一种反应器及利用该反应器制备环氧丙烷的方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种用于制备环氧丙烷的反应器及利用该反应器制备环氧丙烷的方法。
【背景技术】
[0002]环氧丙烷(环氧丙烷)作为一种重要的基础有机化工原料，工业上主要用于制备聚醚多元醇，丙二醇、醇胺和各类非离子表面活性剂，其衍生物被广泛应用于石化、建筑、家电、汽车、医药、农药、纺织、日化等行业。然而，传统的环氧丙烷生产工艺如氯醇法或共氧化法具有污染重、腐蚀大、联产品多、成本高等缺点。因此，各国都在积极开发流程简单、清洁经济的绿色环氧丙烷生产技术。
[0003]日本住友化学公司在共氧化法基础上开发出异丙苯过氧化氢法(以下称CHP法)。CHP法采用异丙苯过氧化氢作氧化剂、钛硅介孔分子筛为催化剂，经反应后制得环氧丙烷和二甲基苄醇。二甲基苄醇经脱水、加氢、氧化重新成为异丙苯过氧化氢后循环使用。CHP法无联产物，设备投入低，实施效果较显著，已进入工业化阶段。该工艺为减少副反应的发生，提高异丙苯过氧化氢的转化率，需要加入大量的丙烯，相应地增加了设备运行能耗。
[0004]专利CN 1206225C通过控制异丙苯过氧化氢溶液中水的浓度，减少副反应的发生，提高环氧丙烷的收率，当异丙苯过氧化氢溶液中水浓度降低至0.2wt%，异丙苯过氧化氢转换率为99%，环氧丙烷选择率为95%。此方法异丙苯过氧化氢与丙烯的摩尔进料比为1:10，丙烯利用率偏低。专利CN1252059C公开了一种低压低浓度丙烯制备环氧丙烷的清洁生产方法，采用多相钼系催化剂，提高环氧丙烷的选择性，避免碱性废液的产生，异丙苯过氧化氢转化率为84%，环氧丙烷选择性为89%。该发明采用的高活性钼基催化剂稳定性差、易失活，难以实现工业化应用。专利CN101619048B公开了一种使氢气、氧气和丙烯在密闭反应器中与催化剂接触生成环氧丙烷的方法，通过使氢气和氧气先于丙烯进入反应系统，而后再通入氢气和氧气继续反应，来提高丙烯的转化率和氢气的有效利用率。该方法是要用到大幅过量的氢气氧气来提高丙烯的转化率的，氧气的转化率非常低。专利CN101456849B公开了超临界条件下催化丙烯环氧化制备环氧丙烷的方法及装置。该方法中以超临界二氧化碳为反应介质，采用大粒径的TS-1催化剂，将高浓度的双氧水、丙烯及共溶剂甲醇混合反应得到环氧丙烷。该方法采用高浓度双氧水作为氧化剂，运输、储存使用都比较危险；反应过程需加入共溶剂甲醇，增加了分离难度。
[0005]开发一种操作易控制、副反应少，异丙苯过氧化氢转化率高、环氧丙烷选择性高的合成工艺，十分必要。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种用于制备环氧丙烷的反应器，该反应器能够实现2种反应物料高速对撞混合，从而形成稳定的细小粒子混合物，强化反应物料间的相间混合，增强传热传质效果，减少副反应的发生，提高了异丙苯过氧化氢转化率和环氧丙烷选择性。
[0007]为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是这样的:一种反应器，该反应器中部填充有环氧化催化剂，顶壁设置有气体出口，上部侧壁设置有液体出口，下部侧壁设置有I或2组喷射器，每组喷射器包括2个喷射器，两者分布在同一个平面且互为对称，所述的喷射器由喷管和与喷管相连的喷嘴构成，所述的喷嘴为截头圆锥形，喷嘴与喷管相连的一端的直径大于远离喷管一端的直径，喷嘴伸入固定床反应器内，喷管分为2段，喷管远离喷嘴的一段为圆柱形，另一段为截头圆锥形，喷管远离喷嘴一端的直径大于与喷嘴相连的一端的直径。
[0008]其中，为了能够实现均匀放热，利于控温，该环氧化催化剂分为上下两层填充在反应器中部，下层为催化剂I，上层为催化剂II ;催化剂分子式通式为(T1Z)x(SiC^)1Y其中催化剂I的分子式中X为0.001?0.08，催化剂II的分子式中X为0.04?0.12。
[0009]为了使物料能够有更好的混合效果，该反应器的下部侧壁设置2组喷射器时，4个喷射器中相邻2个喷射器互为90度。
[0010]本发明还提供一种应用上述反应器制备环氧丙烷的方法，具体包括以下步骤:1)将异丙苯过氧化氢与丙烯两股物料经由一组喷射器中的2个喷射器分别喷入反应器下部、高速对撞混合，形成细小粒子混合物；2)上述粒子混合物随后进入反应器中部，发生环氧化反应，生成环氧丙烷和二甲基苄醇；3)含环氧丙烷的环氧化反应产物经由反应器的气体出口出料，后经分离纯化的环氧丙烷。
[0011]其中，当采用的反应器下部侧壁设置有2组喷射器时，所述的异丙苯过氧化氢与丙烯两股物料经任意一组喷射器中的2个喷射器分别喷入反应器下部均可。
[0012]所述的高速是指异丙苯过氧化氢与丙烯两股物料从喷射器喷出的速度为5m/s以上，优选5_30m/s。
[0013]异丙苯过氧化氢与丙烯进料摩尔比1:1.5?7.0，为了减少丙烯的使用，降低能耗，优选1:1.5?4.0o
[0014]环氧化反应反应温度为40?100°C，压力为2.0?15.0MPa0
[0015]为了防止爆炸，所述异丙苯过氧化氢在通过喷射器进入反应器之前，先将异丙苯过氧化氢溶于不参与环氧化反应的溶剂中形成异丙苯过氧化氢溶液，异丙苯过氧化氢溶液中异丙苯过氧化氢的质量浓度为10%?90%，为了更加安全性的考虑，优选15%?45% ；所述的不参与环氧化反应的溶剂选自烷烃、芳烃和醇中的一种或2种以上任意比例的混合物；所述的烷烃优选自C6?C12直链或支链烷烃，所述的芳烃优选自甲苯、乙苯或异丙苯，所述的醇优选自甲醇或异丙醇。
[0016]在上述制备方法中，通过喷射器加入反应器内的丙烯中混有丙烷，丙烷在两者混合物中含量为O?16vol%。工业上丙烯中通常混有丙烷，且丙烷的含量为O?16vol%，因而采用工业丙烯价格更便宜。
[0017]本发明还提供另一种制备环氧丙烷的方法，利用反应器系统制备环氧丙烷，所述的反应器系统由N+1个权利要求1或2所述的反应器串联而成，其中N ^ 1，分别为第一反应器，第二反应器，……，第N反应器和第N+1反应器，每个反应器下部侧壁设置一组喷射器，具体制备过程如下:
[0018]I)将丙烯经第一反应器的一个喷射器连续喷入至第一反应器下部，将由第一反应器的气相出口出来的物料经第二反应器的一个喷射器连续喷入至第二反应器下部，依次类推其他反应器，最终将由第N+1反应器的气相出口出来的物料进行收集后分离纯化后得到环氧丙烷；
[0019]2)将异丙苯过氧化氢经第N+1反应器的另一个喷射器连续喷入至第N+1反应器下部，将由第N+1反应器的液相出口出来的物料经第N反应器的另一个喷射器连续喷入至第N反应器下部，依次类推其他反应器，最终将由第一反应器的液相出口出来的物料进行收集；
[0020]其中，步骤I)与步骤2)同时进行，经喷射器喷入每个反应器下部的异丙苯过氧化氢和丙烯高速对撞混合后，物料并流向上流入反应器中部，进行环氧化反应，在每个反应器的气相出口出来的物料为未反应完的丙烯和环氧化反应气相产物，经液相出口出来的物料为未反应完的异丙苯过氧化氢和环氧化反应液相产物。
[0021]所述的高速是指异丙苯过氧化氢与丙烯两股物料从喷射器喷出的速度为5m/s以上，优选5_30m/s。
[0022]异丙苯过氧化氢与丙烯进料摩尔比1:1.5?7.0，为了减少丙烯的使用，降低能耗，优选1:1.5?4.0o
[0023]环氧化反应反应温度为40?100°C，压力为2.0?15.0MPa0
[0024]为了防止爆炸，所述异丙苯过氧化氢在通过喷射器进入反应器之前，先将异丙苯过氧化氢溶于不参与环氧化反应的溶剂中形成异丙苯过氧化氢溶液，异丙苯过氧化氢溶液中异丙苯过氧化氢的质量浓度为10%?90%，为了更加安全性的考虑，优选15%?45% ；所述的不参