[发明专利]包含结构化壁的微通道设备,制造甲醛的化学过程,方法

说明书

简介

Fe-Mo-Ox催化剂在工业上用于甲醇选择性氧化生成甲醛。该反应在多管式反应器中进行，壳体中具有循环的传热流体。反应温度为350-450℃。但是，由于该反应是放热的，所以会在催化剂床中出现热点。这些“热点”促使Mo作为“钼蓝”升华，从而导致催化剂失活。因此，每6-12个月需要更换Fe-Mo氧化物催化剂。

众所周知，在微通道中进行化学过程有利于加强传热和传质。

发明概述

本发明提供进行串联反应或串并联反应的方法。本发明还提供新颖的微通道装置，以及在微通道装置中进行反应的方法。本发明还提供制造甲醛以及适合于制造甲醛的催化剂的改进的方法。

在第一方面中，本发明提供进行串联反应或串并联反应的方法，该方法包括：将第一反应物通入微通道中；分多个阶段将第二反应物通入微通道中；其中第一反应物和第二反应物在各阶段中反应；其中以第一反应物为基准计，该方法的主要产物的产率至少为90％，而且，其中在各阶段结束时，第二反应物未完全消耗，其存在量为0.01-10摩尔％。在一些实施方式中，根据连续阶段进料量的非线性递减曲线将第二反应物分阶段。在一些实施方式中，该方法包括多相反应；例如，三相(气-液-固)反应(例如脂肪酸在Ni催化剂上氢化)。在另一种优选的多相反应中，第一反应物包含液体，通过进口将该液体进料至微通道中，第二反应物包含气体，通过小孔将该气体进料至微通道中，第一反应物和第二反应物在微通道壁上负载的固体催化剂处反应。在另一种优选的该方法实施方式中，使两种或更多种反应物进料通过主微通道，将这些反应物中的一种或多种通过小孔分多个阶段进料至微通道中。在一种优选的实施方式中，第一反应物是甲醇，第二反应物是氧(在该方法中可以合成甲醛)。在一种优选的合成甲醛的方法中，甲醇和氧在催化剂上反应，该催化剂包含设置在氧化钛上的钒和钼的氧化物的混合物，该氧化钛设置在中孔基质上。在该方法的另一种实施方式中，催化剂设置在中孔基质上，该中孔基质设置在沿微通道长度的阱中(优选微通道中存在与中孔基质上的催化剂相邻的主体流动路径；优选阱的壁是楔形的)。在一些实施方式中，在进入微通道之前将第二反应物的一部分与第一反应物合并。

在第二方面中，本发明提供进行串联反应或串并联反应的方法，该方法包括：将包含第一反应物的物流通入至少一个尺寸等于或小于2毫米的主体流动路径中；其中有负载在中孔基质上的催化剂与该主体流动路径相邻；其中第一反应物与负载在中孔基质上的催化剂上的第二反应物反应；其中负载在中孔基质上的催化剂占据的体积加上与负载在中孔基质上的催化剂相邻的主体流动路径的体积限定反应室体积；控制反应物的流动，使得至少90％的该物流在该反应室中的停留时间的变化小于质量平均停留时间的10％。在一些优选的实施方式中，该方法的特征还在于以下一种或多种的组合：以第一反应物的质量为基准计，单独一种产物的产率至少为90％；第一反应物是MeOH，第二反应物是O₂；第二反应物通过沿主体流动路径长度的小孔加入；第二反应物通过中孔基质背后的小孔加入(即，中孔基质设置在小孔和主体流动路径之间)；催化剂中的温度至少为250℃；中孔基质设置在具有倾斜壁的凹陷中；以及/或者控制O₂含量从不超过10摩尔％。

任何本发明方法还可表征为在详细说明部分中描述的任何条件或反应性质；例如，规定的平均停留时间，停留时间分布，接触时间，产率和反应物相对量。本发明方法还可表征为本文所述的任何设备特性，任选包括提供具有规定特性的微通道设备的步骤。同样，任何本发明设备还可表征为详细说明部分中描述的任何结构特性。

在另一个方面中，本发明提供微通道设备，其包括：具有至少一个等于或小于2毫米的尺寸的主体流动路径；与主体流动路径相邻的通道壁；其中该通道壁包括具有倾斜壁的阱以及设置在该阱中的中孔基质材料；其中该中孔基质被限定在阱中，不涂覆阱外主体流动路径的壁。在一些实施方式中，除了中孔基质上的催化剂以外，还有催化剂(非中孔)设置在主体流动路径周围的壁上而不是在阱内；这通常在将催化剂原位施加在反应微通道之内的情况中发生。在一些优选的实施方式中，该设备具有以下特性中的一种或任何组合：中孔基质是结构化壁；结构化壁由形成楼梯台阶设计的层制成；本文描述的特定的阱和楼梯的尺寸；阱壁的斜率基本平直(楔形阱壁的斜率优选为30-60度)；阱涵盖微通道的整个宽度(长度是通过主体流动路径的流动方向，高度是层叠装置中的层叠方向；长度，高度和宽度是相互垂直的)；主体流动路径是矩形的，圆柱形的或三角形的。当然，该设备并不限于这些特性，例如，设备可具有本说明书中各处描述的任何特性。