CN207614808U - 固定床混合反应器和烷基蒽醌氢化反应的系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种管式混合反应器和由烷基蒽氢醌氧化制备过氧化氢的系统。该固定床混合反应器能够同时完成气、液、固三相反应物料的混合和化学反应，该反应器内的混合区设有通过微孔连通的第一通道和第二通道，气相反应物可以通过该微孔以微气泡的形式进入液相反应物中，使得气液两相反应物能够充分接触混合均匀，气液混合物再进入反应器的固定床反应区内与加氢催化剂接触进行加氢反应，可以有效促进气液两相与加氢催化剂接触，提高了氢化反应速率和产率，减少副反应发生。本公开的烷基蒽醌氢化反应系统采用上述固定床混合反应器，能够提高反应效率和产率，提高产品质量。

Description

固定床混合反应器和烷基蒽醌氢化反应的系统

技术领域

本公开涉及化工生产技术领域，具体地，涉及一种固定床混合反应器和烷基蒽醌氢化反应的系统。

背景技术

过氧化氢的工业化生产一般通过蒽醌法工艺来实现。蒽醌法，又称蒽醌衍生物自动氧化法，主要由蒽醌工作液的氢化、氢化液的氧化以及过氧化氢的萃取等3个工艺过程组成。蒽醌工作液的氢化是蒽醌法整个工艺的核心，该过程伴有过度氢化等副反应。研究表明，在氢化反应中外扩散为控制步骤，影响反应选择性的因素多为过程的操作因素，比如反应器内的温度、压力、催化剂和流体流速等。蒽醌氢化属于气液固三相催化反应。气液固三相化学反应器种类繁多，但对气液固三相之间的混合状况，及对反应器的选型，将直接影响到化学反应的选择性和产品的时空收率。该法主要化学反应如下式1所示：

蒽醌法的优点是能耗低、成本低、安全性能较好，适合大规模生产。对蒽醌法的工艺改进主要体现在采用触媒的工艺改进，同时，在氢化、氧化、萃取部分也有很大的技术改进空间。目前国外国内最先进的装置均采用蒽醌法钯触媒工艺，国内一般采用固定床氢化工艺。现有固定床蒽醌法生产工艺存在氢化效率低、单位产品消耗高、产品浓度低等缺点。

由于气液反应是在固体催化剂表面上进行，反应物分子之间的有效接触成了制约产品产率和有效扼制副反应发生、提高产品质量的关键。烷基蒽醌的氢化是在气、液、固三相态进行，其中气(氢气)、液(烷基蒽醌溶液)、固(催化剂)之间的有效接触，成了提高产品产率、扼制副反应的发生和提高产品质量的关键因素。

实用新型内容

本公开的目的是解决现有的蒽醌法制备过氧化氢过程中存在的氢化反应效率低、单位产品生产消耗高、产品浓度低及生产操作安全性问题，提供一种固定床混合反应器和烷基蒽醌氢化反应的系统。

为了实现上述目的，本公开的第一方面提供一种固定床混合反应器，该反应器包括气体入口、液体入口、产物出口、混合区和反应区；所述反应区包括催化剂固定床层架，所述反应区的入口和出口分别与所述混合区和所述产物出口连通；所述混合区包括第一通道和第二通道，所述第一通道与所述气体入口连通，所述第二通道分别与所述液体入口和所述反应区的入口连通；所述第一通道和第二通道仅通过微孔连通，以使所述第一通道内的气体在压力作用下通过所述微孔进入所述第二通道，并在所述第二通道的液体内形成微气泡，所述微孔的平均孔径为1nm～100μm。

可选地，所述混合区包括混合区壳体和置于所述混合区壳体内的至少一个微孔膜管，所述微孔膜管的管壁上含有所述微孔，以使所述混合区的壳程和管程之间仅通过所述微孔连通，所有所述微孔膜管的管程形成为所述第二通道，所述微孔膜管外壁与所述混合区壳体内的空间形成为所述第一通道。

可选地，所述微孔的平均孔径为5～500nm。

可选地，所述微孔膜管为选自陶瓷微孔膜管、金属微孔膜管、玻璃纤维微孔膜管、氧化铝微孔膜管、MFI型分子筛膜管和有机微孔膜管中的一种。

可选地，所述混合区包括水平间隔设置的顶板和底板，所述顶板、底板和反应器内壁围成所述混合区壳体，所述微孔膜管轴向贯穿所述混合区壳体，以使所述混合区壳体的上方仅通过所述微孔膜管与所述混合区壳体的下方连通，所述液体入口与所述混合区内的微孔膜管连通，所述气体入口与所述混合区壳体内部连通，所述混合区壳体内部通过所述微孔与微孔膜管的管程连通。

可选地，所述混合区位于所述反应区上方，所述液体入口位于反应器顶部；或者，所述混合区位于所述反应区下方，所述液体入口位于反应器底部；所述气体入口位于所述混合区侧壁。

本公开第二方面提供一种烷基蒽醌氢化反应的系统，该系统包括含氢气体入口、工作液入口、氢化液出口和本公开第一方面所述的固定床混合反应器；所述含氢气体入口与所述固定床混合反应器的气体入口连通，所述工作液入口与所述固定床混合反应器的液体入口连通，所述氢化液出口与所述固定床混合反应器的产物出口连通。

可选地，该系统还包括气液分离器，所述气液分离器包括混合物入口、气体出口和液体出口，所述气液分离器的混合物入口与所述固定床混合反应器的产物出口连通，所述气液分离器的液体出口与所述氢化液出口连通。

可选地，该系统还包括通过液体管路顺次连接的第一过滤器、除水器和工作液换热器，所述第一过滤器的液体入口与所述工作液入口连通，所述工作液换热器的液体出口与所述固定床混合反应器的液体入口连通。

可选地，该系统还包括通过液体管路顺次连接的第二过滤器、冷却器和氢化液除气罐，所述第二过滤器的液体入口与所述固定床混合反应器的产物出口连通，所述氢化液除气罐的液体出口与所述氢化液出口连通。

通过上述技术方案，本公开的固定床混合反应器能够同时完成气、液、固三相反应物料的混合和反应，该反应器内的混合区设有通过微孔连通的第一通道和第二通道，气相反应物可以通过该微孔以微气泡的形式进入液相反应物中，使得气液两相反应物能够充分接触混合均匀，气液混合物再进入反应器的固定床反应区内与加氢催化剂接触进行加氢反应，可以有效促进气液两相与加氢催化剂接触，提高了氢化反应速率和产率，减少副反应发生。本公开的烷基蒽醌氢化反应系统采用固定床混合反应器，能够同时完成气液物料的高度均匀混合和气液固三相接触反应，能够提高反应效率和产率，提高产品质量。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的固定床混合反应器的一种具体实施方式的结构示意图。

图2是本公开的烷基蒽醌氢化反应系统的一种具体实施方式的示意图。

附图标记说明

1 氢化液出口 2 工作液入口

3 含氢气体入口 4 第一过滤器

5 除水器 6 工作液换热器

7 固定床混合反应器 71 液体入口

72 气体入口 73 产物出口

74 催化剂固定床层架 75 微孔膜管

76 顶板 77 底板

8 第二过滤器 9 氢化液除气罐

10 气液分离器

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下，具体可以参考图1的图面方向，“内、外”是相对于装置的轮廓而言的

如图1所示，本公开的第一方面提供一种固定床混合反应器，该反应器包括气体入口72、液体入口71、产物出口73、混合区和反应区；反应区包括催化剂固定床层架74，反应区的入口和出口分别与混合区和产物出口73连通；混合区包括第一通道和第二通道，第一通道与气体入口72连通，第二通道分别与液体入口71和反应区的入口连通；第一通道和第二通道仅通过微孔连通，以使第一通道内的气体在压力作用下通过微孔进入第二通道，并在第二通道的液体内形成微气泡，微孔的平均孔径为1nm～100μm。

本公开的固定床混合反应器能够同时完成气、液、固三相反应物料的混合和反应，该反应器内的混合区设有通过微孔连通的第一通道和第二通道，气相反应物可以通过该微孔以微气泡的形式进入液相反应物中，使得气液两相反应物能够充分接触混合均匀，气液混合物再进入反应器的固定床反应区内与加氢催化剂接触进行加氢反应，可以有效促进气液两相与加氢催化剂接触，提高了氢化反应速率和产率，减少副反应发生。

根据本公开，氢化液和工作液的含义为本领域技术人员所熟知的，具体地，工作液是指含有烷基蒽醌的用于生产过氧化氢的溶液，氢化液是指工作液经氢化反应后得到的、含有烷基蒽氢醌的溶液。

根据本公开，所述的微孔可以为任何载体形式上具备的微孔，例如可以为微孔膜、微孔筛板或微通道等，优选为具有上述尺寸微孔的微孔膜，含氢气体依靠微孔膜两侧压力差进入含有烷基蒽醌的工作液中。

在本公开的一个优选的具体实施方式中，如图1所示，混合区可以包括混合区壳体和置于混合区壳体内的至少一个微孔膜管75，微孔膜管75的管壁上含有上述微孔，以使混合区的壳程和管程仅通过微孔连通，所有微孔膜管75的管程可以形成为第二通道，微孔膜管75外壁与混合区壳体内的空间可以形成为第一通道。在这种实施方式中，可以使液相反应物通过反应器的液体入口进入微孔膜管的管程，气相反应物可以从气体入口72进入混合区壳体内部空间，并在适当压力作用下通过微孔进入管程的液相反应物中，形成含有微气泡的气液混合物。在上述优选的实施方式中，气相反应物与液相反应物的混合更均匀、更充分，可以极大地促进反应速率和转化率的提高，提高反应产物质量。

根据本公开，微孔可以为具有纳米级孔径的孔，为了进一步促进含氢气体与工作液混合接触，形成均匀的气液混合物，上述微孔的平均孔径优选为5～500nm，更优选为20～350nm。微孔的平均孔径可以采用扫描电镜法测定。

根据本公开，微孔膜管的材质可以为本领域常规的，例如微孔膜管75可以为选自陶瓷微孔膜管、金属微孔膜管、玻璃纤维微孔膜管、氧化铝微孔膜管、MFI型分子筛膜管和有机微孔膜管中的一种。

为了进一步简化反应器结构、提高物料混合和化学反应的效率，在本公开的一种具体实施方式中，如图1所示，混合区可以包括水平间隔设置的顶板76和底板77，顶板76、底板77和反应器内壁可以围成混合区壳体，微孔膜管75可以轴向贯穿混合区壳体，以使混合区壳体的上方仅通过微孔膜管75与混合区壳体的下方连通，液体入口71与混合区壳体的上方空间连通，气体入口72可以与混合区壳体内部连通。

进一步地，反应器壳体可以为立式筒状壳体，在本公开的一种具体实施方式中，混合区可以位于反应区上方，液体入口71可以位于反应器顶部；气体入口72可以位于反应器混合区侧壁。在这种实施方式中，从混合区微孔膜管流出的气液混合物在重力作用下直接由上至下流过催化剂固定床层，能够提高反应效率。在其他的实施方式中，混合区可以在反应区的下方，此时液体入口71可以位于反应器底部。

根据本公开，催化剂固定床层架74可以用于放置催化剂，例如放置进行烷基蒽醌氢化反应的催化剂，该氢化反应催化剂可以为含有金属元素的负载型催化剂，金属元素可以为选自钯、铂、钴、镍和铁中的至少一种，催化剂的载体为选自硅铝酸钠、二氧化硅、三氧化二铝、二氧化硅-三氧化二铝、活性炭等中的至少一种。

如图2所示，本公开第二方面提供一种烷基蒽醌氢化反应的系统，该系统包括含氢气体入口3、工作液入口2、氢化液出口1和本公开第一方面的固定床混合反应器7；含氢气体入口3与固定床混合反应器的气体入口72连通，工作液入口2与固定床混合反应器的液体入口71连通，氢化液出口1与固定床混合反应器的产物出口73连通。

本公开的烷基蒽醌氢化反应系统采用固定床混合反应器，能够同时完成气液物料的高度均匀混合和气液固三相接触反应，能够提高反应速率和产率，提高产品质量。

为了进一步提高氢的使用效率，在本公开的一种具体实施方式中，该系统还可以包括气液分离器10，气液分离器10包括混合物入口、气体出口和液体出口。气液分离器10的混合物入口可以与固定床混合反应器的产物出口73连通，气液分离器10的液体出口可以与氢化液出口1连通。在这一具体实施方式中，从固定床混合反应器出口得到的反应产物可以进入气液分离器10，未反应的氢气和惰性气体进入循环再利用系统，气液分离器10液体即为含有烷基蒽氢醌的氢化液。

进一步地，为了防止加氢催化剂活性降低、反应选择性下降，减少氢化反应的副反应，该系统还可以包括通过液体管路顺次连接的第一过滤器4、除水器5和工作液换热器6，第一过滤器4的液体入口可以与工作液入口连通，工作液换热器的液体出口可以与固定床混合反应器的液体入口71连通。

为了进一步提高加氢反应的产物质量，该系统还可以包括通过液体管路顺次连接的第二过滤器8、冷却器和氢化液除气罐9，第二过滤器8的液体入口可以与固定床混合反应器的产物出口73连通，氢化液除气罐9的液体出口可以与氢化液出口1连通。

其中，过滤器、冷却器、除气罐、除水器和换热器可以为本领域常规种类，本公开不做特殊要求。

如图2所示，采用本公开的烷基蒽醌氢化反应的系统制备含有烷基蒽氢醌的氢化液的方法可以包括：将含有烷基蒽醌的工作液从工作液入口2经循环泵加压输送至第一过滤器4，滤除粉尘和固体颗粒，然后进入除水器5除水，随后进入工作液换热器6调节温度至40～60℃，由固定床混合反应器7的液体入口进入混合区膜管的管程，含氢气体由含氢气体入口3进入固定床混合反应器7混合区的壳程。含氢气体在压力的作用下透过膜管壁上的微孔，被分散成细小的气泡，与管程中的工作液进行充分混合，形成含有微气泡的乳化状气液混合物，自上至下通过装填有加氢催化剂的反应区，进行加氢反应。反应产物进入气液分离器10，分离得到的液相为含有烷基蒽氢醌的氢化液。在氢化液出料管线上，分出部分氢化液，使其返回到循环泵的进口，与工作液进行混合，以除去工作液中溶解的氧气和残余的过氧化氢，然后经过滤、除水、换热后进入固定床混合反应器；其余部分的氢化液则进入第二过滤器8，滤除所夹带的固体颗粒，再经氢化液冷却器冷却到所需温度，后经氢化液除气罐9脱除所溶解的氢气和惰性气体，由氢化液出口1送出。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种固定床混合反应器，其特征在于，该反应器包括气体入口(72)、液体入口(71)、产物出口(73)、混合区和反应区；

所述反应区包括催化剂固定床层架(74)，所述反应区的入口和出口分别与所述混合区和所述产物出口(73)连通；所述混合区包括第一通道和第二通道，所述第一通道与所述气体入口(72)连通，所述第二通道分别与所述液体入口(71)和所述反应区的入口连通；

所述第一通道和第二通道仅通过微孔连通，以使所述第一通道内的气体在压力作用下通过所述微孔进入所述第二通道，并在所述第二通道的液体内形成微气泡，所述微孔的平均孔径为1nm～100μm。

2.根据权利要求1所述的固定床混合反应器，其特征在于，所述混合区包括混合区壳体和置于所述混合区壳体内的至少一个微孔膜管(75)，所述微孔膜管(75)的管壁上含有所述微孔，以使所述混合区的壳程和管程之间仅通过所述微孔连通，所有所述微孔膜管(75)的管程形成为所述第二通道，所述微孔膜管(75)外壁与所述混合区壳体内的空间形成为所述第一通道。

3.根据权利要求2所述的固定床混合反应器，其特征在于，所述微孔的平均孔径为5～500nm。

4.根据权利要求1所述的固定床混合反应器，其特征在于，所述微孔膜管(75)为选自陶瓷微孔膜管、金属微孔膜管、玻璃纤维微孔膜管(75)、氧化铝微孔膜管、MFI型分子筛膜管和有机微孔膜管中的一种。

5.根据权利要求2所述固定床混合反应器，其特征在于，所述混合区包括水平间隔设置的顶板(76)和底板(77)，所述顶板(76)、底板(77)和反应器内壁围成所述混合区壳体，所述微孔膜管(75)轴向贯穿所述混合区壳体，以使所述混合区壳体的上方仅通过所述微孔膜管(75)与所述混合区壳体的下方连通，所述液体入口(71)与所述混合区壳体内的微孔膜管(75)连通，所述气体入口(72)与所述混合区壳体内部连通，所述混合区壳体内部通过所述微孔与微孔膜管(75)的管程连通。

6.根据权利要求1所述的固定床混合反应器，其特征在于，所述混合区位于所述反应区上方，所述液体入口(71)位于反应器顶部，或者，所述混合区位于所述反应区下方，所述液体入口(71)位于反应器底部；

所述气体入口(72)位于所述混合区侧壁。

7.一种烷基蒽醌氢化反应的系统，其特征在于，该系统包括含氢气体入口(3)、工作液入口(2)、氢化液出口(1)和权利要求1～6中任意一项所述的固定床混合反应器(7)；

所述含氢气体入口(3)与所述固定床混合反应器的气体入口(72)连通，所述工作液入口(2)与所述固定床混合反应器的液体入口(71)连通，所述氢化液出口(1)与所述固定床混合反应器的产物出口(73)连通。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括气液分离器(10)，所述气液分离器(10)包括混合物入口、气体出口和液体出口，所述气液分离器(10)的混合物入口与所述固定床混合反应器的产物出口(73)连通，所述气液分离器(10)的液体出口与所述氢化液出口(1)连通。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括通过液体管路顺次连接的第一过滤器(4)、除水器(5)和工作液换热器(6)，所述第一过滤器(4)的液体入口与所述工作液入口(2)连通，所述工作液换热器(6)的液体出口与所述固定床混合反应器的液体入口(71)连通。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括通过液体管路顺次连接的第二过滤器(8)、冷却器和氢化液除气罐(9)，所述第二过滤器(8)的液体入口与所述固定床混合反应器的产物出口(73)连通，所述氢化液除气罐(9)的液体出口与所述氢化液出口(1)连通。