发明内容
针对现有技术的不足,本发明公开了一种顺酐加氢系统及顺酐加氢方法。本发明方能够有效控制整个顺酐加氢反应过程的温升,解决顺酐加氢反应过程集中放热、容易产生局部热点的问题,提高顺酐加氢过程的转化率和选择性。
本发明的顺酐加氢系统,包括子母式反应器I和子母式反应器II;
子母式反应器I包括母反应器I(反应器外壳体)和内套的子反应器I,二者同轴设置,子反应器I和母反应器I之间为环形区I,子反应器I与环形区I互不连通;子反应器I底部设置一级进料口I,顶部设置一级出料口I,环形区I顶部设置一级进料口II,底部设置一级出料口II;
子母式反应器II包括母反应器II(反应器外壳体)和内套的子反应器II,二者同轴设置,子反应器II和母反应器II之间为环形区II,子反应器II与环形区II互不连通;子反应器II底部设置二级进料口I,顶部设置二级出料口I,环形区顶部设置二级进料口II,底部设置二级出料口II;
子反应器I与环形区II连通,子反应器II与环形区I连通;具体地,子反应器I的一级出料口I经管线与环形区II的二级进料口II连通,环形区I的一级出料口II与子反应器II二级进料口I连通;
子反应器I的高径比为3~20,优选5.0~10.0,母反应器I的高径比为0.1~5,优选0.5~2.0;子反应器II的高径比为3~20,优选5.0~10.0,母反应器II的高径比为0.1~5,优选0.5~2.0;子反应器I与子反应器II的体积之比为1:1.1~1:10,优选1:1.5~1:5;母反应器I和母反应器II的体积之比为1:1.1~1:10,优选1:1.5~1:4。
本发明的顺酐加氢系统中,所述的子母式反应器(子母式反应器I和II)外壳体顶部为上封头,底部为下封头;子反应器顶部和底部分别与上封头和下封头进行固定焊接密封,子反应器和母反应器一般为圆筒形。
本发明的顺酐加氢系统中,所述的子母式反应器装填本领域常用的加氢催化剂,子反应器和环形区内装填的催化剂可以相同或不同,子母式反应器I和II内装填的催化剂可以相同或不同,子反应器和环形区内根据反应需要设置催化剂床层个数,一般为1~3个。
本发明的顺酐加氢系统中,进一步包括取热设备,用于子母式反应器I的出料的取热,以达进入子母式反应器II的物料所需反应温度,如换热器、空冷器或水冷器等。
本发明的顺酐加氢系统中,进一步包括补充氢气管线,用于子母式反应器II内氢气的提供。
本发明的顺酐加氢系统中,子母式反应器内的物料入口位置可以设置具有物料分配功能的分布构件,用于物料沿反应器截面均匀分配。
本发明的顺酐加氢系统中,子母式反应器内的母反应器I和II,优选设置若干组折流挡板,所述的折流挡板为安装在母反应器I和II壳体内壁上且与器壁垂直,可以使物料按照折流挡板规定的流动路径流动,有利于提高子母式反应器之间的传热系数,从而通过母反应器内高持液量高效吸收子反应器内放出的热量。
本发明的顺酐加氢系统中,进一步包括原料混合设备,将顺酐、溶剂、氢气的物料进行混合,如采用静态混合器、溶气泵、机械搅拌设备、胶体磨、微孔板纳/微米氢分散组件、微气泡发生器、陶瓷膜纳/微米氢分散组件、微通道混合器等任意具有液液和/或气液混合功能的设备。所述的原料混合设备一般设置于子母式反应器I和II的进料口前。
本发明的顺酐加氢系统中,进一步包括气液分离设备,用于将子母式反应器II的流出物进行气液分离,一般通过气液分离罐完成,分离罐顶部分离出气体,分离罐底部得到液相产物。
本发明的顺酐加氢方法,包括如下内容:(1)顺酐、溶剂和氢气以一定比例充分混合后形成混合物料;(2)混合物料分为两路分别由子母式反应器I的子反应器I底部和环形区I顶部进入,在子反应器I进行一级上流式加氢反应,在环形区I内进行一级下流式加氢反应;(3)子反应器I的加氢物料由顶部流出,进入子母式反应器II的环形区II,进行二级下流式加氢反应;环形区I的加氢物料由底部流出,进入子母式反应器II的子反应器II,进行二级上流式加氢反应;(4)二级上流式和下流式加氢反应的反应流出物,经气液分离得到反应产物。
本发明方法中,步骤(1)所述的混合物料为氢气为分散相、顺酐溶液为连续相的液相物料;氢气的分散尺寸一般为100nm~1000μm,优选50μm~600μm;一般采用静态混合器、溶气泵、机械搅拌设备、胶体磨、微孔板纳/微米氢分散组件、微气泡发生器、陶瓷膜纳/微米氢分散组件、微通道混合器等混合设备中的一种或多种组合。
本发明方法中,步骤(1)所述的溶剂选用苯、甲苯、二甲苯、丙酮、四氢呋喃、γ-丁内酯、甲级丙酮、环己酮、乙酸乙酯、丁二酸二乙酯或乙二醇单甲醚等中的任意一种或多种;顺酐溶液浓度一般为0.03~0.3g/mL,优选0.05~0.15g/mL。
本发明方法中,所述的子母式反应器I的氢气来源于反应原料混合过程子母式反应器II的氢气来源于子母式反应器I和II之间的补充氢管线加入的;所述的氢气,一般可以采用纯度大于90(v)%的氢气,优选采用99.9%的纯氢。
本发明方法中,子反应器(子反应器I和子反应器II)内的氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐和溶剂之和)的体积流量之比为10:1~100:1,优选20:1~50:1。
本发明方法中,环形区(环形区I和环形区II)内的氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐和溶剂之和)的体积流量之比一般为1:1~50:1,优选5:1~20:1。
本发明方法中,所述的一级上流式加氢反应反应为:反应温度为40~200℃,优选50~90℃;反应压力一般为0.5~10.0MPa,优选1~5.0MPa;液时空速一般为0.5~20.0h-1,优选5.0~15.0h-1。
本发明方法中,所述的一级下流式加氢反应条件为:反应温度一般为40~100℃,优选50~70℃;反应压力一般为0.5~10.0MPa,优选1~5.0MPa;液时空速一般为液时空速一般为0.5~20.0h-1,优选5.0~15.0h-1。
本发明方法中,所述的二级上流式加氢反应条件如下:反应温度一般为40~200℃,优选50~90℃;反应压力一般为0.5~10.0MPa,优选1~5.0MPa;液时空速一般为0.1~5.0h-1,优选0.5~3.0h-1。
本发明方法中,所述的二级下流式加氢反应条件为:反应温度一般为40~100℃,优选50~70℃;反应压力一般为0.5~10.0MPa,优选1~5.0MPa;液时空速一般为0.1~5.0h-1,优选0.1~3.0h-1。
本发明方法中,所述子反应器I和子反应器II的顺酐加氢反应转化率为≥70%,环形区I和环形区II的转化率<30%,且子反应器I的顺酐加氢反应转化率高于母反应器I,子反应器II的顺酐加氢反应转化率高于母反应器II。
本发明方法中,子母式反应器I内的子反应器I和环形区I的空速相同,通过控制进入子反应器I和环形区I不同进料量来控制环形区I的顺酐加氢反应转化率,一般进入子反应器I和环形区I的物料流量比为1:2.5~1:30,优选1:2.5~1:10,这样设置的目的是使环形空间的物料转化率适当低于子反应器,通过环形空间物料的高热容对子反应器的物料进行热量交换和控温,使子母式反应器的温度沿轴向更加均衡;子母式反应器II,环形区II的空速低于子反应器II的空速,环形区II与子反应器II的空速之比为1:1.5~1:40,优选1:5~1:20。通过控制环形区的低空速、较长停留时间来控制子反应器II的温度。
这里,子母式反应器I中,子反应器I与母反应器I内通入的物料均为反应前期的物料,反应放热速率更接近,采用母反应器I对子反应器I进行控温时,更能够使二者达到较窄的温度区间,反应更加容易达到稳定的放热速率和转化率;同样地,子反应器II与母反应器II内通入的物料均为反应后期的物料,反应放热速率更接近,采用母反应器II对子反应器II进行控温时,更能够使二者达到较窄的温度区间,反应更加容易达到稳定的放热速率和转化率,有利于反应温度的均衡和更加稳定。
本发明方法中,所述的子母式反应器内装填顺酐加氢催化剂,优选负载型镍基催化剂,其中的催化剂载体可以为SiO2、Al2O3、SiO2- Al2O3、TiO2、活性炭或分子筛等中的一种或多种;催化剂形状可以为球形、条形、三叶草形、齿球形等中的一种,优选球形或齿球形催化剂。
本发明方法中,所述的气液分离得到的液体物料可以部分循环回子母式反应器I和/或子母式反应器II,部分物料至分馏单元,也可以不循环全部至分馏单元;若反应产物部分循环,则循环回子反应器的循环物料占子母式反应器I入口新鲜物料的5~80wt%,优选10~30wt%;循环回环形区入口循环物料占子母式反应器I新鲜物料的5~50wt%,优选5~20wt%。
本发明方法中,所述的子母式反应器的子反应器I和母反应器I内的物料均为顺酐加氢反应前期物料,顺酐浓度高,反应速率快,容易发生集中放热、局部热点等问题,该条件下子反应器I采用高空速、大高径比、上流式微膨胀床的反应条件,本身就有利于缓解局部热点、催化剂结焦等情况,而母反应器I通过设置其低高径比、下流式和高持液量,将子反应器I完全浸没包裹起来的同时,与子反应器I内物料逆流传热,在子反应器I内的适当高转化率时也可以高效吸收子反应器I内放出的热量,有效控制整个子母式反应器的温升,使整个子母式反应器的温度更加均衡。子母式反应器的子反应器II和母反应器II内,子反应器II为母反应器I反应后的剩余物料,母反应器II为子反应器I反应后的剩余物料,子反应器II同样与母反应器II内的物料逆流接触,子反应器II采用高空速、大高径比、上流式微膨胀床的反应条件,母反应器II同样设置其低高径比、下流式和高持液量的反应条件,通过母反应器II高效吸收子反应器II内放出的热量,有效控制整个子母式反应器II的温升,保证整个子母式反应器的温度更加均衡和稳定。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明进行详细说明,但不因此限制本发明。
以附图1为例说明本发明的一种顺酐加氢系统及顺酐加氢方法的应用过程:
将顺酐溶液1和氢气2经混合器3混合均匀后形成反应进料4,首先引入顺酐加氢系统。进入顺酐加氢系统中的子母式反应器I,然后将反应进料分为两路,一路反应进料5从顶部进入子母式反应器I 7的环形区I,与催化剂由上而下发生下流式加氢反应后,经取热器16取热调温后与补充氢气17一起进入混合器18行均匀混合,得到的混合物料19进入子母式反应器II中子反应器器II的底部,与催化剂由下而上发生上流式加氢反应后,反应流出物21自子反应器II的顶部流离开加氢系统;另一路反应进料6从底部进入子母式反应器I 7的子反应器I,与催化剂由下而上发生上流式加氢反应后,经取热器13取热调温后与补充氢气14一起进入混合器15进行均匀混合,得到的混合物料20进入子母式反应器II中环形区II的顶部,与催化剂由上而下发生下流式加氢反应后,反应流出物22自环形区II底部流离开加氢系统;来自于加氢系统的反应流出物27进入气液分离器28,分离出气体29和液体产物30。
将本发明方法应用于顺酐加氢制备丁二酸酐过程。顺酐原料和γ-丁内酯溶剂均为市售,具体性质分别见表1和表2,催化剂性质见表3。
表1 顺酐原料性质
表2 γ-丁内酯溶剂性质
表3 催化剂理化指标
对比例1
采用常规的固定床加氢工艺,采用两个上流式加氢反应器串联的方式,顺酐在第一反应器和第二反应器依次发生顺酐加氢反应。首先将顺酐原料溶解在γ-丁内酯溶剂中混合均匀,制备顺酐溶液,经调温至反应器入口温度后与氢气混合,从上流式加氢反应器的底部进入,由下而上经催化剂床层发生加氢反应,得到的加氢产物经调温后再与补充氢气混合后,从第二个上流式加氢反应器的底部进入,经催化剂床层由下而上发生加氢反应,完成加氢反应后离开反应器,经分离器进行气液分离,分离出的物料部分循环,另一部分进入分离单元。
第一加氢反应器的操作条件如下:
反应器入口温度为50℃;
反应压力为6.0~6.5MPaG;
反应器高径比:2.5
体积空速:2.0h-1
顺酐配制浓度:12g/mL
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为30:1;
反应产物进入一反的循环量与新鲜原料的质量比:35%;
第二加氢反应器的操作情况如下:
反应器入口温度为50℃;
反应压力为6.0~6.5MPaG;
体积空速:1.0h-1;
反应器高径比:2.5;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为20:1;
第一加氢反应器与第二加氢反应器的体积之比为1:2。
反应产物进入二反的循环量与新鲜原料的质量比:30%;
在该反应条件下,以表1的和表2的顺酐和γ-丁内酯溶剂为原料,进入第一反应器和第二反应器连续进行加氢反应得到加氢产品,第一加氢反应器温升为45℃,第二加氢反应器温升为30℃。当顺酐加氢反应的平均总转化率为98.0 %,平均总选择性为95.2%~96.0%;平均总转化率≥99.5%时,平均总选择性为92.3%~94.7%。
对比例2
顺酐加氢过程采用上流式固定床和下流式固定床串联的方式进行,顺酐在第一反应器和第二反应器依次发生顺酐加氢反应。首先将顺酐原料溶解在γ-丁内酯溶剂中混合均匀,制备顺酐溶液,经调温至反应器入口温度后与氢气混合,从上流式加氢反应器的底部进入,由下而上经催化剂床层发生加氢反应,得到的加氢产物经调温后再与补充氢气混合后,从下流式加氢反应器的顶部进入,经催化剂床层由上而下发生加氢反应,完成加氢反应后离开反应器,经分离器进行气液分离,分离出的物料部分循环,另一部分进入分离单元。
第一加氢反应器的操作条件如下:
反应器入口温度为50℃;
反应压力为6.0~6.5MPaG;
反应器高径比:3.0
体积空速:2.5h-1
顺酐配制浓度:12g/mL
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为45:1;
反应产物进入一反的循环量与新鲜原料的质量比:30%;
第二加氢反应器的操作情况如下:
反应器入口温度为50℃;
反应压力为6.0~6.5MPaG;
体积空速:1.0h-1;
反应器高径比:3.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为30:1;
反应产物进入二反的循环量与新鲜原料的质量比:30%;
第一加氢反应器与第二加氢反应器的体积之比为1:2.5。
在该反应条件下,以表1的和表2的顺酐和γ-丁内酯溶剂为原料,进入第一反应器和第二反应器连续进行加氢反应得到加氢产品,第一加氢反应器温升为40℃,第二加氢反应器温升为22℃。当顺酐加氢反应的平均总转化率为98.0 %,平均总选择性为95.6%~96.6%;平均总转化率≥99.5%时,平均总选择性为93.4%~95.2%。
实施例1
采用本发明的方法,设置子母式反应器I和子母式反应器II。首先将预先配制的12%的顺酐(γ-丁内酯溶剂)溶液和氢气混合均匀后进入顺酐加氢系统,依次经过子母式反应器I和子母式反应器II发生加氢反应。将反应进料分为两路,一路经底部进入子反应区I,在催化剂床层由下而上发生上流式加氢反应,子反应区I流出物经取热后与补充氢气混合后进入子母式反应器II的环形区II,在催化剂床层内由上而下发生加氢反应,环形区II反应产物离开子母式反应器II后进行气液分离;另一路经顶部进入环形区I,在催化剂床层发生由上而下的下流式加氢反应,环形区I流出物经取热后与补充氢气混合后进入子反应区II,在催化剂床层内由下而上发生加氢反应,子反应区II反应产物离开子母式反应器II后进行气液分离;顺酐加氢系统的反应流出物经气液分离后,分离出的气体引出反应系统,分离出的液体部分进入后续的分离单元,分循环回顺酐加氢系统。
子母式反应器I的反应条件:
其中子反应区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~80℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:6.0h-1;
子反应器I高径比:6.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:10%;
其中环形区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:6.0h-1;
子母式反应器I高径比:1.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:10%;
子反应器I和环形区I的物料流量比为1:2。
子母式反应器II的反应条件:
其中子反应区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~80℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:10.0h-1;
子反应器II高径比:6.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区II的循环量与新鲜原料的质量比:30%;
其中环形区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:1.0h-1;
子母式反应器II高径比:1.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应器II的循环量与新鲜原料的质量比:30%;
子反应器I与子反应器II的体积之比为1:2,母反应器I和母反应器II的体积之比为1:2.5。
在该反应条件下,以表1的和表2的顺酐和γ-丁内酯溶剂为原料,进入本发明顺酐加氢系统和加氢方法进行加氢反应得到加氢产品,子母式反应器I的温度为50~68℃,子母式反应器I的温度为50~57℃。当顺酐加氢反应的平均总转化率为98.0 %,平均总选择性为99.6%~99.69%;平均总转化率≥99.5%时,平均总选择性为98.6%~99.2%。
实施例2
反应系统及方法同实施例1。与实施例不同的是反应条件,如下:
子母式反应器I的反应条件:
其中子反应区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~80℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:7.0h-1;
子反应器I高径比:8.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:15%;
其中环形区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:7.0h-1;
子母式反应器I高径比:1.5;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:15%;
子反应器I和环形区I的物料流量比为1:3。
子母式反应器II的反应条件:
其中子反应区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~75℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:7.0h-1;
子反应器II高径比:6.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区II的循环量与新鲜原料的质量比:20%;
其中环形区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:1.5h-1;
子母式反应器II高径比:1.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应器II的循环量与新鲜原料的质量比:20%;
子反应器I与子反应器II的体积之比为1:3;母反应器I和母反应器II的体积之比为1:1.65。
在该反应条件下,以表1的和表2的顺酐和γ-丁内酯溶剂为原料,进入本发明顺酐加氢系统和加氢方法进行加氢反应得到加氢产品,子母式反应器I的温度为50~69℃,子母式反应器I的温度为50~58℃。当顺酐加氢反应的平均总转化率为98.0 %,平均总选择性为99.5%~99.8%;平均总转化率≥99.5%时,平均总选择性为98.5%~99.0%。
实施例3
反应系统及方法同实施例1。与实施例不同的是反应条件,如下:
子母式反应器I的反应条件:
其中子反应区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~75℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:6.0h-1;
子反应器I高径比:8.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:10%;
其中环形区I的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:6.0h-1;
子母式反应器I高径比:1.5;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区I的循环量与新鲜原料的质量比:8%;
子反应器I和环形区I的物料流量比为1:4。
子母式反应器II的反应条件:
其中子反应区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~72℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:8.0h-1;
子反应器II高径比:8.0;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应区II的循环量与新鲜原料的质量比:10%;
其中环形区II的反应条件如下:
反应温度为50℃~65℃;
反应压力为3.0~4.0MPaG;
体积空速:1.0h-1;
子母式反应器II高径比:1.5;
氢气(Nm3/h)与新鲜原料(m3/h)(顺酐溶解在γ-丁内酯溶剂中形成的溶液)体积比为25:1;
反应产物进入子反应器II的循环量与新鲜原料的质量比:10%;
子反应器I与子反应器II的体积之比为1:2;母反应器I和母反应器II的体积之比为1:2。
在该反应条件下,以表1的和表2的顺酐和γ-丁内酯溶剂为原料,进入本发明顺酐加氢系统和加氢方法进行加氢反应得到加氢产品,子母式反应器I的温度为50~64℃,子母式反应器I的温度为50~58℃。当顺酐加氢反应的平均总转化率为98.0 %,平均总选择性为99.6%~99.9%;平均总转化率≥99.5%时,平均总选择性为98.7%~99.4%。
由本实施例及对比例的效果可以看出,采用本发明的顺酐加氢系统及顺酐加氢方法,使反应进料依次经过子母式反应器I和子母式反应器II发生加氢反应,其中子母式反应器I的子反应区I和环形区I均为反应器前期物料,通过设置子反应器I在高空速、大高径比、上流式微膨胀床的条件下进行,而环形区I在低高径比、下流式和高持液量的条件下将子反应器I完全浸没包裹起来,与子反应器I内物料逆流传热,可以高效吸收子反应器I内放出的热量,有效控制整个子母式反应器的温升,使整个子母式反应器I的温度更加均衡;子母式反应器II同样如此。因此,通过本发明方能够有效控制整个顺酐加氢反应过程的温升,解决顺酐加氢反应过程集中放热、容易产生局部热点的问题,提高顺酐加氢过程的转化率和选择性。