CN112569871A - 一种用于co2羰基化反应的气液均布的列管式反应器 - Google Patents

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陈嵩嵩
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Abstract

本发明提供了一种用于CO2羰基化反应的气液均布的列管式反应器，涉及气液两相混合反应。所述结构包括气液相进料分布系统、填料系统、反应系统和撤热系统。所述进料分布系统安装于反应器进料段，所述填料系统位于反应器填料段，所述反应系统设于反应器反应管催化剂床层段，所述撤热系统设于列管式反应器壳层。本发明中使用的列管式反应器，原料环氧乙烷与CO2经进料段进行气液分布后，均匀进入每根管中，在填料系统进行气液两相的混合和二次分布；随后进入反应段开始反应，同时撤热系统开始撤热，保证反应管内温升小于5℃。本发明中使用的列管式反应器进料系统，利用正压气源产生负压进而产生吸附作用，从而实现气相和液相均匀分布的一种新型、高效的进料方式，可解决大规模生产中各反应管内环氧乙烷和CO2分布不均，导致环氧乙烷反应不完全，产生安全风险的问题。同时，可推广应用于石油化工、生物化工等强放热、气液分布要求高的其他反应体系。

Description

一种用于CO2羰基化反应的气液均布的列管式反应器
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种用于气-液两相混合反应的气液均布的列管式反应器，特别是环氧乙烷和CO2的羰基化反应，气液比大、强放热、对气液分布要求较高。
背景技术
工业革命以来，化石燃料的大量使用产生大量CO2排放，造成全球气候变暖，严重危害了自然生态系统的平衡和人类自身的生存。2018年，CO2排放量再创新高，仅燃烧化石燃料导致的碳排放量达到370亿吨，较2017年增长2％。然而，CO2也是一种储量丰富、潜力巨大的可再生C1资源，若能将CO2作为化工原料转化为高附加值化学品，则是环保和节能的双赢之举，对于降低全球碳排放、缓解全球气候变暖有重大意义。其中CO2和环氧乙烷(EO)反应生产碳酸乙烯酯(EC)是CO2转化利用的主要方向之一，EC是重要的基础化工原料，可作为动力电池电解液的重要溶剂，同时也是生产碳酸二甲酯(DMC)等的原料，在乙烯产业链下游应用和新能源锂电行业的发展中起着至关重要的作用。
列管式反应器是一种常见的化工反应器类型，通常以固定床的方式进行操作，反应器内部由大量反应管组成，一般用于进行强烈放热或强烈吸热的反应过程，通过管束外侧的加热介质或冷却介质对反应进行加热或冷却。而对于CO2和EO这一强放热反应(反应热97.9kJ/mol)，反应器的设计重点在于将气相和液相反应物均匀分布到每个反应管内，确保反应器内温度分布均匀的同时保证EO的完全转化。
专利CN85100162A公开了一种络合催化合成EC的工艺，向有搅拌的高压反应器内加入EO和催化剂，随后油浴加热且通入20-25atm的CO2反应生成EC，该工艺所用高压釜式反应器反应过程不易控制，不利于工业应用。专利CN106475017A公开了一种用于合成EC的气-液-固三相反应器，气液两相分别从不同的进样口进入反应器中，进入催化剂层开始反应，反应生成物会以液相的形式流经液体折流挡板来保证气相CO2由液相产物中分离出来，从而解决夹带气的问题，但该反应器还存在着反应撤热难和设计复杂的问题。专利CN1861561A公开了一种制备EC的径向反应器，该反应器采用表面开孔的进料管，避免了反应原料直接对固载催化剂的冲击，从而减少了催化剂活性组分的流失，并设有U型管解决了撤热难和反应飞温等问题，但该反应器还存在着反应原料与催化剂接触不充分，转化率低等问题。专利CN206404755U公开了一种生产EC的反应器，该反应器采用多级反应器形式，反应物先进入两级管式反应器反应，随后未反应完全的原料和生成物进入到罐式反应器中进一步反应，若还没反应充分，可循环在罐式反应器中进行反应直至反应充分，该反应器存在着级数太多，与反应物料一起循环的催化剂较多，损失大，效率低的问题。
针对碳酸酯生产传统工艺中羰基化反应器生产效率低、热效应明显、单程转化率低、易爆炸且不易控制的问题，开发安全高效气液均布的反应器新技术是进一步优化CO2制备环状碳酸酯工艺的关键。
发明内容
本专利的主要目的在于解决在大规模生产中列管式反应器各反应管内气相和液相分布不均的问题。本发明提出的进料分布系统使EO和CO2均匀进入每根管中，显著提高了气液交汇处环氧乙烷与CO2的接触面积；CO2随EO经填料支撑板，于填料支撑板处进行CO2气泡的第一次切割，进入填料层后进行气液两相的二次混合，破坏气泡的聚并现象，进行气泡的二次割裂，极大地增加气液两相的混合均匀度，提高了反应管内气液相界面面积浓度，降低反应管径向的浓度梯度；随后进入反应段开始反应，同时撤热系统撤走反应放出的热量，使反应可以平稳进行，进一步提高了气液两相混合效率并减小了反应管内轴向的温度梯度。
本专利所述列管式反应器，可同时解决气液两相进料分布不均和反应强放热的问题，在原有列管式反应器的基础上，增加了气液相进料分布系统，增强了气液两相分布的均匀度，减小了反应管径向和轴向的温度梯度和浓度梯度，提高了催化剂的利用率和装置的安全稳定性。
为达到上述目的，本专利的技术方案是这样实现的：
一种用于CO2羰基化反应的列管式反应器，包括：进料分配系统、填料系统、反应系统和撤热系统，所述进料分配系统安装于反应器进料段，所述填料系统位于反应器反应管底端，所述反应系统设于列管式反应器反应管催化剂床层段，所述撤热系统设于列管式反应器壳层。EO经喉管后与CO2初次混合，进入填料层进行二次混合，随后开始反应，撤热管开始撤热，维持反应器内反应温度稳定。
进一步的，所述进料系统为文丘里式进料混合器或静态混合式进料混合器。
进一步的，所述液相进料口管径面积大于气液交汇处管径面积。
进一步的，所述液相进料口和气相进料口管径可根据任务量调整其尺寸。
进一步的，所述填料支撑板的孔径为1～5mm。
进一步的，所述混合系统为填料层，填料为金属材质鲍尔环、Al2O3球等。
进一步的，所述撤热系统设有撤热介质入口和撤热介质出口。
本专利比现有技术有着明显的优点和有益的效果：
本专利所述的列管式反应器，极大地提高了气液两相的有效接触面积和混合效率，在进料完成后的短时间内实现气液两相快速均匀混合。反应器结构简单，气液接触面积大，没有搅拌部件，不易泄漏，具备反应温度易控、良好的传质与传热性能、广泛的适应性等性能。可实现大规模生产中气液两相的快速高效混合反应，提高反应的产率。可广泛用于石油化工、生物化工等领域，特别适用于强放热、气液均匀度要求高的反应，如环氧乙烷和CO2的羰基化反应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明进料段结构示意图。
其中1为液相进料口，2为气相进料口，3为反应管，4为产物出口，5为气液交汇处，6为填料支撑板，7为填料，8为撤热介质进口，9为撤热介质出口，10为壳层，11为封头。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明为一种可同时解决气液两相进料分布不均和反应强放热的问题的列管式反应器，由液相进料口(1)、气相进料口(2)、反应管(3)、产物出口(4)、气液交汇处(5)、填料支撑板(6)、填料(7)、撤热介质进口(8)、撤热介质出口(9)、壳层(10)、封头(11)组成。
如图1和2所示，由计量泵运送EO从液相进液口(1)进入，物料进入进料段中部管径会变小，由伯努利方程可知，管径面积变小，EO流动速度会上升，与此同时，会在气液交汇处(5)产生低压区。在气液交汇处(5)与气相进料口(2)处形成的压力差会将气相物料CO2吸入气液交汇处(5)，气液两相物料会在此处进行第一次混合。随后，CO2和EO二者混合物经填料支撑板(6)进入到填料层(7)，气液两相进行第二次混合并发生气泡的二次割裂；随后，气液两相向上流动进入反应管(3)发生反应，同时，撤热系统开始工作，保证反应管内温度稳定进行。最终，通过封头(11)把个反应器中的反应产物汇集一起由产物出口(4)离开列管式反应器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于CO2羰基化反应的气液均布的列管式反应器，其特征在于，所述反应器包括气液相进料分布系统、填料系统、反应系统和撤热系统。其进料系统是利用正压气源产生负压进而产生吸附作用，从而实现气相和液相均匀分布的一种新型、高效的进料方式。
2.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于，所述装置包括：液相进料口(1)、气相进料口(2)、反应管(3)、产物出口(4)、气液交汇处(5)、填料支撑板(6)、填料(7)、撤热介质进口(8)、撤热介质出口(9)、壳层(10)、封头(11)。环氧乙烷从液相进液口(1)进入，于进料段中部管径变小，在气液交汇处(5)与气相进料口(2)处形成的压力差会将CO2吸入气液交汇处(5)，气液两相进行第一次混合；随后，CO2伴随着环氧乙烷经填料支撑板(6)进入到填料层(7)，气液两相进行第二次混合并发生气泡的二次割裂；随后，气液两相向上流动进入反应管(3)发生反应，同时，撤热系统开始工作，保证反应管内温度稳定；最终，通过封头(11)把个反应器中的反应产物汇集一起由产物出口(4)离开列管式反应器。
3.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：所述进料系统包括液相进料口(1)、气相进料口(2)。
4.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：所述液相进料口(1)管径大于气液交汇处(5)，且可根据实际流体动力学需求改变其结构或尺寸比例。
5.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：所述填料层包括填料支撑板(6)、填料(7)。
6.根据权利要求3所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：所述填料(7)为鲍尔环、Al2O3球等。
7.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：所述撤热系统设有撤热介质进口(8)和撤热介质出口(9)。
8.根据权利要求1所述的用于CO2羰基化反应的列管式反应器，其特征在于：通过所述撤热，保证反应管内温升小于5℃。
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