杂多酸/分子筛分段催化天然气制备甲醛和乙烯的反应系统技术方案

杂多酸／分子筛分段催化天然气制备甲醛和乙烯的方法及反应系统，它涉及一种天然气制备甲醛和乙烯的方法和反应系统。本发明专利技术解决了目前天然气制备甲醛和乙烯产率低，不能实现工业化的问题。本发明专利技术的方法步骤如下：ａ．将天然气与压缩空气混合；ｂ．向混合气中加水，汽化；ｃ．一段催化反应；ｄ．二段催化反应；ｅ．冷凝；ｆ．分离。反应系统的第一进气阀和第一流量计的第一进气管的出气口与装有第一气压表和第一温度计的混合器的进气口连通，装有第二进气阀和第二流量计的第二进气管与装有第一气压表和第一温度计的混合器的进气口连通。本发明专利技术甲烷的转化率达到２９．８％，本发明专利技术的方法和装置适用于工业化生产。本发明专利技术的反应系统工艺简单，便于操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种天然气制备甲醛和乙烯的方法和反应装置。
技术介绍
乙烯产量是一个国家石油化工和经济发展水平的重要标志之一，非石油路线的天然气制乙烯技术是天然气化工利用的主要路线之一。目前，天然气制取烯烃的技术路线主要有以下几种(1)甲烷氧化偶联路线，由甲烷一步制取烯烃；(2)氯化路线，首先将甲烷转化为一氯甲烷，再脱HCl转化为乙烯；(3)合成气路线，首先将甲烷转化为合成气，再经费托反应合成乙烯；(4)乙醇路线，先将甲烷转化为合成气，再经催化合成生成乙醇，再脱水而得乙烯；(5)二甲醚路线，将甲烷转化为合成气，再由合成气合成二甲醚脱水制乙烯；(6)甲醇路线，通过合成气制甲醇，然后裂解生成乙烯。对以上六种工艺路线的研究进展不一，却还没有完全实现工业化，目前最经济和有希望实现工业化的是甲烷氧化偶联工艺路线。近二十年来，该工艺受到各国重视，美国的UCC(联合碳化公司，Arco公司)，澳大利亚联邦科学与工业组织，独联体国家和伊朗等国家都在进行研究和开发。国内有几十家单位在进行该项目的研发工作，作为天然气综合利用中最重要课题被列入“八五”国家重点攻关项目，承担单位主要有中科院大连化学物理研究所、兰州化学物理研究所和成都有机化学研究所。近年来在该反应机理，新型催化剂，反应工艺及反应器等方面取得了一定进展。但由于该反应本身受动力学控制，甲烷的转化率低于25％，催化剂的研究方面未能摆脱美国的UCC公司的影响，因此达到甲烷转化率为30％的工业化水平仍有一段距离。近年来，由于石油资源的储备萎缩，天然气在化工原料中的地位日益突出。将使能源结构和化学工业资源结构发生重大变革。为此所做的技术储备是人们极为关注的研究课题。在石油价格攀升的情况下，利用甲烷氧化偶联反应分阶段有效的将天然气的主要成分甲烷催化转化为高附加值的甲醛和乙烯，减少对石油资源的过分依赖，具有重要的技术和经济吸引力。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前天然气制备甲醛和乙烯产率低，不能实现工业化的问题，提供一种杂多酸/分子筛分段催化天然气制备甲醛和乙烯的方法及反应系统。本专利技术天然气制备甲醛和乙烯方法的步骤如下a、将天然气与压缩空气混合，用流量计控制天然气中甲烷和压缩空气的体积比为1～2∶1，两种原料气总流量为40～80ml/min；b、向混合气中加水，水流量为5～10mL/min，在120～150℃条件下汽化；c、一段催化反应在200～300℃、1.1～1.3atm条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化混合气，将混合气转化为甲醛，杂多酸催化剂的负载比例为5～15％；d、二段催化反应在780～820℃条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化经步骤c处理后的混合气，将混合气转化为乙烯，杂多酸催化剂负载比例为5～15％；e、将步骤d处理后的产物冷凝；f、将产物用分离器分离，即得到甲醛和乙烯。本专利技术天然气制备甲醛和乙烯反应系统由第一进气管、第二进气管、混合器、放空气管、第一连接管、汽化器、第二连接管、第一固定床反应器、第三连接管、第二固定床反应器、第四连接管、冷阱、第五连接管、分离器、带有出气阀的出气管、带有出液阀的出液管和带有计量泵的进水管组成；第一进气管的出气口与混合器的进气口连通，第二进气管的出气口与混合器的进气口连通，混合器与汽化器通过第一连接管连通，带有计量泵的进水管的出水口与汽化器的进水口连通，汽化器与第一固定床反应器通过的第二连接管连通，第一固定床反应器与第二固定床反应器通过的第三连接管连通，第二固定床反应器与冷阱通过第四连接管连通，第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置有放空管，冷阱与分离器通过第五连接管连通，分离器的出气口与带有出气阀的出气管的进气口连通，分离器的出液口与带有出液阀的出液管的进液口连通。第一固定床反应器和第二固定床反应器均由原料进气管、热电偶、法兰、反应筒、催化剂填料层、反应出气管和套筒组成；原料进气管与反应筒通过法兰连通，反应筒的出气口与反应出气管的进气口连通，反应筒内的中部装有催化剂填料层，套筒的上端与法兰的下法兰盘固定连接，套筒的下端伸入反应筒的中部，套筒内装有热电偶，第一固定床反应器的原料进气管的进气口与第二连接管的出气口连通，第一固定床反应器的反应出气管的出气口与第三连接管的进气口连通，第三连接管的出气口与第二固定床反应器的原料进气管的进气口连通，第二固定床反应器的反应出气管与第四连接管连通。本专利技术应用溶胶-凝胶技术将合成的P-Mo-V-Mn(Fe，Cu)等系列杂多酸/分子筛催化剂负载在二氧化硅载体上。本专利技术将天然气分阶段梯度升温，采用杂多酸/分子筛催化剂催化氧化生产甲醛和乙烯，使甲醛的产率达到6.8％，乙烯产率达到23％，提高甲烷的转化率达到29.8％。本专利技术的方法和装置适用于工业化生产。本专利技术的反应系统工艺简单，便于操作。附图说明图1是本专利技术反应系统的整体结构示意图，图2是固定床反应器的结构示意图；图中1是进气阀，2是流量计，3是气压表，4是温度计。具体实施例方式具体实施方式一本实施方式天然气制备甲醛和乙烯的方法的步骤如下a、将天然气与压缩空气混合，用流量计控制天然气中甲烷和压缩空气的体积比为1～2∶1，两种原料气总流量为40～80ml/min；b、向混合气中加水，水流量为5～10mL/min，在120～150℃条件下汽化；c、一段催化反应在200～300C、1.1～1.3atm条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化混合气，将混合气转化为甲醛，杂多酸催化剂的负载比例为5～15％；d、二段催化反应在780～820℃条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化经步骤c处理后的混合气，将混合气转化为乙烯，杂多酸催化剂负载比例为5～15％；e、将步骤d处理后的产物冷凝；f、将产物用分离器分离，即得到甲醛和乙烯。具体实施方式二本实施方式在步骤a中天然气中甲烷和压缩空气的体积比为1.2～1.8∶1。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三本实施方式中天然气中甲烷和压缩空气的体积比为1.5∶1。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式四本实施方式在步骤c中杂多酸催化剂为H4PMo11VO40。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式五本实施方式在步骤c中反应温度为220～280℃。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式六本实施方式中分子筛的材料为SiO2，孔径为1～2nm。具体实施方式七本实施方式在步骤d中杂多酸催化剂为Na2MoO4-Na2WO4-MnO2。Na2MoO4、Na2WO4与MnO2的质量比为2.5～5∶2～4∶1。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式八本实施方式在步骤d中反应温度为800℃。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式九本实施方式中天然气制备甲醛和乙烯反应系统由第一进气管5、第二进气管6、混合器7、放空气管10、第一连接管11、汽化器12、第二连接管15、第一固定床反应器16、第三连接管17、第二固定床反应器18、第四连接管19、冷阱20、第五连接管21、分离器22、带有出气阀24的出气管23、带有出液阀26的出液管25和带有计量泵27的进水管28组成；第一进气管5的出气口与混合器7的进气口连通，第二进气管6的出气口与混合器7的进气口连通，混合器7与汽化器12通过第一连接管11连通，带有计量泵27本文档来自技高网...

【技术保护点】
杂多酸／分子筛分段催化天然气制备甲醛和乙烯的方法，其特征在于该方法的步骤如下：ａ、将天然气与压缩空气混合，用流量计控制天然气中甲烷和压缩空气的体积比为１～２∶１，两种原料气总流量为４０～８０ｍｌ／ｍｉｎ；ｂ、向混合气中加水，水流量为５～１０ｍＬ／ｍｉｎ，在１２０～１５０℃条件下汽化；ｃ、一段催化反应；在２００～３００℃、１．１～１．３ａｔｍ条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化混合气，将混合气转化为甲醛，杂多酸催化剂的负载比例为５～１５％；ｄ、二段催化反应：在７８０～８２０℃条件下，用负载杂多酸催化剂的分子筛催化经步骤ｃ处理后的混合气，将混合气转化为乙烯，杂多酸催化剂负载比例为５～１５％；ｅ、将步骤ｄ处理后的产物冷凝；ｆ、将产物用分离器分离，即得到甲醛和乙烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉林，范瑞清，赵云鹏，韩振亚，刘大锐，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]