的上绝热催化剂床的高度是换热催化剂床高度的1/3，下绝热催化剂床是换热催化剂床高度的1/4，以钯含量为0.2％的钯负载氧化铝的催化剂为催化剂，用氢气含量5％的CO混合气体为原料，在反应入口温度200℃，体积空速1000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.7∶1，反应压力为0.1MPa的条件下，反应结果为：CO的损失率为0.15％，反应流出物中氢气的含量为3ppm，反应器催化剂床温差小于8℃。

【实施例3】

用图1的热点分布区域强化换热组合反应器，采用换热管对换热催化剂床内的催化剂进行换热，其中，反应器的上绝热催化剂床上部距离多孔气体分布板下部的长度是反应器长度的1/8；下绝热催化剂床的下部距离多孔集气板上部的垂直高度是反应器高度的1/5，反应器的上绝热催化剂床的高度是换热催化剂床高度的1/3，下绝热催化剂床是换热催化剂床高度的1/6，以钯含量为0.3％的钯负载氧化铝的催化剂为催化剂，用氢气含量1％的CO混合气体为原料，在反应入口温度180℃，体积空速5000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.8∶1，反应压力为2.5MPa的条件下，反应结果为：CO的损失率为0.15％，反应流出物中氢气的含量为3ppm，反应器催化剂床温差小于6℃。

【实施例4】

用图1的热点分布区域强化换热组合反应器，采用换热管对换热催化剂床内的催化剂进行换热，其中，反应器的上绝热催化剂床上部距离多孔气体分布板下部的长度是反应器长度的1/15；下绝热催化剂床的下部距离多孔集气板上部的垂直高度是反应器高度的1/20，反应器的上绝热催化剂床的高度是换热催化剂床高度的1/3，下绝热催化剂床是换热催化剂床高度的1/4，以钯含量为0.2％的钯负载氧化铝的催化剂为催化剂，用氢气含量0.5％的CO混合气体为原料，在反应入口温度180℃，体积空速4000小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.6∶1，反应压力为-0.05MPa的条件下，反应结果为：CO的损失率为0.11％，反应流出物中氢气的含量为1ppm，反应器催化剂床温差小于5℃。

【实施例5】

用图1的热点分布区域强化换热组合反应器，采用换热管对换热催化剂床内的催化剂进行换热，其中，反应器的上绝热催化剂床上部距离多孔气体分布板下部的长度是反应器长度的1/8；下绝热催化剂床的下部距离多孔集气板上部的垂直高度是反应器高度的1/20，反应器的上绝热催化剂床的高度是换热催化剂床高度的1/2，下绝热催化剂床是换热催化剂床高度的1/3，以铂含量为0.1％的铂负载氧化铝的催化剂为催化剂，用氢气含量0.8％的CO混合气体为原料，在反应入口温度260℃，体积空速500小时^-1，氧气/氢气摩尔比为0.7∶1，反应压力为0.01MPa的条件下，反应结果为：CO的损失率为0.16％，反应流出物中氢气的含量为3ppm，反应器催化剂床温差小于5℃。

【比较例1】

参照实施例1的各个步骤及反应条件，只是含CO混合气体原料催化氧化脱氢反应器采用绝热固定床反应器，反应结果为：CO的损失率为3.2％，反应流出物中氢气的含量为160ppm，反应器催化剂床温差为18℃。

【比较例2】

参照实施例2的各个步骤及反应条件，只是CO混合气体原料催化氧化脱氢反应器采用绝热固定床反应器，反应结果为：CO的损失率为4.2％，反应流出物中氢气的含量为180ppm，反应器催化剂床温差为12℃。

Claims (4)

1.一种含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，以含氢气和CO的气体为原料，在反应温度为80～260℃，体积空速为100～10000小时^-1，氧气／氢气摩尔比为0.5～10∶1，反应压力为-0.08～5.0MPa的条件下，原料依次与热点分布区域强化换热组合反应器中的上绝热催化剂床、换热催化剂床和下绝热催化剂床内的贵金属催化剂接触，原料中的氢气被氧化为水，其中热点分布区域强化换热组合反应器基本由原料入口(1)、多孔气体分布板(3)、气体分布室(4)、上绝热催化剂床(5)、换热催化剂床(6)、下绝热催化剂床(7)、换热管(13)、集气室(8)和多孔集气板(9)构成，其主要特征在于换热催化剂床(6)位于上绝热催化剂床(5)的下部，下绝热催化剂床(7)的上部，且换热催化剂床(6)内设置换热管(13)；其中，所述的反应器的上绝热催化剂床(5)上部距离多孔气体分布板(3)下部的长度是反应器长度的1／30～1／6；下绝热催化剂床(7)的下部距离多孔集气板(9)上部的垂直高度是反应器高度的1／30～1／6；反应器的上绝热催化剂床(5)的高度是换热催化剂床(6)高度的1／6～3／2，下绝热催化剂床(7)是换热催化剂床(6)高度的1／6～1／1。

2.根据权利要求1所述含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，其特征在于反应器的多孔集气板(9)位于集气室(8)内，并与气体出口(10)相连接。

3.根据权利要求1所述含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，其特征在于反应器的多孔气体分布板(3)位于气体分布室(4)内，并与原料入口(1)相连接。

4.根据权利要求1所述含CO混合气体原料借助催化氧化反应脱氢的方法，其特征在于反应温度为120～240℃，体积空速为500～6000小时^-1，氧气／氢气摩尔比为0.5～4∶1，反应压力为0.01～2.0MPa，贵金属催化剂活性组分选自钯或铂，载体选自氧化铝。