CN116571172A - 用于制备甲基异戊基酮的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于制备甲基异戊基酮的装置及方法。该装置包括：反应物混合器、换热器和反应釜；所述反应物混合器包括第一反应物入口以及脱水催化剂入口；所述换热器的入口与所述反应物混合器的出口相连；所述反应釜包括文丘里喷射器、还原气体入口以及加氢催化剂入口；所述文丘里喷射器设于所述反应釜的顶部，所述文丘里喷射器的入口和所述换热器的出口相连，第二反应物入口与所述文丘里喷射器的入口相连。与现有技术相比，本申请具有如下的有益效果：提高了产物的收率，减少三废排放，降低了生产成本，连续化操作方便，反应收率高，节能环保，适合于工业化生产。

Description

用于制备甲基异戊基酮的装置及方法
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，具体涉及用于制备甲基异戊基酮的装置及方法。
背景技术
甲基异戊基酮(Methyl Isoamyl Ketone简称MIAK)，化学名为5-甲基-2-己酮，为淡香气的无色透明液体。主要用作醋酸纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩甲醛树脂等的溶剂。也可用于有机合成，是制备对苯二胺类橡胶防老剂7PPD、77PD、TMPPD的主要原料。然而目前甲基异戊基酮工业化装置普遍采用间歇釜式两步法或一步法合成。在催化剂的作用下，使反应物通过缩合、脱水及加氢反应生成甲基异戊基酮。但相关技术中使用的甲基异戊基酮工业化装置及合成方法中有很多不足：使用的催化剂催化活性差，反应物转化率低，选择性差，产品纯度不高，副反应较多，合成步骤多，工艺复杂，设备腐蚀性强并产生大量废液，不适合于工业化生产。
因此，目前用于制备甲基异戊基酮的装置及制备其的方法仍有待改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种用于制备甲基异戊基酮的装置及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
在本发明的一个方面，提供了一种用于制备甲基异戊基酮的装置，该装置包括：反应物混合器、换热器和反应釜；所述反应物混合器包括第一反应物入口以及脱水催化剂入口，以将第一反应物以及脱水催化剂混合；所述换热器的入口与所述反应物混合器的出口相连，以对混合反应物进行加热；所述反应釜包括文丘里喷射器、还原气体入口以及加氢催化剂入口；所述文丘里喷射器设于所述反应釜的顶部，所述文丘里喷射器的入口和所述换热器的出口相连，第二反应物入口与所述文丘里喷射器的入口相连。
进一步地，该装置包括固液分离单元，所述固液分离单元包括混合物入口、洁净液体产物出口以及浆状催化剂出口，所述混合物入口和所述换热器的出口相连，所述浆状催化剂出口和所述文丘里喷射器的入口相连。
更进一步地，所述反应釜底部设有物料出口，所述物料出口和所述换热器的入口相连，所述装置进一步包括循环泵，以在所述反应釜、所述固液分离单元以及所述换热器之间形成物料循环回路。
所述循环泵设于所述物料出口和所述换热器的出口之间的管路中。
再更进一步地，所述循环泵的扬程被配置为可令所述循环泵的进口和出口之间的压力差不低于0.3MPa。
再更进一步地，所述循环泵的循环量为所述反应釜的容积的20～50倍。
再更进一步地，所述循环泵为磁力泵或离心泵。
进一步地，所述固液分离单元为错流过滤器。
进一步地，该装置还包括还原气体缓冲罐；所述还原气体缓冲罐包括液体产物入口、甲基异戊基酮出口、吹扫气体出口以及气体放空口；其中，所述液体产物入口和所述洁净液体产物出口相连，所述吹扫气体出口和所述浆状催化剂出口相连，以将浆状催化剂吹扫至所述文丘里喷射器内。
更进一步地，所述还原气体缓冲罐和所述反应釜通过平衡管相连，以稳定所述反应釜内的还原气体分压。
更进一步地，所述还原气体缓冲罐进一步包括加压管，以对所述还原气体缓冲罐内进行氢气加压补偿。
进一步地，所述反应釜的长径比为2-8。
进一步地，所述文丘里喷射器包括依次相连的物料入口、喷嘴、混合室以及扩散器，并具有和所述混合室连通的气室，所述物料入口位于所述反应釜顶部，且所述物料入口和所述换热器的出口相连，所述扩散器的开口朝向所述反应釜内部。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述物料入口和所述喷嘴之间具有进口段。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述物料入口的内径不低于所述喷嘴的内径的10倍。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述混合室的内径不小于所述喷嘴的内径，且不大于所述喷嘴的内径的2倍。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述扩散器的长度不小于所述混合室的长度的30倍。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述扩散器的内壁与所述扩散器的轴线的夹角为7-15度。
进一步地，所述文丘里喷射器中：所述物料入口的内径、所述喷嘴的内径、所述混合室的内径、所述混合室的长度以及所述扩散器的长度的比例为(38-42)：(2-3.5)：(4-6)：(25-40)：(1300-1500)。
进一步地，所述反应釜内无挡板和冷却盘管。
进一步地，所述反应釜内无搅拌运动部件。
在本发明的另一方面，提供一种利用如前所述的装置制备甲基异戊基酮的方法，其步骤包括：将第一反应物和脱水催化剂于所述反应物混合器进行混合，经所述换热器进行换热处理后，再输送至所述文丘里喷射器；将第二反应物自所述第二反应物入口输送至所述文丘里喷射器；向所述反应釜内通入还原性气体以及加氢催化剂以进行反应。
进一步地，所述第一反应物包括丙酮。
进一步地，所述脱水催化剂包括碱液。
进一步地，所述第二反应物包括异丁醛。
进一步地，所述还原性气体包括氢气。
进一步地，所述加氢催化剂包括贵金属催化剂。
进一步地，所述丙酮和所述异丁醛的摩尔比为(3-5)：1。
进一步地，所述贵金属催化剂包括1-5％粉状的钯碳催化剂、铂碳催化剂或镍炭催化剂。
进一步地，所述反应包括同步进行的脱水反应以及加氢反应，所述反应的温度为80-100℃。
进一步地，该方法包括：将所述反应釜内物料自所述物料出口排出，和经过预先混合的所述第一反应物以及所述脱水催化剂混合后供给至所述换热器；将经过所述换热器换热的物料供给至固液分离单元进行固液分离处理以获得洁净液体产物以及浆状催化剂，所述洁净液体产物自所述固液分离单元排出，所述浆状催化剂供给至所述文丘里喷射器进行循环套用。
更进一步地，所述方法包括控制所述文丘里喷射器的喷嘴处流体线速度为80-120m/s。
更进一步地，所述方法包括令所述文丘里喷射器的扩散器的开口位于反应釜内液体的液面以下。
更进一步地，将所述洁净液体产物供给至还原气体缓冲罐内进行气液分离，以获得甲基异戊基酮产物以及分离还原气。
再更进一步地，该方法进一步包括：所述还原气体缓冲罐通过平衡管和所述反应釜相连，控制所述还原气体缓冲罐供给至所述反应釜内的气体，以稳定所述反应釜内的还原气体分压。
再更进一步地，该方法进一步包括：所述还原气体缓冲罐包括吹扫气体出口，所述吹扫气体出口和所述固液分离单元相连，以将所述浆状催化剂吹扫至所述文丘里喷射器内，实现所述浆状催化剂的循环套用。
再更进一步地，该方法进一步包括：利用所述固液分离单元截留固体催化剂，获得的洁净液体产物自液体产物出口，按80-150L/h的流量供给至所述还原气体缓冲罐。
再更进一步地，该方法进一步包括：利用加压管对所述还原气体缓冲罐内进行氢气加压补偿。
本发明提出的方法以及装置，至少具有以下优点的至少之一：
1.本发明对传统工艺进行改进，将脱水反应和催化加氢反应在一个反应器内同步进行，缩短了工艺流程，减少了对设备的投入，降低了产品的生产成本，大大降低了脱水产物发生副反应的几率，提高了产品的选择性。
2.本发明用于制备甲基异戊基酮的装置具有以下优势：①采用独立的换热器，换热面积不会受到限制，传热能效更大。②反应釜顶部设置文丘里喷射器，可令物料充分混合并提高反应效率，反应釜内无需设置挡板、搅拌桨等部件，因此设备长径比不受限制，反应釜内部空间内无运动部件，气密性能良好。
3.本发明的制备甲基异戊基酮的方法不再使用酸液进行脱水，避免了酸液的产生和对设备的腐蚀，减少了废液的排放，降低了废液处理成本。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本申请进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。
图1为根据本发明一实施例的制备甲基异戊基酮的装置的结构示意图；
图2为根据本发明一实施例的制备甲基异戊基酮的装置的结构示意图；
图3为相关技术以及根据本发明一实施例的过滤器的过滤原理示意图；
图4为根据本发明一实施例的制备甲基异戊基酮的装置中使用的文丘里喷射器的部分结构示意图；
图5为根据本发明一实施例的制备甲基异戊基酮的方法的流程图。
附图说明：100-反应物混合器，110-第一反应物入口，120-脱水催化剂入口，200-换热器，300-反应釜，310-还原气体入口，320-加氢催化剂入口，330-物料出口，340-文丘里喷射器，341-物料入口，342-进口段，343-喷嘴，344-混合室，345-扩散器，346-气室，350-第二反应物入口，400-第二反应物储罐，500-固液分离单元，510-混合物入口，520-洁净液体产物出口，530-浆状催化剂出口，540-金属膜，600-还原气体缓冲罐，610-液体产物入口，620-气体放空口，630-甲基异戊基酮出口，640-吹扫气体出口，650-加压管，660-平衡管，700-循环泵，800-氢气储罐，900-载气储罐。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种用于制备甲基异戊基酮的装置。参考图1-图4，该装置包括反应物混合器100、换热器200以及反应釜300。反应物混合器100包括第一反应物入口110以及脱水催化剂入口120，第一反应物自第一反应物入口110进入反应物混合器100中，脱水催化剂自脱水催化剂入口120进入反应物混合器100中，二者在反应物混合器100中充分混合。换热器200的入口与反应物混合器100的出口相连，经反应物混合器100充分混合的反应物流入换热器200中进行加热。反应釜300包括文丘里喷射器340、还原气体入口310以及加氢催化剂入口320。还原气体以及加氢催化剂分别经还原气体入口310以及加氢催化剂入口320供给至反应釜300。文丘里喷射器340设于反应釜300的顶部。文丘里喷射器340的入口和换热器200的出口相连，经换热器200加热的反应物进入文丘里喷射器340，第二反应物入口350与文丘里喷射器340的入口相连，第二反应物自第二反应物入口350也供给至文丘里喷射器340的入口。例如，第二反应物可以通过计量泵，自第二反应物入口350单独打入文丘里喷射器340。
该装置至少具有如下的有益效果：提高了产物的收率，减少三废排放，降低了生产成本，连续化操作方便，反应收率高，节能环保，适合于工业化生产。
为了方便理解，下面首先对该装置能够实现上述有益效果的原理进行简单说明：
该装置在反应釜300内部设置了文丘里喷射器340，文丘里喷射器340下端的开口和反应釜300内部空间连通。还原气体以及加氢催化剂预先供给至反应釜300内，液态反应物(包括第一反应物、第二反应物以及脱水催化剂)通过文丘里喷射器340的喷嘴343供给至反应釜300内。由此可利用文丘里喷射器340喷射形成高速流动的液体，并在反应釜300内借助高速液体的剪切作用，使还原气体形成细小的气泡，从而扩大气液接触比表面积，提高单位功耗下的传质速率。总的来说，该装置可令反应釜300内的反应物浆料产生气/液/固的密切混合，在从文丘里喷射器340的喷嘴343内喷射出混合物的瞬间完成反应，生成甲基异戊基酮。
下面根据本发明的具体实施例，对该装置的各个单元以及部件进行进一步详细说明：
根据本发明的实施例，该装置进一步包括固液分离单元500。固液分离单元500包括混合物入口510、洁净液体产物出口520以及浆状催化剂出口530，混合物入口510和换热器200的出口相连，浆状催化剂出口530和文丘里喷射器340的入口相连。
反应釜300底部设有物料出口330，物料出口330和换热器200的入口相连，且该装置进一步包括循环泵700，以在反应釜300、固液分离单元500以及换热器200之间增压形成物料循环回路。循环泵700可为循环回路提供动力，将一部分物料自各出口采出，一部分物料在前述的循环回路中进行循环。液体反应物(包括第一反应物、第二反应物和脱水催化剂)可通过文丘里喷射器340喷射至反应釜300内，气体(包括还原气体)以及固体(包括加氢催化剂)反应物可直接供给至反应釜300内。因此可利用固液分离单元500，将反应釜300内的固液气混合物进行固液分离，液体产物可分离之后排出，含固体的浆状催化剂可以分离之后继续供给至反应釜300内循环利用。
也即是说，在反应开始的阶段，各反应物通过文丘里喷射器340或是反应釜300上的物料入口341进入反应釜300内部空间进行反应，并形成浆状混合物。该浆状混合物中包括固态催化剂、液体产物和未反应完全的液体反应物，以及溶解气体(如氢气等还原气体)。上述浆状混合物自物料出口330排出，并供给至换热器200内进行换热，随后通过和换热器200相连的混合物入口510供给至固液分离单元500进行前述的固液分离，从而分离出洁净液体产物和浆状催化剂。固液分离得到的浆状催化剂中包括固体的加氢催化剂和一部分液体，该液体可包括未反应完全的液体反应物以及少部分液体产物；该浆状催化剂自浆状催化剂出口530再次供给至文丘里喷射器340，进而进入反应釜300进行循环。固液分离得到的洁净液体产物自洁净液体产物出口520排出固液分离单元500。由此令物料在物料循环回路内进行循环。这种形成回路的连续反应装置能够缩短物料停留时间，有效避免反应物自身缩合的副反应发生。
此处需要特别说明的是，在本发明中，术语“洁净液体产物”应作广义理解，其含义为该部分物质是实现了固体的加氢催化剂分离之后获得的液体混合物，其中仅含有极少量固体，或不含有固体的加氢催化剂。该术语不能够理解为该产物中不含有杂质或是未反应完全的反应物等物质。
在一些实施例中，为了实现前述的物料循环回路，该装置内需要设置动力部件，以此为前述的物料循环提供动力。例如，该动力部件可以为循环泵700。由于在反应釜300、换热器200以及固液分离单元500之间具有闭合的物料循环回路，因此只要在该回路内设置循环泵700即可。例如，循环泵700设于物料出口330和换热器200的出口之间的管路中。为了令循环泵700可以为物料循环回路提供更好的动力，循环泵700的扬程被配置为可令循环泵700的进口和出口之间的压力差不低于0.3MPa，循环泵700的循环量为反应釜300的容积的20～50倍，优选为40倍。更具体地，循环泵700的循环量不低于流量15m3/h，扬程优选为15-30m，例如可以为20m，可采用磁力泵或离心泵。
根据本发明的一个实施例，固液分离单元500具体可为错流过滤器。参考图3，错流过滤器采用金属膜540作为过滤介质，可提供由内向外或由外向内的过滤形式，具有通过交叉流动的过滤提供连续过滤周期的性能。如图3中的(b)所示出的，在泵等动力部件的推动下，进入错流过滤器的浆状混合物平行于金属膜540的膜面流动(如下中横向的箭头所示出的)。与图3中的(a)所示出的死端过滤不同的是，浆状混合物流经膜面时产生的剪切力能够把膜面上滞留的固态颗粒带走，从而使金属膜540表面的污染层保持在一个较薄的水平。而如图3中(a)所示出的死端过滤，如传统的板框过滤、硅藻土过滤、滤芯过滤等方式，是在压力差的推动下令浆状混合物中的颗粒被金属膜540’截留。因此随着过滤时间的延长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加。在操作压力不变的情况下，膜的过滤透过率将显著下降。因此，死端过滤只能间歇进行，必须周期性地清除膜表面的污染物层或更换膜。进而导致仅能够采用间歇过滤操作，不能够实现连续运行。
根据本发明的实施例，错流过滤器的物料流(即浆状混合物)在金属膜540表面产生两个分力，一个是垂直于膜面的反向力，使液体物料透过膜面，另一种是平行于膜面的切向力，可以把膜面的截留物，即固态物料冲刷掉。错流过滤透过率下降时，只要设法降低膜面的反向力、提高膜面的切向力，就可以对金属膜540进行有效清洗，使金属膜540恢复原有性能。因此，错流过滤的金属膜540表面不断更新，不易产生浓差极化现象和结垢问题，过滤透过率衰减较慢。且上述整个过滤过程只是固液分离过程，属于物理过程，不牵涉到化学反应，因此不会影响到本发明的原料的转化率和选择性。
综上所述，采用错流过滤器为固液分离单元500可在线过滤浆状催化剂，进而实现该装置的连续化反应，并实现催化剂的在线回收套用。也即是说，通过固液分离单元500，实现催化剂的在线分离，令催化剂不离开系统，始终循环参与反应。
根据本发明的实施例，参考图4，文丘里喷射器340是一种高性能的气液混合装置，其包括依次相连的物料入口341、喷嘴343、混合室344以及扩散器345，物料入口341位于反应釜300顶部且和换热器200相连，扩散器345下端开口和反应釜300内部空间连通，其中物料入口341即文丘里喷射器340的入口。优选地，扩散器345下端伸入反应釜300下方液体物料内。在物料入口341、喷嘴343之间还可具有进口段342，以更好地形成高速流动相。气室346和混合室344相连通，用于气体的供给。物料经由物料入口341进入文丘里喷射器340中，并且与反应釜300中通入的气体以及固体催化剂(加氢催化剂)产生气/液/固的密切混合，可以令大部分的反应在喷嘴343部分进行完全，从而具有较高的反应效率。
本发明通过文丘里喷射器340形成高速流动相，并利用高速流动相卷吸反应釜300内的其他相，使各相密切接触，继而在反应釜300内形成均匀分散或悬浮的物料混合物，并完成反应。发明人发现，在该过程中影响反应速率关键是反应的传质效果。传统的搅拌釜式反应器和相关技术中的回路反应器中，气液固三相混合后生成的气泡直径为1～2mm，利用文丘里喷射器340形成的气泡平均直径可小于0.1mm。该反应釜300内的流体含气量体积比可达到不低于30％的水平，由此增加了气液相间的接触面积，缩短反应时间，显著提高了反应效率，提高了生产能力，降低生产成本。
并且，采用上述文丘里喷射器340的反应釜300内无需设置挡板和冷却盘管，且无搅拌运动部件。由此，可进一步提高该装置的气密性。
具体地，可令物料入口341的内径D1不低于喷嘴343内径D2的10倍。在一些示例中，也可令混合室344的内径D3不小于喷嘴343的内径D2，且不大于喷嘴343内径D2的2倍。例如，可令混合室344的内径D3略大于喷嘴343的内径D2。在一些示例中，扩散器345的长度L2不小于混合室344的长度L1的30倍。扩散器345可呈喇叭状，扩散器345的内壁与扩散器345的轴线的夹角可以为7-15度。即扩散器345的开口具有夹角a，夹角a可以为15～30度。此处需要特别说明的是，“扩散器345的开口夹角a”意为在扩散器345的剖面图中，两个侧壁延伸方向的直线之间的夹角，如图4中所示出的a。
在一具体实施例中，物料入口341的内径D1、喷嘴343内径D2、混合室344的内径D3、混合室344的长度L1以及扩散器345的长度L2的比例可以为(38-42)：(2-3.5)：(4-6)：(25-40)：(1300-1500)。更具体地，D1:D2:D3:L1:L2的比例可以为40:3:5:35:1400。
采用具有上述结构的文丘里喷射器340可在反应釜300内形成物料的两个循环体系：其一是由循环泵700等动力部件带动的经过反应釜300、换热器200和固液分离单元500的液体循环体系；其二是由文丘里喷射器340引起的自吸式气体循环体系，未反应的气体将从反应釜300内的液相中分离出来，被收集在反应釜300的顶端，然后再被文丘里喷射器340的气室346吸入回到液相中去。
根据本发明的实施例，该反应釜300可以为细长形高压反应釜。反应釜300的长径比为2～8，可有利于反应釜300的散热，避免发生不需要的副反应。
根据本发明的实施例，该装置进一步包括还原气体缓冲罐600。还原气体缓冲罐600包括液体产物入口610、甲基异戊基酮出口630、吹扫气体出口640以及气体放空口620，液体产物入口610和洁净液体产物出口520相连，以将分离的液体产物供给至还原气体缓冲罐600进行收集以及气液分离，从而对溶解在液体产物中的还原气体进行分离。分离的液体即为反应产物，可自甲基异戊基酮出口630排出进行收集，或是进入后续工段处理。此处需要特别说明的是，自甲基异戊基酮出口630排出的甲基异戊基酮可以为甲基异戊基酮粗品，甲基异戊基酮粗品可经过后续工段的处理之后形成甲基异戊基酮产品。或者，该甲基异戊基酮粗品可在收集之后，供给至单独的提纯除杂装置中进行提纯。
气体放空口620可进行氢气放空。
吹扫气体出口640和浆状催化剂出口530相连。还原气体缓冲罐600还可包括加压管650，通过加压管650进行氢气加压补偿，以利于和浆状催化剂出口530相连的吹扫气体出口640将浆状催化剂吹扫至文丘里喷射器340内继续进行反应。
还原气体缓冲罐600还可和反应釜300相连。例如，可通过平衡管660与反应釜300相连，在加压管650的作用下和反应釜300气体连通，以稳定反应釜300内的还原气体分压。
根据本发明的实施例，该装置进一步包括第二反应物储罐400，氢气储罐800，载气储罐900，可用于向反应釜300中连续输送反应所需的反应物及气体。例如，第二反应物储罐400可用于向反应釜300供给第二反应物，例如可以为异丁醛。氢气储罐800可提供还原气体氢气，载气储罐900可提供氮气、氩气等惰性载气，对反应釜300及整个系统氧气进行置换，保证系统氧含量低于0.5％，确保安全。
根据本发明的实施例，该装置可具有计量泵，用于按一定比例向系统中输入液体的反应物及催化剂。
根据本发明的实施例，该装置可用于包括但不限于基于丙酮和异丁醛合成甲基异戊基酮等产物。也可用于需要进行脱水以及加氢反应的、副反应较多的、难以工业化生产的产物体系。例如，在反应物自身易于自身缩合的情况下，即可通过本申请中循环回路的形式进行反应，从而使反应物在反应装置中连续地循环流动，避免自身缩合，不断进行反应。从而缩短合成周期，降低副反应发生几率，提高产品收率。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种利用上述装置制备甲基异戊基酮的方法。参考图1-图5，该方法包括：将第一反应物和脱水催化剂于反应物混合器100预先混合，经换热器200进行换热处理后，再输送至文丘里喷射器340。将第二反应物自第二反应物入口350输送至文丘里喷射器340。向反应釜300内通入还原性气体以及加氢催化剂以进行反应。
该方法至少具有如下的有益效果：降低了脱水产物发生副反应的几率，提高了产品的选择性，减少了废液的排放，降低了废液处理成本。
根据本发明的实施例，本方法以第一反应物和第二反应物为原料，在脱水催化剂以及加氢催化剂的作用下，通过脱水和加氢反应一步连续合成甲基异戊基酮。第一反应物包括丙酮，脱水催化剂包括碱液，第二反应物包括异丁醛，还原性气体包括氢气，加氢催化剂包括贵金属催化剂。例如，贵金属催化剂可以包括钯碳、铂碳、镍碳等催化剂，具体可以为1-5％(基于催化剂总质量所含有的贵金属组分的质量百分比)粉状的钯碳催化剂。相应地，浆状催化剂可以为浆状钯碳催化剂。
本发明提出的方法中，反应釜300内的反应可以为加氢还原反应，更具体地，可为气液固三相全混反应。例如，具体可以利用计量泵等，将第一反应物以及脱水催化剂按比例泵入反应物混合器100，例如静态混合器中，同时反应釜300内物料通过釜底的物料出口330经反应釜300与换热器200管线之间的循环泵700循环增压，泵入文丘里喷射器340的入口，经文丘里喷射器340内与循环来的含催化剂的物料混合，进行气液固三相混合反应。
甲基异戊基酮的主要合成原理可以包括以下三步：
1.丙酮和异丁醛经碱催化，进行交叉羟醛缩合反应，生成4-羟基-5-甲基-2-己酮。
2.4-羟基-5-甲基-2-己酮在酸性催化剂作用下脱水反应，生成5-甲基-3-己烯-2-酮和5-甲基-4-己烯-2-酮两种同分异构体。
3.5-甲基-3-己烯-2-酮和5-甲基-4-己烯-2-酮两种同分异构体在加氢催化剂作用下催化加氢，均生成目标产物5-甲基-2-己酮，即甲基异戊基酮。
根据本发明的实施例，采用前述的装置进行上述反应，可令脱水反应和加氢反应同步在反应釜300内进行，从而具有较高的反应效率。前述的装置具有较高的传热和传质效率，进而还可增加反应的选择性。并且，可缩短批量生产周期。
根据本发明的一些实施例，参考图2，可按照摩尔比为(3-5)：1的比例将丙酮以及异丁醛供给至文丘里喷射器340，在脱水催化剂和加氢催化剂的作用下发生同步进行的脱水反应以及加氢反应。反应的温度可以较低，具体地，可以为80-100℃。
根据本发明的实施例，该方法包括：将反应釜300内物料自物料出口330排出，和经过预先混合的第一反应物以及脱水催化剂混合后，例如在循环泵700增压的作用下，供给至换热器200。将经过换热器200换热的物料供给至固液分离单元500进行固液分离处理以获得洁净液体产物以及浆状催化剂，洁净液体产物自固液分离单元500排出，浆状催化剂供给至文丘里喷射器340进行循环套用反应。例如具体地，反应釜300底部排出的物料经过错流过滤器可截留住固体的加氢催化剂，获得的洁净液体产物按80-150L/h的流量，例如具体地以100L/h进入还原气体缓冲罐600之后，向外采出，经冷却等处理进入产品中间储罐进行保存和收集。
在反应过程中，可控制文丘里喷射器340的喷嘴343处流体线速度80-120m/s，例如可以为100m/s。具有上述流体线速度的物料可形成前述的高速流体，进而可以促进固液气三相的混合，提高反应效率。还可以令文丘里喷射器340的扩散器345的开口位于反应釜300内液体的液面以下，进而可形成湍流，将反应终点更推进一步。
根据本发明的实施例，将经过固液分离处理产生的洁净液体产物供给至还原气体缓冲罐600内进行气液分离，以获得甲基异戊基酮产物以及分离还原气。例如，还原气可为氢气。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括以下处理的至少之一：还原气体缓冲罐600通过平衡管660和反应釜300相连，控制还原气体缓冲罐600供给至反应釜300内的气体，以稳定反应釜300内的还原气体分压。还原气体缓冲罐600进一步包括吹扫气体出口640，吹扫气体出口640和固液分离单元500相连，以将含浆状催化剂吹扫至文丘里喷射器340内。利用加压管650对还原气体缓冲罐600内进行氢气加压补偿。
更具体地，加压补偿可以为每经过1～3小时，关闭还原气体缓冲罐600上的放空阀，用氢气给还原气体缓冲罐600升压，令其压力高于反应釜300的压力，二者的压力差不低于0.3MPa。随后打开还原气体缓冲罐600底阀对错流过滤器进行反冲洗。
根据本发明的实施例，该方法可具体包括：
在1m3的反应釜300中，将载气送入反应釜300中反复置换2～3次，直至氧含量合格后，将丙酮、10％的氢氧化钠溶液分别泵送入反应物混合器100，同时将异丁醛和氢气送入反应釜300。反应物的比例前面已经进行了详细的说明，在此不再赘述。控制气体流量，将系统压力升至0.3MPa，检查循环回路上所有阀门保证可以正常循环，然后开启循环泵700，使反应物在反应釜300、换热器200、固液分离单元500中循环反应。
实施例1
采用如图2所示生产工艺流程及设备制备甲基异戊基酮，将原料丙酮1015kg、3％氢氧化钠水溶液100kg分别用隔膜计量泵送入反应物混合器100，向反应釜300内加入一定量的3％钯碳催化剂，同时将异丁醛360kg和新鲜氢气导入2m3的反应釜300中，打开气相进料管阀门，将氮气(载气)送入系统反复置换2～3次，直至氧含量合格后将氮气切换为氢气，将系统压力升至0.3MPa。然后开启循环泵700。随着反应的进行，不断提高反应压力，逐步提至1.5MPa，分析加氢釜内反应物浓度，当反应物浓度达到指标，间歇反应结束，准备转入连续投料，控制反应温度为120℃，反应压力维持在1.5MPa，反应约1小时后取样分析。并每经过1～3小时，关闭还原气体缓冲罐600上的放空阀，用氢气给还原气体缓冲罐600升压，令其压力高于反应釜300压力0.3MPa。随后打开还原气体缓冲罐600底阀对错流过滤器进行反冲洗一次，冲洗流量控制在20L/h，冲洗时间1～2s。
经检测异丁醛转化率为99.5％，产品选择性为90％。得到的粗品MIAK经固液分离单元500过滤后送入粗品储罐，对粗品进行精馏回收部分轻组分，然后减压精馏得到产品甲基异戊基酮，经检测产品含量为98.97％。
总的来说，本发明提出的用于制备甲基异戊基酮的装置和方法，以异丁醛和丙酮为反应物，在脱水催化剂和加氢催化剂的作用下，通过脱水和加氢反应一步连续合成甲基异戊基酮。由于脱水催化剂不易溶于第一反应物和第二反应物，反应顺利进行需要添加大量水。此外，通过脱水反应获得的产物不溶于水，使得体系中逐渐形成水油两相，甚至还会有反应物析出，需要强烈的搅拌。本发明利用循环泵700在反应釜300、换热器200以及固液分离单元500之间形成的循环反应回路，有效避免反应物自身缩合的副反应，在较低的反应温度下即可达到满意的转化率和选择性。反应主要是在文丘里喷射器340的喷嘴343内发生，通过控制喷嘴343反应区的停留时间可以提高反应的转化率和产品的选择性。通过选择性加氢提高了产物的收率，减少三废排放，降低了生产成本。本发明连续化操作方便，反应收率高，节能环保，适合于工业化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (14)

1.一种用于制备甲基异戊基酮的装置，其特征在于，所述装置包括反应物混合器、换热器和反应釜；
所述反应物混合器包括第一反应物入口以及脱水催化剂入口；
所述换热器的入口与所述反应物混合器的出口相连；
所述反应釜包括文丘里喷射器、还原气体入口以及加氢催化剂入口；
所述文丘里喷射器设于所述反应釜的顶部，所述文丘里喷射器的入口和所述换热器的出口相连，第二反应物入口与所述文丘里喷射器的入口相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括固液分离单元，所述固液分离单元包括混合物入口、洁净液体产物出口以及浆状催化剂出口，所述混合物入口和所述换热器的出口相连，所述浆状催化剂出口和所述文丘里喷射器的入口相连；
任选地，所述反应釜底部设有物料出口，所述物料出口和所述换热器的入口相连，所述装置进一步包括循环泵，以在所述反应釜、所述固液分离单元以及所述换热器之间形成物料循环回路；
进一步任选地，所述循环泵设于所述物料出口和所述换热器的出口之间的管路中；
进一步任选地，所述循环泵的扬程被配置为可令所述循环泵的进口和出口之间的压力差不低于0.3MPa；
进一步任选地，所述循环泵的循环量为所述反应釜的容积的20～50倍。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述固液分离单元为错流过滤器。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括还原气体缓冲罐；
所述还原气体缓冲罐包括液体产物入口、甲基异戊基酮出口、吹扫气体出口以及气体放空口；其中，所述液体产物入口和所述洁净液体产物出口相连，所述吹扫气体出口和所述浆状催化剂出口相连；
任选地，所述还原气体缓冲罐和所述反应釜通过平衡管相连；
任选地，所述还原气体缓冲罐进一步包括加压管。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应釜的长径比为2-8。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述文丘里喷射器包括依次相连的物料入口、喷嘴、混合室以及扩散器，并具有和所述混合室连通的气室，所述物料入口位于所述反应釜顶部，且所述物料入口和所述换热器的出口相连，所述扩散器的开口朝向所述反应釜内部。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述文丘里喷射器满足以下条件的至少之一：
所述物料入口和所述喷嘴之间具有进口段；
所述物料入口的内径不低于所述喷嘴的内径的10倍；
所述混合室的内径不小于所述喷嘴的内径，且不大于所述喷嘴的内径的2倍；
所述扩散器的长度不小于所述混合室的长度的30倍；
所述扩散器的内壁与所述扩散器的轴线的夹角为7-15度；
所述物料入口的内径、所述喷嘴的内径、所述混合室的内径、所述混合室的长度以及所述扩散器的长度的比例为(38-42)：(2-3.5)：(4-6)：(25-40)：(1300-1500)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述反应釜内无挡板和冷却盘管；
和/或，所述反应釜内无搅拌运动部件。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的装置制备甲基异戊基酮的方法，其特征在于，其步骤包括：
将第一反应物和脱水催化剂于所述反应物混合器进行混合，经所述换热器进行换热处理后，再输送至所述文丘里喷射器；
将第二反应物自所述第二反应物入口输送至所述文丘里喷射器；
向所述反应釜内通入还原性气体以及加氢催化剂以进行反应。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一反应物包括丙酮，所述脱水催化剂包括碱液，所述第二反应物包括异丁醛，所述还原性气体包括氢气，所述加氢催化剂包括贵金属催化剂；
较佳地，所述丙酮和所述异丁醛的摩尔比为(3-5)：1；
较佳地，所述贵金属催化剂包括1-5％粉状的钯碳催化剂、铂碳催化剂或镍炭催化剂。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反应包括同步进行的脱水反应以及加氢反应，所述反应的温度为80-100℃。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包括：
将所述反应釜内物料自所述物料出口排出，和经过预先混合的所述第一反应物以及所述脱水催化剂混合后供给至所述换热器；
将经过所述换热器换热的物料供给至固液分离单元进行固液分离处理以获得洁净液体产物以及浆状催化剂，所述洁净液体产物自所述固液分离单元排出，所述浆状催化剂供给至所述文丘里喷射器进行循环套用；
任选地，所述方法包括控制所述文丘里喷射器的喷嘴处流体线速度为80-120m/s；
任选地，所述方法包括令所述文丘里喷射器的扩散器的开口位于反应釜内液体的液面以下。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述洁净液体产物供给至还原气体缓冲罐内进行气液分离，以获得甲基异戊基酮产物以及分离还原气。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括以下处理的至少之一：
所述还原气体缓冲罐通过平衡管和所述反应釜相连，控制所述还原气体缓冲罐供给至所述反应釜内的气体，以稳定所述反应釜内的还原气体分压；
所述还原气体缓冲罐包括吹扫气体出口，所述吹扫气体出口和所述固液分离单元相连，以将所述浆状催化剂吹扫至所述文丘里喷射器内，实现所述浆状催化剂的循环套用；
利用所述固液分离单元截留固体催化剂，获得的洁净液体产物自液体产物出口，按80-150L/h的流量供给至所述还原气体缓冲罐；
利用加压管对所述还原气体缓冲罐内进行氢气加压补偿。
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