CN103980084B - 乙叉降冰片烯的连续异构合成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乙叉降冰片烯的连续异构合成方法及装置，提供了一种乙叉降冰片烯的连续异构合成方法，该方法包括：采用2台或更多台的异构沸腾床反应器组成多级反应器组；将新鲜乙烯基降冰片烯原料由该多级反应器组中的第一级反应器连续进入反应系统中进行流化反应，得到的乙叉降冰片烯产品由该多级反应器组中的最后一级反应器连续出料；新鲜催化剂由所述最后一级反应器连续进入反应系统中参与流化反应，并依次通过该多级反应器组中的各级反应器之间设置的级间旋流分离器进行液固分离后从所述第一级反应器外排出。

Description

乙叉降冰片烯的连续异构合成方法及装置

技术领域

本发明属于化工领域，涉及一种串联2台或更多台的沸腾床反应器，并配套有级间旋流分离器的ENB(乙叉降冰片烯)连续异构合成方法及装置。具体地说，本发明提供了一种提高ENB异构合成过程中生产效率、催化剂使用效率与产品质量的方法及装置。

背景技术

乙叉降冰片烯简称ENB，是一种在EPDM(三元乙丙)橡胶中广泛使用的二烯烃单体，与从前用的1,4-己二烯和双环戊二烯进行竞争。作为第三单体，与乙烯、丙烯共聚可得乙丙橡胶，所制备橡胶的硫化速度比其他第三单体快，可以克服乙丙橡胶硫化速度慢的缺点，因而也是目前乙丙橡胶工业生产中实际应用最多的一种。

ENB的合成工艺主要包含三个步骤：第一步，双环戊二烯(DCPD)在170℃热解成环戊二烯；第二步：1,3-丁二烯(1,3-BD)和环戊二烯在120～180℃下发生Diels-Alder反应，生成乙烯基降冰片烯(VNB)；第三步，VNB在催化剂存在的条件下，异构化为ENB，其中，又以第三步的异构反应最为重要。

一般来说，ENB异构反应采用搅拌釜作为反应器，以提高物料的混合程度与传质速率，但搅拌釜反应器含有间歇操作工序，生产时无法连续操作，劳动强度高，生产效率低。而相对于传统的搅拌釜反应器，沸腾床反应器在不降低反应效果的前提下，还具有充分利用反应热量，反应过程连续化等优点，可大幅提高ENB异构反应的生产效率，改善现场劳动条件，其更适用于ENB的异构化合成。

因此，针对ENB异构合成工艺中，传统的搅拌釜反应器串联装置存在的操作间歇化，生产效率低等问题，创新提出一种新的工艺方法，以在提高生产效率的同时保证催化剂高效使用及产品质量，具有重要的意义。

中国专利申请No.201110352416.6公开了一种适用于重油加氢工艺的多级沸腾床串联方法与装置。装置由3台沸腾床反应器串联组成，当催化剂需要更换时，切出上游2台反应器的其中1台，进行催化剂更新，其余两台继续工作。该方法实现了反应的连续进行，但由于在更换催化剂时要切出其中一台反应器，整个工艺的连续性与处理量将会受到影响。

中国专利申请No.200910012497.8公开了一种沸腾床催化剂的级配方法。该方法在沸腾床反应器内使用至少两种催化剂，沿反应物料流动方向催化剂颗粒尺寸依次减小。该方法克服了现有技术需要使用多个沸腾床反应器或在反应器内设置复杂内构件才能实现催化剂级配的缺陷，但该方法对催化剂的性质要求较高，同时无法解决废催化剂的连续移除，更无法解决ENB异构反应中催化剂遇水失活的问题，不能使催化剂得到高效利用。

因此，为提高ENB异构反应效率及其产品质量，改善现场劳动条件，降低催化剂使用成本，有必要提出改进方案，开发出一种适用于ENB异构反应的连续合成方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种新颖的乙叉降冰片烯的连续异构合成方法及装置，从而解决了现有技术中存在的问题。

一方面，本发明提供了一种乙叉降冰片烯的连续异构合成方法，该方法包括：

采用2台或更多台的异构沸腾床反应器组成多级反应器组；

将新鲜乙烯基降冰片烯原料由该多级反应器组中的第一级反应器连续进入反应系统中进行流化反应，得到的乙叉降冰片烯依次通过该多级反应器组中的各级反应器之间设置的级间旋流分离器进行液固分离后由该多级反应器组中的最后一级反应器连续出料；

新鲜催化剂由所述最后一级反应器连续进入反应系统中参与流化反应，并依次通过该多级反应器组中的各级反应器之间设置的级间旋流分离器进行液固分离后从所述第一级反应器外排出。

在一个优选的实施方式中，所述多级反应器组中的各级反应器串联，反应器循环液相通过与反应器连接的换热器换热后经与换热器连接的循环泵返回反应器底部，以保证反应器内物料处于流化状态。

在另一个优选的实施方式中，所述级间旋流分离器实现级间物料的连续液固分离作用，其中，各级反应器得到的出料进入各级级间旋流分离器，经旋流分离后溢流得到的液相进入下游反应器实现顺序使用，底流得到的催化剂固相进入上游反应器实现逆序使用，液相连续地从第一级反应器向最后一级反应器流动，催化剂固相连续地从最后一级反应器向第一级反应器流动，从而实现液相物料和催化剂的逆向接触。

在另一个优选的实施方式中，所述换热器通过对循环物料的换热作用，控制反应器内的升温，以维持反应器温度为10-20℃。

在另一个优选的实施方式中，级间旋流分离的能耗为0.05～0.2MPa，其能量来源于各级反应器的阶梯压力降。

在另一个优选的实施方式中，所述级间旋流分离的能耗为0.1MPa，分离效率79.37％，且分离精度为9.7μm。

在另一个优选的实施方式中，各级级间旋流分离器溢流产品油的含固量由2.5～3％降至0.1％，底流催化剂的含液量由97％降至80％。

在另一个优选的实施方式中，所述催化剂为碱性金属氧化物固体铝粉末，催化剂直径为74～178μm，堆积比为0.8～0.95kg/L，比表面积为140～150m²/g。

另一方面，本发明提供了一种乙叉降冰片烯的连续异构合成装置，该装置包括：

由2台或更多台的异构沸腾床反应器组成的多级反应器组；

置于该多级反应器组中的各级反应器之间的级间旋流分离器。

在一个优选的实施方式中，该装置还包括：

与各级反应器连接的换热器，以及

与换热器连接的循环泵。

附图说明

根据结合附图进行的如下详细说明，本发明的目的和特征将变得更加明显，附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的ENB的连续异构合成工艺流程图。

具体实施方式

本申请的发明人在经过了广泛而深入的研究之后发现，采用2台或更多台的异构沸腾床反应器组成多级反应器组，并在各级反应器之间采用旋流分离器，依赖沸腾床的混相作用和旋流分离器的分离作用，可以在异构合成过程中实现：新鲜VNB原料由第一级反应器连续进入，合格的ENB产品由最后一级反应器连续出料，而新鲜催化剂由最后一级反应器加入并依次通过各级反应器后从第一级反应器外排出；从而可以将传统的ENB异构合成的间歇操作工艺改变为连续操作，提高了生产效率，改善了现场劳动条件，降低了催化剂使用成本。基于上述发现，本发明得以完成。

本发明的技术构思如下：

采用2台或更多台的沸腾床反应器串联组成多级反应器组，各级反应器之间采用旋流分离器。新鲜物料进入第一级反应器，并在各级反应器中进行顺序使用；新鲜催化剂进入最后一级反应器，并在各级反应器中进行逆序使用。各级反应器循环物料通过换热器换热后经循环泵由反应器底部泵入以保证反应器内物料的流化，换热器通过对循环物料的换热作用，控制反应器内的升温，以维持反应器最佳操作温度为10～20℃，而物料的循环则可以保证沸腾床内的流化状态，沸腾床反应器保证了操作的连续性，进而提高了生产效率与劳动条件。各反应器的出料进入各级级间旋流分离器，经旋流分离后溢流得到的产品油进入下游反应器，底流得到的催化剂进入上游反应器，从而实现物料与催化剂的逆向输送。通过沸腾床反应器的采用与催化剂的逆向使用，降低了催化剂用量，提高了催化剂使用效率。同时，各级级间旋流分离器可实现对各级出料的级-级净化与分离，减少各级出料的催化剂及杂质夹带，提高各级进料的纯度，进而提高产品质量。

在本发明的第一方面，提供了一种ENB的连续异构合成方法，该方法包括以下步骤：

(a)各级反应器串联，反应器循环物料通过换热器换热后经循环泵由反应器底部泵入；

(b)级间旋流分离器实现级间物料的连续分离作用，物料连续地从第一级反应器向最后一级反应器流动，催化剂连续地从最后一级反应器向第一级反应器流动，使得物料和催化剂逆向接触；

(c)换热器通过对循环物料的换热作用，控制反应器内的升温，以维持反应器温度为10～20℃的最佳操作温度；

(d)级间旋流分离能耗为0.05～0.2MPa，优选0.1MPa，其能量来源于各级反应器的阶梯压力降。

本发明的方法完全改善了传统ENB异构合成搅拌釜串联装置的间歇操作导致生产效率低的问题。通过将搅拌釜反应器替代为沸腾床反应器，保证了生产的连续进行。

在本发明中，反应所用的催化剂为碱性金属氧化物固体铝粉末，其遇水后，金属和水局部反应，大量放热，并在碱性环境下对催化剂颗粒进行腐蚀，造成催化剂失活；其直径为74～178μm，堆积比为0.8～0.95kg/L，比表面积为140～150m²/g。

在本发明中，各级级间旋流分离器溢流产品油的含固量由2.5～3％降至0.1％，底流催化剂的含液量由97％降至80％。

在本发明中，各级反应器由第一级至最后一级逐级调高，以满足级间旋流分离的能量要求，其能量来源于各级反应器的阶梯压力降。

在本发明中，当各级级间旋流分离器的分离能耗为0.1MPa时，可取得最佳分离效率79.37％，且分离精度为9.7μm。

在本发明的第二方面，提供了一种ENB的连续异构合成装置，该装置包括：

(i)串联使用的多台沸腾床反应器；

(ii)与各级反应器配套的，用于对反应器出料进行分离处理，同时实现物料及催化剂逆向输运的级间旋流分离器；

(iii)与各级反应器配套的，用于使反应器维持最佳操作温度的换热器；

(iv)与各级反应器配套的，用于使物料在反应器中产生循环输运的循环泵。

在本发明中，该装置还包括：与最后一级反应器连接的，用于添加新鲜催化剂的催化剂加料罐。

在本发明中，各级沸腾床反应器可实现连续操作，从而使得设备避免了间歇启停，劳动条件好，生产效率高。

在本发明中，各级反应器循环物料通过换热器换热后经循环泵由反应器底部泵入以保证反应器内的物料流化，其中换热器通过对循环物料的换热作用，控制反应器内的升温，以维持反应器温度为10～20℃的最佳操作温度。

在本发明中，物料实现顺序使用，催化剂实现逆序使用；催化剂的逆序使用提高了其使用效率。

以下根据附图详细说明本发明的方法。

图1是根据本发明的一个实施方式的ENB的连续异构合成工艺流程图。如图1所示，异构沸腾床反应器5，6，7，8串联使用，异构沸腾床反应器5配套连接级间旋流分离器1、换热器9和循环泵13，异构沸腾床反应器6配套连接级间旋流分离器2、换热器10和循环泵14，异构沸腾床反应器7配套连接级间旋流分离器3、换热器11和循环泵15，异构沸腾床反应器8配套连接级间旋流分离器4、换热器12和循环泵16；

新鲜物料由第一级异构沸腾床反应器5底部进入第一级异构沸腾床反应器5中进行流化反应，反应产物从第一级异构沸腾床反应器5出料进入级间旋流分离器1，经旋流分离后级间旋流分离器1溢流得到的产品油进入下游异构沸腾床反应器6，底流得到的催化剂外排；并且，第一级异构沸腾床反应器5循环物料经换热器9换热后，通过循环泵13由第一级异构沸腾床反应器5底部泵入第一级异构沸腾床反应器5；

异构沸腾床反应器6出料进入级间旋流分离器2，经旋流分离后级间旋流分离器2溢流得到的产品油进入下游异构沸腾床反应器7，底流得到的催化剂进入上游异构沸腾床反应器5；并且，异构沸腾床反应器6循环物料经换热器10换热后，通过循环泵14由异构沸腾床反应器6底部泵入异构沸腾床反应器6；

异构沸腾床反应器7出料进入级间旋流分离器3，经旋流分离后级间旋流分离器3溢流得到的产品油进入下游异构沸腾床反应器8，底流得到的催化剂进入上游异构沸腾床反应器6；并且，异构沸腾床反应器7循环物料经换热器11换热后，通过循环泵15由异构沸腾床反应器7底部泵入异构沸腾床反应器7；

最后一级异构沸腾床反应器8出料进入级间旋流分离器4，经旋流分离后级间旋流分离器4溢流得到的产品油去精密过滤器进行过滤处理，底流得到的催化剂进入上游异构沸腾床反应器7；并且，异构沸腾床反应器8循环物料经换热器12换热后，通过循环泵16由异构沸腾床反应器8底部泵入异构沸腾床反应器8；

同时，新鲜催化剂由催化剂加料罐17进行装载，并首先进入最后一级异构沸腾床反应器8，然后依次进入级间旋流分离器4、异构沸腾床反应器7、级间旋流分离器3、异构沸腾床反应器6、级间旋流分离器2、异构沸腾床反应器5和级间旋流分离器，最后外排催化剂。

本发明的主要优点在于：

本发明采用沸腾床反应器代替搅拌釜反应器，解决了搅拌釜反应器系统存在的间歇操作问题，保证了生产工艺的连续进行，在处理同等物料的情况下，使得反应时间缩减一倍以上，大幅提高了生产效率；减少了间歇工况带来的参数改变，增加了工艺参数的可控性；工况与参数的稳定保证了产品最终质量的稳定性与可控性；避免了反应器的切换，改善了操作人员的劳动条件，同时也避免了引频繁启停造成的设备损伤寿命降低的问题，侧面降低了装置与人工成本。

本发明减小了装置设备规模，提高了设备的利用率。在处理同等规模物料、历经同等工时的情况下，连续生产的沸腾床反应器体积可以小于间歇生产的搅拌釜反应器体积，同时沸腾床的充装系数要高于搅拌釜，使得反应器的总体体积减小，降低了反应器设备投资。

即，本发明的方法及装置解决了系统间歇操作问题，提高了设备利用率、生产效率与产品质量，降低了操作人员劳动强度与设备损耗，还可实现生产成本的缩减。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1

在一个1.5万吨/年的ENB异构合成装置中，按照本发明的ENB异构合成中的催化剂高效利用方法及装置，以最大限度的高效利用催化剂，同时对各级出料及最终产品起到净化作用，并在装置连续运转的情况下对废催化剂进行移除。其具体运作过程及效果描述如下：

1.操作条件

装置采用4级串联沸腾床反应器，单台反应体积为7.6m³，充装系数为79％。反应器连续操作，物料单台反应器停留时间大于1小时，整体停留时间大于4小时。第一级反应器进料2.1t/h，最后一级反应器出料1.875t/h，催化剂进料0.062t/h。各级级间旋流分离器由6支DN50旋流管并联组成，单支旋流管分离效率为79.37％，分离精度为9.7μm。各级级间旋流分离器处理量为9600L/h，能耗为0.1MPa。反应采用固体铝氧二钠超强碱催化剂，其在遇水后大幅度失去活性，并在参与反应48小时后完全失活。

2.实施过程

新鲜VNB物料由第一级反应器进入，新鲜催化剂由最后一级反应器进入。级间旋流分离器使得物料与催化剂产生逆向输运，第一级反应器中为弱活性催化剂，第四级反应器中为强活性催化剂。在第一级反应器中，新鲜VNB物料中的水分首先与弱活性催化剂产生反应，进行脱水预处理。物料经换热器与循环泵，于反应器内进行循环流化反应。反应时间大于1小时后，反应器出料进入第一级级间旋流分离器分离净化，溢流得到的无水物料进入第二级反应器中，底流得到的失活催化剂进行外排处理。在第二级反应器中，无水物料在较强活性催化剂的作用下进行异构反应，开始合成ENB，物料在反应器内循环反应直至反应时间大于1小时。出料进入第二级级间旋流分离器分离净化，溢流得到物料进入第三级反应器中，底流得到的弱活性催化剂进行第一级反应器中。在第三、四级反应器中，物料输运与反应原理同上，最终溢流得到的产品油进入之后的精密过滤工艺。

3.结果分析

在处理同样规模物料，耗费同样工时的情况下，对于本实施例中的沸腾床反应器，其单台反应器容积为7.6m³，充装系数为79％，即单台物料容积约为6m³，总物料容积为24m³；而对于传统的搅拌釜反应器系统，由于间歇操作的存在，生产过程中总有一台反应器处于不反应状态，在其充装系数为60％的条件下，若要达到24m³的总物料容积，每台搅拌釜反应器的容积至少需13.3m³，即相对于传统搅拌釜反应器系统，沸腾床反应器系统体积减少率达42.8％。考虑设备总体尺寸及制造材料，相对于搅拌釜反应器，单台沸腾床反应器占地面积减少36％，重量减少30.6％，总体制造成本减少约30％，后续运输、安装与维护成本也相应地进一步下降。

而在设备总体尺寸一致的情况下，由于具有连续反应及高充装系数的优势，沸腾床反应器系统的有效物料容积超出传统搅拌釜反应器系统一倍有余，同时由于搅拌釜反应器系统存在设备切换及卸料的间歇操作耗时，造成搅拌釜反应器系统的单次物料反应总时间大于40小时，而沸腾床反应器系统的单次物料反应总时间小于10小时。或者说，在同样的工时下，沸腾床反应器系统的生产效率大幅提高了4倍以上。

同时，当使用单台反应器时，为保持催化剂活性，催化剂使用量约为5％，即年产1.5万吨ENB需消耗催化剂841.7吨。而采用带有级配旋流器的4台串联沸腾床装置后，催化剂使用量降至3％，年产1.5万吨ENB的催化剂消耗量降至505.6吨。

此外，反应器的连续操作避免了装置频繁启停带来的损耗与工人的高劳动强度，节省了人工、时间与维护成本。

各级反应器处理物料含固量约为2.6％；经处理后，其净化油相含固量降至0.1％，颗粒物中位粒径为12μm；其底流口含固量为21.3％。

通过沸腾床反应器及级配旋流器的引入，保证了反应的连续进行，避免了装置的频繁启停带来的高劳动强度及设备磨损率，改善了劳动条件，提高了生产效率。同时，通过物料与催化剂的逆向输运，实现了催化剂的降级使用，提高了催化剂使用效率；实现了各级出料的分离净化，各级反应物料固含量大幅下降，各级催化剂得以浓缩，最终提高了产品质量。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种乙叉降冰片烯的连续异构合成方法，该方法包括：

采用2台或更多台的异构沸腾床反应器组成多级反应器组；

将新鲜乙烯基降冰片烯原料由该多级反应器组中的第一级反应器连续进入反应系统中进行流化反应，得到的乙叉降冰片烯依次通过该多级反应器组中的各级反应器之间设置的级间旋流分离器进行液固分离后由该多级反应器组中的最后一级反应器连续出料；

新鲜催化剂由所述最后一级反应器连续进入反应系统中参与流化反应，并依次通过该多级反应器组中的各级反应器之间设置的级间旋流分离器进行液固分离后从所述第一级反应器外排出，

其中，所述催化剂为碱性金属氧化物固体铝粉末，催化剂直径为74～178μm，堆积比为0.8～0.95kg/L，比表面积为140～150m²/g；

反应器温度为10-20℃。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多级反应器组中的各级反应器串联，反应器循环液相通过与反应器连接的换热器换热后经与换热器连接的循环泵返回反应器底部，以保证反应器内物料处于流化状态。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述级间旋流分离器实现级间物料的连续液固分离作用，其中，各级反应器得到的出料进入各级级间旋流分离器，经旋流分离后溢流得到的液相进入下游反应器实现顺序使用，底流得到的催化剂固相进入上游反应器实现逆序使用，液相连续地从第一级反应器向最后一级反应器流动，催化剂固相连续地从最后一级反应器向第一级反应器流动，从而实现液相物料和催化剂的逆向接触。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换热器通过对循环物料的换热作用，控制反应器内的升温，以维持反应器温度为10-20℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，级间旋流分离的能耗为0.05～0.2MPa，其能量来源于各级反应器的阶梯压力降。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述级间旋流分离的能耗为0.1MPa，分离效率79.37％，且分离精度为9.7μm。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，各级级间旋流分离器溢流产品油的含固量由2.5～3％降至0.1％，底流催化剂的含液量由97％降至80％。

8.一种用于权利要求1所述的乙叉降冰片烯的连续异构合成方法的乙叉降冰片烯的连续异构合成装置，该装置包括：

由2台或更多台的异构沸腾床反应器组成的多级反应器组；

置于该多级反应器组中的各级反应器之间的级间旋流分离器。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

与各级反应器连接的换热器，以及

与换热器连接的循环泵。