CN210176754U - 一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统，包括：微界面发生器、反应容器、进料单元以及产物处理单元。与现有技术相比，本实用新型的环戊烷无催化剂氧化的强化系统的有益效果在于，通过在所述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中加入微界面发生器，氧气被破碎成直径为1μm≤d<1mm的气体，形成微米级气泡体系，由于微米级气泡具有附加压力，所以难以聚并，使得在气液混合过程中，获得气液乳化物，从而在反应容器内使形成较高的相界面积，提高了传质效率，使得氧气与环戊烷充分反应，从而提高了产物的收率。
Description
技术领域
本实用新型涉及环戊烷无催化剂氧化的技术领域，具体而言，涉及一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统。
背景技术
环戊烷催化氧化制备环戊醇和环戊酮是化学工业中一个重要的化学转化过程，环戊醇和环戊酮进一步氧化可以得到生产树脂和橡胶的重要中间体戊二酸，市场需求大。为了实现该氧化转化过程，常用氧化剂有亚碘酰苯、二乙酰基碘苯、t-丁基过氧化氢、m-氯过氧苯甲酸、高碘酸钠、过氧化氢、氧气等。其中O2由于其价廉易得、原子经济性高等优点成为环戊烷催化氧化的最佳选择，但是目前以O2为氧化剂的环戊烷氧化体系往往使用催化剂促进反应进行，如金属配合物催化、金属纳米粒子催化、金属氧化物粒子催化、分子筛催化、碳材料催化、光促进催化、杂多酸催化、金属-有机骨架材料催化等。催化体系的使用，无疑会增加环戊烷氧化的成本，并且会造成附加的环境污染问题，不利于环戊烷氧化产物下游产品的大规模开发。但是无催化剂的氧化，往往环戊醇和环戊酮的收率很低，无法满足需求，并且会造成环戊烷的浪费。
发明内容
鉴于此，本实用新型提出了一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统，旨在解决现有环戊烷无催化剂氧化反应的产物收率低的问题。
一个方面，本实用新型提出了一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统，包括：微界面发生器、反应容器、进料单元以及产物处理单元；其中，
所述微界面发生器与所述进料单元相连，用以将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为直径为1μm≤d＜1mm的微米级气泡以提高煤浆与氢气间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，以在预设操作条件范围内强化环戊烷与氧气间的传质效率和反应效率；
所述反应容器与所述微界面发生器相连，用于作为环戊烷无催化剂氧化的反应场所；
所述进料单元用于将环戊烷和氧气输送至所述微界面发生器内；
所述产物处理单元与所述反应容器相连，用以对所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物进行处理。
进一步地，上述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，所述微界面发生器选自气动式微界面发生器、液动式微界面发生器以及气液联动式微界面发生器中的一种或几种。
进一步地，上述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，所述进料单元包括：液相进料单元和气相进料单元；
所述液相进料单元与所述微界面发生器相连，用以将环戊烷输送至微界面发生器内；
所述气相进料单元与所述微界面发生器相连，用以将氧气输送至微界面发生器内。
进一步地，上述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，所述液相进料单元包括：环戊烷储存罐和第一泵；其中，
所述环戊烷储存罐用以储存环戊烷；
所述第一泵分别与所述环戊烷储存罐和所述微界面发生器相连，用以将所述环戊烷从所述环戊烷储存罐输送至所述微界面发生器内。
进一步地，上述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，所述产物处理单元包括：第二泵、过滤罐以及精馏塔；其中，
所述第二泵与所述反应容器相连，用于将所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物由所述反应容器输送至所述过滤罐内；
所述过滤罐与所述第二泵相连，用于将所述产物所包含的固体产物与液体产物进行分离；
所述精馏塔与所述过滤罐相连，用以减压精馏分离环戊酮与环戊醇。
进一步地，上述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，所述精馏塔设有两个分别用于将环戊酮与环戊醇排出塔外的出料口。
进一步地，所述环戊酮出料口位于所述精馏塔侧壁下部，所述环戊醇位于所述精馏塔侧壁上部。
与现有技术相比，本实用新型的环戊烷无催化剂氧化的强化系统的有益效果在于，通过在所述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中加入微界面发生器，氧气被破碎成直径为1μm≤d<1mm的气体，形成微米级气泡体系，由于微米级气泡具有附加压力，所以难以聚并，使得在气液混合过程中，获得气液乳化物，从而在反应容器内使形成较高的相界面积，提高了传质效率，使得氧气与环戊烷充分反应，从而提高了产物的收率。此外，可以根据不同的产品要求或不同的催化剂，而对预设操作条件的范围进行灵活调整，进一步确保了反应的充分有效进行，进而保证了反应速率，达到了强化反应的目的。
进一步地，本实用新型通过将微界面发生器应用在所述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，节省了催化剂的成本，同时也使反应易于控制，同时也减少了催化剂对空气的危害。
进一步地，所述液相进料单元设有进料泵，在所述系统运行时，进料泵能够分别为环戊烷的运输提供动力，使环戊烷能够以指定的速率输送至指定装置，提高了所述系统的运行效率。
进一步地，本工艺通过使用微界面发生器，节省了催化剂的成本，同时也使反应易于控制，同时也减少了催化剂对空气的危害。
进一步地，本实用新型提供的环戊烷无催化剂氧化的工艺，通过先将反应容器内的反应完成的混合物优先通入过滤罐内进行过滤，然后再通入精馏塔内进行减压精馏，并取130℃-131℃馏分，为环戊酮，取140℃-141℃馏分，为环戊醇，使得操作简单，并且产物能够有先后顺序的分离出。
进一步地，本实用新型提供的环戊烷无催化剂氧化的工艺，还对反应容器中的温度和氧气的压强进行了限制，在保证反应容器中气液乳化物能够高效反应的同时，将系统的能耗控制在最低，能够进一步降低所述系统的能耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本实用新型实施例提供的环戊烷无催化剂氧化的强化系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
参阅图1所示，为本实用新型实施例的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其包括：微界面发生器4、反应容器5、进料单元以及产物处理单元；其中，所述微界面发生器4与所述进料单元相连，用以将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷之间的传质面积，使得环戊烷在无催化剂条件下与氧气充分反应；所述反应容器5与所述微界面发生器4相连，用于作为环戊烷无催化剂氧化的反应场所；所述进料单元用于将环戊烷和氧气输送至所述微界面发生器4内；所述产物处理单元与所述反应容器5相连，用以对所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物进行处理。
当所述系统运行时，所述进料单元启动，并将其内部储存的反应物输送至所述微界面发生器4，所述微界面发生器4会对氧气进行打碎，使氧气破碎至微米尺度，形成直径为1μm≤d＜1mm的微米级气泡，在破碎完成后，微界面发生器4将微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，微界面发生器4在气液乳化物混合完成后将气液乳化物输出至所述反应容器5，通过控制所述反应容器5内的温度、氧气的压强在反应容器5内进行高效反应，反应完成后反应容器5将生成的混合物输出至所述产物处理单元，产物处理单元对所述混合物进行后续处理。
可以理解的是，本实施例中不对微界面发生器4的数量及类型作具体限定，其可选自气动式微界面发生器、液动式微界面发生器以及气液联动式微界面发生器中的一种或几种，同时也不对反应容器5的类型进行限制，只需其能够为所述环戊烷无催化剂氧化的强化反应提供场所即可。
继续参阅图1所示，所述进料单元包括：液相进料单元、气相进料单元3；其中，所述液相进料单元与所述微界面发生器4相连，用以将环戊烷输送至微界面发生器4内；所述气相进料单元3与所述微界面发生器4相连，用以将氧气输送至微界面发生器4内。
具体而言，所述液相进料单元包括：环戊烷储存罐1和第一泵2；其中，所述环戊烷储存罐1为一罐体，用以储存环戊烷；所述第一泵2分别与所述环戊烷储存罐1和所述微界面发生器4相连，用以将所述环戊烷从所述环戊烷储存罐1输送至所述微界面发生器4内；可以理解的是，所述环戊烷储存罐1可以为金属罐，也可以为非金属罐，只要满足所述环戊烷储存罐1能够装载指定量的环戊烷即可。同时也不对第一泵2的型号及功率作具体限定，只要满足所述第一泵2能够以指定流速输送环戊烷即可。
继续参阅图1所示，所述产物处理单元包括：第二泵6、过滤罐7以及精馏塔8；其中，所述第二泵6与所述反应容器5相连，用于将所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物由所述反应容器5输送至所述过滤罐7内；所述过滤罐7与所述第二泵6相连，用于将所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物所包含的固体产物与液体产物进行分离，其中所述固体产物从所述过滤罐7的底部排除，所述液体产物输送至所述精馏塔8；所述精馏塔8与所述过滤罐7相连，其设有分别用于将环戊酮与环戊醇排出塔外的出料口9和出料口10，用以减压精馏分离环戊酮与环戊醇。可以理解的是，所述过滤罐7可以为金属罐，也可以为非金属罐，只要满足能够对反应所得混合物进行分离即可，同时也不对第二泵6的型号及功率作具体限定，只要满足所述第二泵6能够以指定流速输送氧气即可。
与现有技术相比，本实用新型的环戊烷无催化剂氧化的强化系统的有益效果在于，通过在所述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中加入微界面发生器4，氧气被破碎成直径为1μm≤d<1mm的气体，形成微米级气泡体系，由于微米级气泡具有附加压力，所以难以聚并，使得在气液混合过程中，获得气液乳化物，从而在反应容器5内使形成较高的相界面积，提高了传质效率，使得氧气与环戊烷充分反应，从而提高了产物的收率。
进一步地，本实用新型通过将微界面发生器4应用在所述环戊烷无催化剂氧化的强化系统中，节省了催化剂的成本，同时也使反应易于控制，同时也减少了催化剂对空气的危害。
进一步地，所述液相进料单元设有进料泵，在所述系统运行时，进料泵能够分别为环戊烷的运输提供动力，使环戊烷能够以指定的速率输送至指定装置，提高了所述系统的运行效率。
可以理解的是，可以根据不同的产品要求或不同的催化剂，而灵活地进行预设操作条件的范围调整，以确保反应的充分有效进行，进而保证反应速率，达到了强化反应的目的。同时，本实施例中不具体限定催化剂的种类，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
下面结合具体实施例对本实用新型中的环戊烷无催化剂氧化的强化系统的使用方法与效果作进一步说明。
一种环戊烷无催化剂氧化的工艺，包括以下步骤：
反应物的制备：将一定量的环戊烷经第一泵2从环戊烷储存罐1抽取至微界面发生器4内，同时，将一定量的且压强为0.6MPa-1.2MPa的氧气从氧气储存罐传送至所述微界面发生器4内；所述微界面发生器4将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷的相界面积；
环戊酮与环戊醇的制取：将所述气液乳化物输送至反应容器5内，所述反应容器5内的温度缓慢升至110℃-140℃，所述气液乳化物充分反应，反应完成后将所述反应容器5内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐7内，使所述过滤罐7对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐7的底部排出，分离出的液体通入精馏塔8内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，取140℃-141℃馏分，即为环戊醇。
实施例1
将一定量的环戊烷经第一泵2从环戊烷储存罐1抽取至微界面发生器4内，同时，将一定量的且压强为0.6MPa的氧气从氧气储存罐传送至所述微界面发生器4内；所述微界面发生器4将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷的相界面积；
环戊酮与环戊醇的制取：将所述气液乳化物输送至反应容器5内，所述反应容器5内的温度缓慢升至110℃，所述气液乳化物充分反应，反应完成后将所述反应容器5内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐7内，使所述过滤罐7对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐7的底部排出，分离出的液体通入精馏塔8内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，环戊酮的收率为13.2％；取140℃-141℃馏分，即为环戊醇，环戊醇的收率为2.8％。
实施例2
将一定量的环戊烷经第一泵2从环戊烷储存罐1抽取至微界面发生器4内，同时，将一定量的且压强为1.0MPa的氧气从氧气储存罐传送至所述微界面发生器4内；所述微界面发生器4将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷的相界面积；
环戊酮与环戊醇的制取：将所述气液乳化物输送至反应容器5内，所述反应容器5内的温度缓慢升至130℃，所述气液乳化物充分反应，反应完成后将所述反应容器5内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐7内，使所述过滤罐7对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐7的底部排出，分离出的液体通入精馏塔8内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，环戊酮的收率为14.7％；取140℃-141℃馏分，即为环戊醇，环戊醇的收率为3.9％。
实施例3
将一定量的环戊烷经第一泵2从环戊烷储存罐1抽取至微界面发生器4内，同时，将一定量的且压强为1.2MPa的氧气从氧气储存罐传送至所述微界面发生器4内；所述微界面发生器4将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷的相界面积；
环戊酮与环戊醇的制取：将所述气液乳化物输送至反应容器5内，所述反应容器5内的温度缓慢升至140℃，所述气液乳化物充分反应，反应完成后将所述反应容器5内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐7内，使所述过滤罐7对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐7的底部排出，分离出的液体通入精馏塔8内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，环戊酮的收率为17.3％；取140℃-141℃馏分，即为环戊醇，环戊醇的收率为5.0％。
对比例1
将所述环戊烷与氧气输送至反应容器内，所述反应容器内的温度缓慢升至150℃，环戊烷与压强为2MPa的氧气在反应容器内进行反应，反应完成后将所述反应容器内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐内，使所述过滤罐对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐的底部排出，分离出的液体通入精馏塔内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，环戊酮的收率为15.4％；取140℃-141℃馏分，即为环戊醇，环戊醇的收率为4.5％。
对比例2
将所述环戊烷与氧气输送至反应容器内，所述反应容器内的温度缓慢升至130℃，环戊烷与压强为2MPa的氧气在卟啉钴的催化作用下在反应容器内进行反应，反应完成后将所述反应容器内的温度冷却至室温，环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物通入过滤罐内，使所述过滤罐对其进行固液分离，分离出来的固体由所述过滤罐的底部排出，分离出的液体通入精馏塔内进行减压精馏，取130℃-131℃馏分，即为环戊酮，环戊酮的收率为10.3％；取140℃-141℃馏分，即为环戊醇，环戊醇的收率为2.5％。
显然，由以上实施例与对比例进行比较可以得出，实施例中应用微界面发生器将氧气打碎至直径为1μm≤d<1mm的微米级气泡，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，从而增大氧气与环戊烷之间的传质面积，使得环戊烷在无催化剂条件下与氧气充分反应；使得环戊酮和环戊醇的收率明显高于对比例。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，包括：微界面发生器、反应容器、进料单元以及产物处理单元；其中，
所述微界面发生器与所述进料单元相连，用以将氧气的压力能和/或环戊烷的动能转化为氧气气泡的表面能，使氧气气泡破碎为直径为1μm≤d＜1mm的微米级气泡以提高煤浆与氢气间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并使微米级气泡与环戊烷混合形成气液乳化物，以在预设操作条件范围内强化环戊烷与氧气间的传质效率和反应效率；
所述反应容器与所述微界面发生器相连，用于作为环戊烷无催化剂氧化的反应场所；
所述进料单元用于将环戊烷和氧气输送至所述微界面发生器内；
所述产物处理单元与所述反应容器相连，用以对所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物进行处理。
2.权利要求1所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述微界面发生器选自气动式微界面发生器、液动式微界面发生器以及气液联动式微界面发生器中的一种或几种。
3.权利要求1所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述进料单元包括：液相进料单元和气相进料单元；其中，
所述液相进料单元与所述微界面发生器相连，用以将环戊烷输送至微界面发生器内；
所述气相进料单元与所述微界面发生器相连，用以将氧气输送至微界面发生器内。
4.权利要求3所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述液相进料单元包括：环戊烷储存罐和第一泵；其中，
所述环戊烷储存罐用以储存环戊烷；
所述第一泵分别与所述环戊烷储存罐和所述微界面发生器相连，用以将所述环戊烷从所述环戊烷储存罐输送至所述微界面发生器内。
5.权利要求1所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述产物处理单元包括：第二泵、过滤罐以及精馏塔；其中，
所述第二泵与所述反应容器相连，用于将所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物由所述反应容器输送至所述过滤罐内；
所述过滤罐与所述第二泵相连，用于将所述环戊烷无催化剂氧化反应所得混合物所包含的固体产物与液体产物进行分离；
所述精馏塔与所述过滤罐相连，用以减压精馏分离环戊酮与环戊醇。
6.权利要求5所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述精馏塔设有两个分别用于将环戊酮与环戊醇排出塔外的出料口。
7.权利要求5所述的环戊烷无催化剂氧化的强化系统，其特征在于，所述环戊酮出料口位于所述精馏塔侧壁下部，所述环戊醇位于所述精馏塔侧壁上部。
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