CN114950330A - 一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置及其应用。该反应器主体结构包括反应器筒体、及设置在反应器筒体上、下两端的反应器上封头和反应器下封头；在反应器底部设置有第一液相物料入口、第一气相物料入口，其中第一液相物料入口的管道套在第一气相物料入口的外部；在反应器内的底部分别设置有液相混合器、第一气液相混合器和丝网分布器等。70％的气液相物料从反应器底部入口管道进入反应器，30％气液相物料(冷物料)从反应器筒体入口进入反应器并于底部反应热物料混合，实现反应器床层温度分布均匀，还避免反应器内部飞温；该气液反应器解决了传统反应器气液两相混合不均匀、物料停留时间不一致的问题。

Description

一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置及其应用
技术领域
本发明属于化学工程技术领域中的气液相反应领域，具体为一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置及其应用。
背景技术
碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等环状碳酸酯是高沸点、高极性溶剂和表面活性剂原料，可用于代替对环境有害的丙烯酰胺、尿素等作为水玻璃浆料，也可作为添加剂应用于锂电池电解液中、纤维整理剂等，还可合成高附加值的产品(如碳酸二甲酯、乙二醇、呋喃唑酮、功能高分子材料等)，特别是合成聚碳酸酯(PC)越来越受到重视。
二氧化碳与环烷烃通过加成反应生产环状碳酸酯技术，具有原料来源广泛且廉价、床层温度低节能效果显著、产品结构可调、CO2资源化利用等优点，除筛选合适的催化剂，工艺条件是评价该技术能否顺利推广的关键。环烷烃制环状碳酸酯为放热、体积缩小的反应，反应温升明显，放热量远远高于反应自身所需热量；同时气液相在传统反应器内内部分布不均匀，若能突破以上反应器技术瓶颈，其技术经济性尤其显著。
如发明专利CN106268588A中，开发了环氧乙烷和二氧化碳反应的气液反应釜，部分解决了气液相混合不均匀的问题，但因该反应器为带搅拌杆的釜式反应器，动设备运行时易发生故障，因此该反应器工业放大可靠性差；如发明专利CN110627764A中，发明者开发了一种碳酸乙烯酯生产设备系统，环氧乙烷和二氧化碳在单级或多级鼓泡塔反应，采用静态混合器使反应实现了连续进行，但反应中气液相存在反应温度分布、压力分布不均，虽然实现了原料的高转化率，物料停留时间过长，易产生飞温现象，进而生成副产物，不利于均相催化剂的稳定性和产品质量，产物的选择性和纯度均难以保证。因此在保证反应器内部温度、压力分布均匀的前提下，迫切需要提高反应器气液混合效果，同时改善气液相反应器结构形式和内构件类型，以实现环烷烃生产环状碳酸酯反应中的气液相高效分散和气液相反应效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有气液相反应器存在的气液相分散性差、温度/压力分布不均等技术难题，提供一种高效气液相反应器，该反应器可以保证气液相物料更好的混合效果，快速有效降低反应器中物料的浓度梯度，同时提升反应器内部温度分布和压力分布均匀效果，避免局部区域发生飞温现象，保证了均相催化剂的长周期使用寿命和产品质量。
为了实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，该装置为一气液相反应器，其中，所述气液相反应器主体结构包括反应器筒体、和设置在反应器筒体上、下两端的反应器上封头和反应器下封头；在反应器底部设置有第一液相物料入口、第一气相物料入口，其中第一液相物料入口的管道套在第一气相物料入口的外部；在反应器内的底部分别设置有液相混合器、第一气液相混合器和丝网分布器；液相混合器的一端与第一液相物料入口和第一气相物料入口的管道连通，另外一端与第一气液相混合器相连接；在第一气液相混合器的上端设置丝网分布器，丝网分布器中固定有丝网。
进一步的，在反应器的顶端分别设置主产品出口和液相产品分出口。
作为本申请中一种较好的实施方式，在反应器内部的上端设置可调式丝网分布器，可调式丝网插件主要起到除沫作用；在反应器内部的中部设置第二气液相混合器；在可调式丝网分布器和第二气液相混合器中均固定有丝网；可调式丝网分布器通过可调式插件将丝网与反应器内部底座连接，连接方式包括螺纹、焊接和法兰，可灵活应用于不同直径的反应器。
作为本申请中一种较好的实施方式，在第一气液相混合器和第二气液相混合器上均设置有N个文丘里喷嘴，文丘里喷嘴的数量＞1；文丘里喷嘴的数量在靠近物料入口处数量多，在第一气液相混合器和第二气液相混合器的末端数量少，喷嘴的作用是为了使物料混合更均匀。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的液相混合器包括螺旋结构内构件和锥形结构内构件，螺旋结构内构件和锥形结构内构件连接，螺旋结构内构件设置在靠近反应器底部的一端，锥形结构内构件设置在靠近第一气液相混合器的一端。
作为本申请中一种较好的实施方式，在反应器中部设置第二气液相物料入口，第二气液相物料入口与第二气液相混合器连通。
作为本申请中一种较好的实施方式，第二气液相混合器的形状为环形；丝网分布器形状为圆形,起防止第一气液相分布器产生的高速气体直接穿过丝网分布器，造成气液分布不均匀，起到缓冲作用。
以上所述的反应装置，应用于环烷烃生产环状碳酸酯的反应中。
利用以上所述的反应装置进行环状烷烃合成环状碳酸酯的工艺，包括以下步骤：
1)将液相物料(包括催化剂和环氧乙烷)通过的反应器中液相混合器中螺旋结构内构件和锥形结构内构件实现初级混合，大部分的CO2经增压后从第一气相物料入口进入反应器，先与液相混合器出来的液相混合产品简单混合后，进一步通过的第一气液相混合器上的文丘里喷嘴喷射形成高速喷射流，在喷向反应器内部过程中进一步混合，高速喷射流所具有的剪切力将CO2气体破碎成尺度较小的气泡，通过在第一气液相混合器上方配置的丝网分布器的阻挡对文丘里喷嘴喷射形成的高速喷射流形成一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层；
2)温度较低的部分CO2和小部分的液相物料(包括催化剂和环氧乙烷，温度低于反应器内部温度)经第二气液相物料入口进入第二气液相混合器，通过第二气液相混合器上的文丘里喷嘴喷向反应器内部，形成高速喷射流，与反应器内部高温物料混合，使反应器内部温度、压力分布均匀。
作为本申请中一种较好的实施方式，从第一气相物料入口进入反应器的CO2与从第二气液相物料入口进入反应的CO2的体积比为7:3；从第一液相物料入口进入反应器的液相物料与从第二气液相物料入口进入反应的液相物料的体积比为7:3。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的液相物料为催化剂和环氧乙烷的混合物，其中催化剂占环氧乙烷质量的0.1-15％。
作为本申请中一种较好的实施方式，气液相反应器内的反应温度为60-160℃，压力为2.0-4.0MPa，优选温度为145℃，压力为2.5MPa。
作为本申请中一种较好的实施方式，第二气液相物料入口的温度为60-140℃，比如80-120℃。
作为本申请中一种较好的实施方式，生成的大部分气液相产品通过反应器顶部的主产品出口排出反应器，其中少部分液相产品经过液相物料出口排出反应器。
与现有技术相比，本发明的积极效果体现在：
(一)克服了现有普通气液相反应器气液混合效果差、操作复杂、反应效率低和技术经济性较差的难题。
(二)本发明提供了高效气液相反应器及其在环烷烃酯化生成环状碳酸酯的工艺技术，具有高环状碳酸酯收率、技术经济性较佳、系统运行稳定等优点，大大提高了环烷烃酯化生产环状碳酸酯工艺的技术经济性和推广可能性。
附图说明
图1示出了本发明示例性实施例的气液相反应器示意图。
图2示出了本发明示例性实施例的气液相反应器中液相混合器和第一气液相混合器的详细示意图。
图3示出了本发明示例性实施例的气液相反应器中第二气液相混合器的详细示意图。
附图标记说明：
1-第一液相物料(环烷烃/催化剂)入口、2-第一气相物料(高压CO2)入口、3-液相混合器、4-螺旋结构内构件、5-文丘里喷嘴、6-第一气液相混合器、7-丝网、8-带插件可调式丝网分布器、9-第二气液相物料入口、10-第二气液相混合器、11-反应器筒体、12-反应器下封头、13-主产品出口、14-液相产品分出口、15-锥形结构内构件、16-丝网分布器、17-反应器上封头、18-插件，各入口和出口均配套设置有控制阀。
图4为对比例1中所述气液相反应器的结构示意图。
图5为对比例3中所述气液相反应器的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明中的环烷烃生成环状碳酸酯的反应，其催化剂进料状态也为液体，催化剂按比例随环烷烃分别从第一液相物料入口和第二气液相物料入口进入反应器内部，在反应器内部气液相的流体状态会具体影响到反应器内部温度、压力分布，同时温度控制不当也会发生副反应进而影响产品环状碳酸酯的收率和质量。本发明以此为出发点进行了相应的反应器内部结构改进，提高了环烷烃生成环状碳酸酯工艺的技术经济性和该技术工业化的推广可行性。
下面先对本发明的气液相反应器进行具体说明。本发明中所采用的环烷烃包括但不限于环乙烷、环丙烷和环丁烷，相应的产品包括但不限于碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯。
图1示出了根据本发明示例性实施例的环烷烃生成环状碳酸酯的气液相反应器示意图。
如图1所述，根据本发明的示例性实施例，所述气液相反应器包括反应器主体结构和反应器内构件。
反应器主体结构包括设置有第一液相物料(环烷烃/催化剂)入口、第一气相物料(高压CO2)入口、第二气液相物料入口、反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头、主产品出口和液相产品分出口，其中第一液相物料(环烷烃/催化剂)入口管道套在第一气相物料(高压CO2)入口外部。
反应器内构件主要包括液相混合器、第一气液相混合器、第二气液相混合器、可调式丝网分布器、丝网分布器，液体混合器与第一气液相混合器相连接。
其中液相混合器包括螺旋结构内构件和锥形结构内构件，第一气液相混合器上和第二气液相混合器均连接有若干个文丘里喷嘴，文丘里喷嘴的数量在靠近物料入口处数量多，在气液相混合器末端连接文丘里喷嘴数量少；带插件可调式丝网分布器和第二气液相混合器中均固定有丝网。
本发明通过的反应器中液相混合器中螺旋结构内构件和锥形结构内构件实现70％液相物料(催化剂和环烷烃)的初级混合，以降低反应系统内催化剂和换完提额浓度梯度的方法来避免局部区域剧烈反应并抑制副反应的发生，从而实现稳定的温度、压力分布和较高的目标产物-环状碳酸酯的收率。上述内构件的结构改进也提高了反应效率。
根据本发明的实施例，本发明的气液相反应器还包括第一气液相混合器，70％的CO2经压缩机增压后从第一气相物料入口进入反应器，先与液相混合器出来的液相产品简单混合后，进一步通过的第一气液相混合器上的文丘里喷嘴5喷射形成高速喷射流，在喷向反应器内部过程中进一步混合，高速喷射流所具有的剪切力还可以将CO2气体破碎成尺度较小的气泡，增加气液相的接触面积，增加液体物料的溶碳能力，提升反应的传质效果；在第一气液相混合器的上方配置有丝网分布器，通过丝网分布器的阻挡对文丘里喷嘴喷射形成的高速喷射流形成一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层，有利于气液两相的再混合，从而提升物料浓度、反应器温度/压力分布效果。
根据本发明的实施例，本发明的气液相反应器还包括第二气液相混合器，温度较低的30％的CO2和30％的液相物料经第二气液相物料入口进入第二气液相混合器，通过第二气液相混合器上的文丘里喷嘴喷向反应器内部，与反应器内部高温物料混合，除提高气液相混合效果，还平衡反应器内部的温度和压力。因环烷烃和CO2生成环状碳酸酯的反应为放热、体积减半的过程，低温、高压的30％反应物料的补充，可以对反应器内部发生的飞温和剧烈压降起到一定的抑制作用，进一步提升物料浓度、反应器温度/压力分布效果。
根据本发明的实施例，本发明的气液相反应器还包括带插件的可调式丝网分布器，可调式丝网分布器由丝网和可调式插件组成，丝网可除去夹带的雾沫，广泛应用在化工、石油等行业中的气液分离装置中去除雾滴。但传统丝网分布器无法方便、直接地应用在不同直径的反应器或塔上，也无法实现通用，造成备件种类多、数量大，适用范围小，不易统一管理的问题；同时在检修或安装时，需要提前将拼接号丝网捕沫器并固定后，再吊入塔内进行安装，增加了工人的劳动强度，拼接速度慢，效率低。而本发明中可调式丝网分布器通过可调式插件将其固定在反应器内部连接底座上，降低了反应器连接底座的承重，备件数量少，安装、拆卸速度快，提高了工作效率，降低了工人的劳动强度。
以上反应器的结构和内构件的设置，对于平衡反应器温度、压力分布，提升气液相传质效果，避免局部区域剧烈反应，抑制副反应发生，最终改善反应器中气液分配不均匀、易飞温、产品收率低等问题，同时与传统气液相反应器相比，具备更小的反应器体积和更低的操作成本，最终提高环烷烃生成环状碳酸酯工艺的技术经济性并提高该技术工业化推广可行性。
除了上述结构和内构件的改进之外，本发明的环烷烃生成环状碳酸酯反应单元可以采用现有技术中较优的结构和催化剂，本发明不对此进行具体限制。
本发明的另一方面还提供了一种环烷烃生产环状碳酸酯的反应工艺，该反应工艺采用上述环烷烃生成环状碳酸酯反应的气液相反应器进行环烷烃生产环状碳酸酯技术。
下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步说明。在本申请中，％无特殊说明，均表示体积百分比。
实施例1：
一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其为一气液相反应器。该反应器的主体结构和其内构件结构如图1所示。
其中，气液反应器主体结构包括设置有第一液相物料(环烷烃/催化剂)入口、第一气相物料(高压CO2)入口、第二气液相物料入口、反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头、主产品出口和液相产品分出口。其中，在反应器底部设置有第一液相物料入口和第一气相物料入口，第一液相物料(环烷烃/催化剂)入口管道套在第一气相物料(高压CO2)入口外部。反应器上封头和反应器下封头分别设置在反应器筒体的上下两端。在反应器的顶端分别设置主产品出口和液相产品分出口。
反应器内构件主要包括液相混合器、第一气液相混合器、第二气液相混合器、可调式丝网分布器、丝网分布器，液体混合器与第一气液相混合器相连接。液相混合器和第一气液相混合器均设置在反应器内的底部，液相混合器的一端与第一液相物料入口和第一气相物料入口的管道连通，另外一端与第一气液相混合器相连接。
在第一气液相混合器的上端设置丝网分布器，丝网分布器内固定设置有丝网。
其中液相混合器包括螺旋结构内构件和锥形结构内构件，螺旋结构内构件和锥形结构内构件连通，螺旋结构内构件设置在靠近反应器底部的一端，锥形结构内构件设置在靠近第一气液相混合器的一端。
第一气液相混合器上和第二气液相混合器均连接有若干个文丘里喷嘴，文丘里喷嘴的数量在靠近物料入口处数量多，在气液相混合器末端连接文丘里喷嘴数量少；带插件可调式丝网分布器和第二气液相混合器中均固定有丝网。可调式丝网分布器通过可调式插件将丝网与反应器内部底座连接，连接方式包括螺纹、焊接和法兰，可灵活应用于不同直径的反应器。
在反应器中部设置第二气液相物料入口，第二气液相物料入口与第二气液相混合器连通。
第二气液相混合器的形状为环形；丝网分布器形状为圆形,起防止第一气液相分布器产生的高速气体直接穿过丝网分布器，造成气液分布不均匀，起到缓冲作用。
70％液相物料(催化剂和环烷烃)通过的反应器中液相混合器中螺旋结构内构件和锥形结构内构件实现初级混合，70％的CO2经增压后从第一气相物料入口进入反应器，先与液相混合器出来的液相混合产品简单混合后，进一步通过的第一气液相混合器上的文丘里喷嘴喷射形成高速喷射流，在喷向反应器内部过程中进一步混合，高速喷射流所具有的剪切力还可以将CO2气体破碎成尺度较小的气泡，在第一气液相混合器的上方配置有丝网分布器，通过丝网分布器的阻挡对文丘里喷嘴喷射形成的高速喷射流形成一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层。
温度较低的30％的CO2和30％的液相物料经第二气液相物料入口进入第二气液相混合器，通过第二气液相混合器上的文丘里喷嘴喷向反应器内部，与反应器内部高温物料混合，除提高气液相混合效果，还平衡反应器内部的温度和压力。
接着，可调式插件将丝网分布器固定在反应器内部连接底座上，气液相物料继续通过反应器上行通过带插件的可调式丝网分布器，丝网分布器中的丝网7可除去夹带的雾沫，主要产品和反应物料从主产品出口排出反应器去下游，如存在流量变动部分液相物料可从液相产品出口排出反应器。
实施例2：
采用实施例1的气液相反应器进行环氧乙烷酯化生成碳酸乙烯酯反应，工艺流程如下：
预先将催化剂按比例(催化剂和环氧乙烷质量比为1：10)加入环氧乙烷溶液中，关闭第一液相物料入口阀门、第二气液相物料入口阀门和液相产品出口阀门，打开第一气相物料入口阀门、主产品出口阀门，将N2、Ar或CO2依次通过气液相反应器底部的第一气相物料入口、液相混合器、第一气液相混合器、第二气液相混合器和主产品出口，置换整个气液相反应器，确保气液相反应器内O2浓度降至0.5％(体积)以下。
然后自第一气相物料入口通入增压后的CO2气体，开启开工加热器，以CO2气体为加热介质逐步加热气液相反应器内部温度。待气液相反应器达到所需反应温度(145℃)和压力(2.5MPa)，开启环氧乙烷进料计量泵，将催化剂和环氧乙烷输送进气液相反应器，开始酯化反应。反应器内高压CO2气体(占总流量70％)与来自液相混合器的液相物料(占总流量70％的环氧乙烷和催化剂)一起进入第一气液相混合器混合，并经文丘里喷嘴喷射向反应器内部形成高速喷射流，接着通过丝网分布器的缓冲作用进一步混合，此过程中环氧乙烷和CO2气体在催化剂的催化作用下发生催化反应，反应器物料温度逐步升高；自第二气液相物料入口进入的30％的低温(80-120℃，具体以最终床层温度145℃为准)环氧乙烷和CO2气体经第二气液相混合器上的文丘里喷嘴喷射，与来自气液相反应器底部的物料混合并一起发生酯化反应，反应后生成的产品、未反应的原料和催化剂经可调式丝网分布器除沫后，从主产品出口排出气液相反应器；排出的混合物料经分离后，未反应的环氧乙烷、催化剂和CO2气体经过增压后分别送入环氧乙烷和CO2气体循环使用。
经分离后液相物料取小样后经气相色谱分析后结果如表1所示(反应条件为：环氧乙烷和催化剂质量比10:1、2.5MPa、床层温度控制为145℃)。
对比例1：
环状烷烃合成环状碳酸酯反应装置，也为气液相反应器。该反应器的主体结构和其内构件结构如图4所示。图4标记说明如下：
1-液相物料(环烷烃/催化剂)入口、2-气相物料(高压CO2)入口、3-液相混合器、4-螺旋结构内构件、5-文丘里喷嘴、6-气液相混合器、7-丝网、8-带插件可调式丝网分布器、11-反应器筒体、12-反应器下封头、13-主产品出口、14-液相产品分出口、16-丝网分布器、17-反应器上封头、18-插件，各入口和出口均配套设置有控制阀。
其中，该气液反应器主体结构包括设置有液相物料(环烷烃/催化剂)入口、气相物料(高压CO2)入口、反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头、主产品出口和液相产品分出口。其中，在反应器底部设置有液相物料入口和气相物料入口，液相物料(环烷烃/催化剂)入口管道套在气相物料(高压CO2)入口外部。反应器上封头和反应器下封头分别设置在反应器筒体的上下两端。在反应器的顶端分别设置主产品出口和液相产品分出口。
反应器内构件主要包括液相混合器、气液相混合器、可调式丝网分布器、丝网分布器，液体混合器与气液相混合器相连接。液相混合器和气液相混合器均设置在反应器内的底部，液相混合器的一端与液相物料入口和气相物料入口的管道连通，另外一端与气液相混合器相连接。
在气液相混合器的上端设置丝网分布器，丝网分布器内固定设置有丝网。
其中液相混合器包括螺旋结构内构件和锥形结构内构件，螺旋结构内构件和锥形结构内构件串联，螺旋结构内构件设置在靠近反应器底部的一端，锥形结构内构件设置在靠近气液相混合器的一端。
气液相混合器上连接有若干个文丘里喷嘴，文丘里喷嘴的数量在靠近物料入口处数量多，在气液相混合器末端连接文丘里喷嘴数量少；带插件可调式丝网分布器固定有丝网。可调式丝网分布器通过可调式插件将丝网与反应器内部底座连接，连接方式包括螺纹、焊接和法兰，可灵活应用于不同直径的反应器。
100％液相物料(催化剂和环烷烃)通过的反应器中液相混合器中螺旋结构内构件和锥形结构内构件实现初级混合，100％的CO2经增压后从气相物料入口进入反应器，先与液相混合器出来的液相混合产品简单混合后，进一步通过的气液相混合器上的文丘里喷嘴喷射形成高速喷射流，在喷向反应器内部过程中进一步混合，高速喷射流所具有的剪切力还可以将CO2气体破碎成尺度较小的气泡，在气液相混合器的上方配置有丝网分布器，通过丝网分布器的阻挡对文丘里喷嘴喷射形成的高速喷射流形成一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层。
经过反应后的气液物料继续上行。接着，可调式插件将丝网分布器固定在反应器内部连接底座上，气液相物料继续通过反应器上行通过带插件的可调式丝网分布器，丝网分布器中的丝网可除去夹带的雾沫，主要产品和反应物料从主产品出口排出反应器去下游，如存在流量变动部分液相物料可从液相产品出口排出反应器。
对比例2：
采用对比例1的气液相反应器进行环氧乙烷酯化生成碳酸乙烯酯反应，工艺流程如下：
预先将催化剂按比例(催化剂和环氧乙烷质量比为1：10)加入环氧乙烷溶液中，关闭液相物料入口阀门、和液相产品出口阀门，打开气相物料入口阀门、主产品出口阀门，将N2、Ar或CO2依次通过气液相反应器底部的气相物料入口、液相混合器、气液相混合器和主产品出口，置换整个气液相反应器，确保气液相反应器内O2浓度降至0.5％(体积)以下。
然后自气相物料入口通入增压后的CO2气体，开启开工加热器，以CO2气体为加热介质逐步加热气液相反应器内部温度。待气液相反应器达到所需反应温度(145℃)和压力(2.5MPa)，开启环氧乙烷进料计量泵，将催化剂和环氧乙烷输送进气液相反应器，开始酯化反应。反应器内高压CO2气体(占总流量100％)与来自液相混合器的液相物料物料(100％环氧乙烷和催化剂)一起进入气液相混合器混合，并经文丘里喷嘴喷射向反应器内部形成高速喷射流，接着通过丝网分布器的缓冲作用进一步混合，此过程中环氧乙烷和CO2气体在催化剂的催化作用下发生催化反应，反应器物料温度逐步升高；反应后生成的产品、未反应的原料和催化剂经可调式丝网分布器除沫后，从主产品出口排出气液相反应器；排出的混合物料经分离后，未反应的环氧乙烷、催化剂和CO2气体经过增压后分别送入环氧乙烷和CO2气体循环使用。
经分离后液相物料取小样后经气相色谱分析后结果如表1所示(反应条件为：环氧乙烷和催化剂质量比10:1、2.5MPa、床层温度控制为145℃)。
对比例3：
一种气液相反应器。该反应器的主体结构和其内构件结构如图5所示。图5标记说明如下：
1-液相物料(环烷烃/催化剂)入口、2-气相物料(高压CO2)入口、3-管道混合器、7-丝网、8-带插件可调式丝网分布器、11-反应器筒体、12-反应器下封头、13-主产品出口、14-液相产品分出口、16-丝网分布器、17-反应器上封头、18-插件，各入口和出口均配套设置有控制阀。
其中，该气液反应器主体结构包括设置有液相物料(环烷烃/催化剂)入口、气相物料(高压CO2)入口、反应器筒体、反应器上封头、反应器下封头、主产品出口和液相产品分出口。其中，在反应器底部设置有液相物料入口和气相物料入口，液相物料(环烷烃/催化剂)入口管道套在气相物料(高压CO2)入口外部，且气相物料入口管道上开小孔使气液混合。反应器上封头和反应器下封头分别设置在反应器筒体的上下两端。在反应器的顶端分别设置主产品出口和液相产品分出口。
反应器内构件主要包括普通管道混合器、可调式丝网分布器和丝网分布器，液体混合器与气液相混合器相连接，管道设置在反应器内的底部。
在管道混合器的上方设置丝网分布器，丝网分布器内固定设置有丝网。
带插件可调式丝网分布器固定有丝网设置在反应器上端。可调式丝网分布器通过可调式插件将丝网与反应器内部底座连接，连接方式包括螺纹、焊接和法兰，可灵活应用于不同直径的反应器。
100％液相物料(催化剂和环烷烃)通过的反应器中管道混合器混合器与100％的CO2经增压后从气相物料入口进入反应器，在管道混合器的上方配置有丝网分布器，通过丝网分布器的阻挡使气液物料进一步混合并发生酯化反应，同时也起到一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层。
经过反应后的气液物料继续上行。接着，可调式插件将丝网分布器固定在反应器内部连接底座上，气液相物料继续通过反应器上行通过带插件的可调式丝网分布器，丝网分布器中的丝网7可除去夹带的雾沫，主要产品和反应物料从主产品出口排出反应器去下游，如存在流量变动部分液相物料可从液相产品出口排出反应器。
对比例4：
采用对比例2的气液相反应器进行环氧乙烷酯化生成碳酸乙烯酯反应，工艺流程如下：
预先将催化剂按比例(催化剂和环氧乙烷质量比为1：10)加入环氧乙烷溶液中，关闭液相物料入口阀门、和液相产品出口阀门，打开气相物料入口阀门、主产品出口阀门，将N2、Ar或CO2依次通过气液相反应器底部的气相物料入口、管道混合器和主产品出口，置换整个气液相反应器，确保气液相反应器内O2浓度降至0.5％(体积)以下。
然后自气相物料入口通入增压后的CO2气体，开启开工加热器，以CO2气体为加热介质逐步加热气液相反应器内部温度。待气液相反应器达到所需反应温度(145℃)和压力(2.5MPa)，开启环氧乙烷进料计量泵，将催化剂和环氧乙烷输送进气液相反应器，开始酯化反应。反应器内高压CO2气体(占总流量100％)与来自液相混合器的液相物料物料(100％环氧乙烷和催化剂)一起进入反应器管道混合器初步混合，并经丝网分布器的缓冲作用进一步混合，此过程中环氧乙烷和CO2气体在催化剂的催化作用下发生催化反应，反应器物料温度逐步升高；反应后生成的产品、未反应的原料和催化剂经可调式丝网分布器除沫后，从主产品出口排出气液相反应器；排出的混合物料经分离后，未反应的环氧乙烷、催化剂和CO2气体经过增压后分别送入环氧乙烷和CO2气体循环使用。
经分离后液相物料取小样后经气相色谱分析后结果如表1所示(反应条件为：环氧乙烷和催化剂质量比10:1、2.5MPa、床层温度控制为145℃)。
表1实施例的环氧乙烷酯化反应液相物料分析后反应数据
Figure BDA0003644982540000161
Figure BDA0003644982540000171
由表1可看出本发明技术得到的环烷烃转化率和环状碳酸酯选择性均明显高于传统普通式反应效率，因此本发明具有明显的技术优势，并将为企业创造更高的经济效益。实施例2与对比例2相比，具有更佳的转化率和目标产物选择性，特别是碳酸乙烯酯的选择性提升明显，说明本发明较传统气液反应器，具备更稳定的床层温度，继而获得更理想的目标产物收率。实施例2与对比例4相比，反应转化率和选择性提升更明显，说明液相混合器和气液相混合器的设置，对本气液反应具有更明显的技术优势。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，该装置为一气液相反应器，其特征在于：所述气液相反应器主体结构包括反应器筒体、及设置在反应器筒体上、下两端的反应器上封头和反应器下封头；在反应器底部设置有第一液相物料入口、第一气相物料入口，其中第一液相物料入口的管道套在第一气相物料入口的外部；在反应器内的底部分别设置有液相混合器、第一气液相混合器和丝网分布器；液相混合器的一端与第一液相物料入口和第一气相物料入口的管道连通，另外一端与第一气液相混合器相连接；在第一气液相混合器的上端设置丝网分布器，丝网分布器中固定有丝网。
2.如权利要求1所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：在反应器的顶端分别设置主产品出口和液相产品分出口。
3.如权利要求1所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：在反应器内部的上端设置可调式丝网分布器，在反应器内部的中部设置第二气液相混合器；在可调式丝网分布器和第二气液相混合器中均固定有丝网；可调式丝网分布器通过可调式插件将丝网与反应器内部的底座连接。
4.如权利要求3所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：在第一气液相混合器和第二气液相混合器上均设置有N个文丘里喷嘴，文丘里喷嘴的数量＞1；文丘里喷嘴的数量在靠近物料入口处数量多，在第一气液相混合器和第二气液相混合器的末端数量少。
5.如权利要求1所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：所述的液相混合器包括螺旋结构内构件和锥形结构内构件，螺旋结构内构件和锥形结构内构件连接，螺旋结构内构件设置在靠近反应器底部的一端，锥形结构内构件设置在靠近第一气液相混合器的一端。
6.如权利要求3所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：在反应器中部设置第二气液相物料入口，第二气液相物料入口与第二气液相混合器连通。
7.如权利要求3所述环状烷烃合成环状碳酸酯的反应装置，其特征在于：第二气液相混合器的形状为环形；丝网分布器形状为圆形。
8.如权利要求1-7中任一项所述的反应装置的应用，其特征在于：该气液相反应器应用于环烷烃生产环状碳酸酯的反应中。
9.利用如权利要求1-7中任意一项所述的反应装置进行环状烷烃合成环状碳酸酯的工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)将液相物料通过的反应器中液相混合器中螺旋结构内构件和锥形结构内构件实现初级混合，大部分的CO2经增压后从第一气相物料入口进入反应器，先与液相混合器出来的液相混合产品简单混合后，进一步通过的第一气液相混合器上的文丘里喷嘴喷射形成高速喷射流，在喷向反应器内部过程中进一步混合，高速喷射流所具有的剪切力将CO2气体破碎成尺度较小的气泡，通过在第一气液相混合器上方配置的丝网分布器的阻挡对文丘里喷嘴喷射形成的高速喷射流形成一定的缓冲作用，在丝网分布器的下方形成气层；
2)温度较低的部分CO2和小部分的液相物料经第二气液相物料入口进入第二气液相混合器，通过第二气液相混合器上的文丘里喷嘴喷向反应器内部，与反应器内部高温物料混合。
10.如权利要求9所述的工艺，其特征在于：从第一气相物料入口进入反应器的CO2与从第二气液相物料入口进入反应的CO2的体积比为7:3；从第一液相物料入口进入反应器的液相物料与从第二气液相物料入口进入反应的液相物料的体积比为7:3；生成的大部分气液相产品通过反应器顶部的主产品出口排出反应器，其中少部分液相产品经过液相物料出口排出反应器。
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