Fórmula química del éter dimetílico
1. Propiedades y usos del dimetiléter
El dimetiléter (DME) es un gas incoloro con un ligero olor a éter. La presión de vapor a temperatura normal es de aproximadamente 0,5 MPa, que es muy similar a las propiedades físicas del gas licuado de petróleo. El dimetiléter es inerte, no corrosivo, no cancerígeno y prácticamente no tóxico. El dimetiléter, a diferencia del dietiléter, no forma peróxidos cuando se expone al aire durante largos períodos de tiempo. La presión de vapor saturado del dimetil éter es menor que la del gas licuado de petróleo. Es más seguro de almacenar y transportar que el gas licuado de petróleo. Tiene buen rendimiento de combustión, alta eficiencia térmica, sin residuos ni humo negro durante el proceso de combustión, y bajo. Emisiones de CO y NO. El éter dimetílico también se puede mezclar con gas de petróleo licuado, gas de carbón o gas natural para aumentar el calor. Más del 95% del éter dimetílico se puede utilizar directamente como combustible para reemplazar el gas de petróleo licuado. Por lo tanto, puede ser una alternativa de combustible limpio ideal al gas licuado. Además, el éter dimetílico también se puede utilizar como materia prima química, principalmente para fabricar pinturas en aerosol, pesticidas, ambientadores, lacas para el cabello, inhibidores de óxido y lubricantes.
2. Progreso del desarrollo del éter dimetílico en el país y en el extranjero.
El método de producción del éter dimetílico se obtuvo inicialmente mediante la destilación de subproductos en la producción de metanol a alta presión. Con la aplicación generalizada de la tecnología de síntesis de metanol a baja presión, las reacciones secundarias se han reducido considerablemente y la tecnología de producción industrial de dimetiléter se ha convertido rápidamente en deshidratación de metanol o gas de síntesis directa. Los métodos de deshidratación de metanol incluyen el método de metanol en fase líquida y el método de metanol en fase gaseosa. La primera reacción se lleva a cabo en fase líquida y se deshidrata con ácido sulfúrico concentrado para obtener metanol. Sin embargo, este método se ha ido eliminando gradualmente debido a problemas como la pequeña escala del equipo, la fácil corrosión del equipo, la contaminación ambiental y las malas condiciones de operación. En los últimos años, la demanda de dimetiléter ha aumentado significativamente. Los países han desarrollado sucesivamente nuevas tecnologías con baja inversión, buenas condiciones de funcionamiento y sin contaminación. Existen principalmente métodos de dos pasos y métodos de un solo paso.
El método de dos pasos produce primero metanol a partir de gas de síntesis y luego el metanol se deshidrata bajo la acción de un catalizador para producir dimetiléter. En el pasado, el ácido sulfúrico se usaba principalmente como catalizador, pero ahora el tamiz molecular ZSM-5 hecho de γ-Al2O3/SiO_2 se usa a menudo como catalizador. Tiene un rendimiento excelente y buena selectividad, puede producir éter dimetílico de alta pureza. y puede evitar la contaminación.
La producción directa en un solo paso de dimetiléter a partir de gas de síntesis implica que el gas de síntesis ingrese al reactor y complete la síntesis de metanol, la deshidratación de metanol y la reacción de cambio de gas de agua al mismo tiempo. El producto es una mezcla de metanol y dimetiléter. , que se separa por destilación para obtener éter dimetílico y el metanol sin reaccionar se devuelve al reactor. El método de un paso suele utilizar un catalizador bifuncional, que generalmente está compuesto por dos catalizadores, uno es un catalizador de síntesis de metanol y el otro es un catalizador de deshidratación de metanol. Los catalizadores utilizados para la síntesis de metanol incluyen catalizadores a base de cobre, zinc y aluminio (O), como BASF, S3-85 e I-CI-512. Los catalizadores de deshidratación de metanol incluyen alúmina, SiO_2-Al_2O_3 poroso, tamiz molecular tipo Y, tamiz molecular ZSM-5, mordenita, etc. Según el tipo de reactor, el proceso de un solo paso se puede dividir en lecho fijo y lecho en suspensión.
La reacción de preparación de dimetil éter en un solo paso se puede dividir en los siguientes pasos:
Monóxido de carbono+H2-->CH3OH-δH = 90,7 kj/mol(1)< /p >
2ch2 oh-& gt; CH3 och 3+H2O-δH = 23,5 kj/mol(2)
Monóxido de carbono+H2O-->Dióxido de carbono+H2-δH = 41,2 kj /mol( 3)
Fórmula de reacción total: 3co+3 H2—>;ch 3 och 3+CO2-δH = 246,1 kJ/mol(4)
En comparación con los dos Método de un paso, la ley de un paso tiene sus propias ventajas. La tasa de conversión de CO en el método de un paso es mucho mayor que en el método de dos pasos. Sin embargo, en el método de un paso, dado que deben ocurrir tres reacciones simultáneamente y las tres reacciones son reacciones exotérmicas, se utiliza el catalizador. Se requiere que tenga buena resistencia al calor a altas temperaturas sexuales y alta selectividad. El éter dimetílico producido mediante el método de un solo paso se utiliza generalmente como combustible de éter de alcohol. Si se desea producir una alta pureza, se requiere una separación y purificación adicionales. Aunque la tasa de conversión del método de dos pasos no es tan alta como la del método de un solo paso, tiene las características de una tecnología de producción madura, una amplia adaptabilidad del equipo y un posprocesamiento simple. Puede construirse directamente en una planta de producción de metanol o en otras plantas de producción distintas de metanol con mejores instalaciones públicas. En comparación con el método de un solo paso, el proceso de síntesis en dos pasos es un poco más largo, pero los dos catalizadores se instalan en reactores diferentes y no interfieren entre sí. A juzgar por la tendencia actual de desarrollo tecnológico, el método de un solo paso tiene las características de proceso corto, alta eficiencia del equipo, baja presión operativa y alta tasa de conversión de CO en una sola pasada, lo que reduce en gran medida la inversión en el equipo y los costos operativos. La síntesis de dimetil éter es mayor que la del método de dos pasos. Por lo tanto, el método de un solo paso es más sólido desde el punto de vista económico, más competitivo en el mercado y, en general, más ventajoso desde el punto de vista tecnológico.
Según el estado de fase y las características del proceso de reacción, existen métodos de dos y tres fases para la síntesis en un solo paso de dimetiléter a partir de gas de síntesis. El método de dos fases también se denomina método de fase gaseosa (GPDME) y el método de tres fases también se denomina método de fase líquida (LPDME). El método en fase gaseosa se lleva a cabo principalmente en un reactor de lecho fijo y el gas de síntesis reacciona sobre la superficie del catalizador sólido. Si se utiliza gas de síntesis rico en carbono, la superficie del catalizador se coquizará rápidamente y se desactivará. Por lo tanto, el método en fase gaseosa sólo puede utilizar gas de síntesis rico en hidrógeno (H2/monóxido de carbono es mucho mayor que 2) y operar con tasas de conversión bajas (el gas de síntesis sin reaccionar se recicla en grandes cantidades). Los principales flujos de proceso del método en fase gaseosa incluyen el método TIGAS de la empresa danesa Topso y el método ASMTG desarrollado conjuntamente por la japonesa Mitsubishi Heavy Industries y COSMO Petroleum Company.
El método en fase líquida se lleva a cabo principalmente en un reactor de suspensión, en el que CO, H2 y dimetil éter están en fase gaseosa, el disolvente inerte está en fase líquida y el polvo de catalizador suspendido en el disolvente está en fase sólida. Debido a la gran capacidad calorífica de la fase líquida, el método de fase líquida es fácil de operar a una temperatura constante. La superficie de las partículas del catalizador está rodeada de disolvente, lo que alivia en gran medida el fenómeno de coquización. Por lo tanto, se puede producir gas de síntesis rico en carbono. ser utilizado como materia prima. En la actualidad, la Universidad Tsinghua de China, Air Chemical Corporation de Estados Unidos y NKK Company de Japón están comprometidas con el desarrollo de la tecnología de industrialización de la síntesis en un solo paso de dimetiléter a partir de gas de síntesis de lecho en suspensión, y al final realizaron pruebas piloto. del siglo pasado y principios de este, respectivamente, para suministrar éter dimetílico sentaron las bases para una producción a gran escala.
En la actualidad, las unidades nacionales de I+D de tecnología DME incluyen principalmente Shandong Jiutai Chemical Technology Co., Ltd., el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Tsinghua, el Instituto de Investigación Blue Flower, la Universidad de Zhejiang, el Instituto de Investigación de Catálisis de la Universidad de Hangzhou y Instituto Dalian de Industria Química de la Academia de Ciencias de China, Universidad Tecnológica de Taiyuan, Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China, Instituto de Investigación de Industria Química del Suroeste del Ministerio de Industria Química, etc.
Li, hijo del presidente de Shandong Jiutai Chemical Technology Co., Ltd., lleva mucho tiempo comprometido con la investigación en el campo de la energía y la industria química, y aborda activamente la tecnología del éter dimetílico. Después de repetidas investigaciones experimentales, en 2001 se desarrolló un método de producción de dimetiléter de alta eficiencia y bajo costo, a saber, "producción catalítica de deshidratación ácida compuesta en fase líquida de dimetiléter", y solicitaron una patente en China. En julio de 2002, el Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Shandong organizó expertos para evaluar el proyecto y consideró que la tecnología de producción había alcanzado el nivel líder internacional y había resuelto los problemas mundiales en el proceso de producción de dimetiléter. En mayo de 2004, la tecnología patentada ganó la medalla de oro en la Exposición Internacional de Patentes y Marcas Famosas de China celebrada por la Oficina Estatal de Propiedad Intelectual, y Shandong Jiutai Chemical Technology Co., Ltd. fue nombrada una de las "Diez principales empresas patentadas en China". ".
Bajo los auspicios del académico Jin Yong, el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Tsinghua desarrolló una síntesis en un solo paso de lecho en suspensión de tecnología de éter dimetílico. La prueba piloto ha superado la valoración técnica organizada por la Comisión Estatal de Educación y ha alcanzado el nivel avanzado internacional. En 2003, la Universidad de Tsinghua y Chongqing Yingli Fuel Chemical Co., Ltd. invirtieron conjuntamente 20 millones de yuanes para construir una planta piloto de 3.000 toneladas anuales de éter dimetílico. Se puso en funcionamiento a finales de abril de 2004 y produjo productos calificados de éter dimetílico. Sobre esta base, Chongqing Yingli Fuel Chemical Co., Ltd. llevará a cabo el seguimiento de la tecnología y el trabajo de apoyo a la industrialización relacionado, y construirá equipos de producción industrial a gran escala.
A juzgar por los resultados de la reacción, la tecnología de producción de éter dimetílico en lecho de suspensión circulante desarrollada por la Universidad de Tsinghua es significativamente mejor que el proceso LPDMETM de American Air Products Company y los resultados de las pruebas piloto de la empresa japonesa NKK. Tasa de conversión de CO en un solo paso. Mejora significativa. Al mismo tiempo, también se produce vapor de presión media (2,0 MPa) durante el proceso de reacción y la tasa de utilización de energía es alta. El catalizador utilizado en el proceso LPDMETM es muy sensible al agua, por lo que el metanol y el dimetiléter solo se pueden coproducir a partir de gas de síntesis con una baja relación molar H2/monóxido de carbono, y la selectividad del dimetiléter no se puede mejorar. El catalizador de desarrollo propio se aplicó al proceso de producción de dimetiléter en lecho de suspensión circulante desarrollado por la Universidad de Tsinghua. La selectividad del dimetiléter alcanzó más del 94%. No se encontró una desactivación evidente del catalizador durante la operación de prueba, lo que indica que el catalizador tiene un buen rendimiento. estabilidad.
Sin embargo, al producir dimetil éter en un solo paso, una molécula de dimetil éter producirá una molécula de CO2, es decir, un tercio del CO2 se produce durante el proceso de producción. consumo de gas materia prima, pero también aumenta el impacto ambiental del proceso de producción. Considerar las emisiones de CO2 no es lo ideal, es un desperdicio desde la perspectiva de la conservación de recursos.
Según la fórmula de la reacción química, la relación molar teórica de H2 y monóxido de carbono en el proceso de producción de dimetiléter es 1:1, pero los métodos de producción de gas comúnmente utilizados, como la gasificación de aire en lecho fijo utilizando El carbón como materia prima ni el gas de carbón ni el oxígeno puro producidos por la conversión de vapor de agua del gas natural como materia prima pueden cumplir con este requisito. Por lo tanto, reciclar CO2 es de gran importancia.
La síntesis directa de dimetil éter mediante hidrogenación de CO2 es un nuevo método de síntesis de dimetil éter y se encuentra en fase exploratoria. El CO2 es el recurso de carbono más abundante en la Tierra y el efecto invernadero que provoca ha provocado enormes pérdidas en el equilibrio ecológico humano. Por ello, la síntesis de diversas sustancias químicas a partir de CO2 para lograr el reciclaje de CO2 ha despertado el interés de investigadores de todo el mundo. Dado que la hidrogenación de CO2 a metanol está limitada por el equilibrio termodinámico, la gente ha comenzado a prestar atención a la producción directa de dimetiléter mediante hidrogenación de CO2. Esto puede romper el equilibrio termodinámico de la hidrogenación de CO2 a metanol y mejorar la tasa de conversión de CO2. El Instituto de Física Química de Dalian también ha trabajado mucho en este sentido y se está preparando para construir un dispositivo de demostración industrial para la reacción de CO2 y H2 para producir metanol y dimetiléter. Los investigadores nacionales y extranjeros han trabajado mucho y han logrado algunos resultados, pero la tasa de conversión del CO2 es sólo del 14 al 29% y la selectividad del éter dimetílico es sólo del 50%. Por lo tanto, esta tecnología necesita mejoras adicionales.