一种异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的反应装置和方法

摘要

本发明涉及一种异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的反应装置和方法。所述方法包括1)将气态氧气在静态混合器中溶解于液态反应物料中，得到含氧液态物料；2)将含氧液态物料送入反应器中，进行反应，所述反应器上方无气态空间，即所述反应器为满液位反应，制备得到叔丁醇和叔丁基过氧化氢。本发明的反应器顶部的气态空间为零，由于反应器可以实现满液位操作，增加了反应系统的安全性，也极大地简化了反应器的结构设计和安全性考虑。不仅如此，离开本发明反应器的物料仅为液态物料，该液态产物经换热器换热后实现冷凝，冷凝后的液态产物进入缓冲罐中可实现气液分离，还可减少高温对TBHP的分解的影响，提高液态产物中叔丁基过氧化氢的含量。

说明书

技术领域

本发明属于叔丁基过氧化氢制备技术领域，具体涉及一种异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的反应装置和方法。

背景技术

异丁烷(IB)与氧气反应生成叔丁醇(TBA)和叔丁基过氧化氢(TBHP)，其中，TBA是生产甲基叔丁基醚(MTBE)的主要原料，而TBHP则是生产环氧丙烷(PO)的主要原料。而增加TBHP产量，是此工艺所追求的目标。

公认地，异丁烷的转化率与TBHP的选择性呈反向关系。反应温度与二者之间的关系是，反应温度越高，异丁烷氧化的反应速率越快、转化率越高，而TBHP的选择性越低。为了得到最佳TBHP的产量，需要平衡反应温度、异丁烷转化率和TBHP选择性。

专利US308631中报道，在超临界状态下，即在反应温度高于原料与产物混合物的临界温度、反应压力高于混合物的临界压力的状态下，异丁烷氧化可显著增强每单位时间每单位反应器体积的TBHP产量。专利US5149885公开的制备TBHP的工艺流程中，采用的是球形反应器，反应温度为137℃，液相循环撤热的方式来进行，氧气与液相循环物料混合后进入反应器，此工艺对反应器液位控制不利，极易造成液位或满罐，或低于循环采出线；此外，循环物料经过循环泵输送后，极易造成气蚀；此外，大型球形反应器的制作，也存在困难。专利US5243083公开的制备TBHP的工艺流程中，采用的是塔式反应器，气相循环撤热的方式进行，氧气与气相循环物料混合后进入塔式反应器，此工艺对设备要求极高，因为异丁烷与氧气的混合属于气气混合，极易进入爆炸极限范围。专利US4408081公开的制备TBHP的工艺流程中，采用的是反应器串联的方式制备TBHP，反应温度145～165℃，反应压力5.5～10.3MPa，该工艺对反应设备的承压要求最高。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的反应装置和方法。所述反应装置和方法具有操作安全可控，所述反应装置的反应器内无需设置氧分析仪等设备就可以实现安全控制操作，提高了反应的可控性和安全性，节省了人工成本，也降低了反应器的制作难度。

本发明目的是通过如下方法实现的：

一种异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的方法，所述方法包括如下步骤：

1)将气态氧气在静态混合器中溶解于液态反应物料中，得到含氧液态物料；

2)将含氧液态物料送入反应器中，进行反应，反应得到的产物全部为液相状态，且所述反应器上方无气态空间，即所述反应器为满液位反应；

3)将反应器中的反应得到的液态物料送入缓冲罐中进行气液分离，分离得到含有不凝气的气态物料和不含不凝气的液态物料；将部分不含不凝气的液态物料送入静态混合器，循环套用，部分不含不凝气的液态物料采出得到叔丁醇和叔丁基过氧化氢。

根据本发明，步骤1)中，将气态氧气和液态反应物料分别送入静态混合器，在静态混合器中，气态氧气溶解于液态反应物料中，得到含氧液态物料。

根据本发明，步骤1)中，所述的液态反应物料包括新鲜的低温物料异丁烷，所述的低温是指-20～50℃。

根据本发明，步骤2)中，所述的反应器的反应温度保持在125-140℃，如在134-140℃，如在134-138℃，反应压力在2.8-3.2MPa。

根据本发明，步骤3)中，将反应得到的液态物料在送入缓冲罐前先经过换热器进行降温处理，所述降温处理一方面是因为低温有利于降低TBHP分解的风险，同时减少不凝气对液态物料的夹带；另一方面还可以避免循环泵由于产生气蚀而导致的安全风险。

根据本发明，步骤3)中，优选将循环套用的不含不凝气的液态物料先与新鲜的低温异丁烷混合后，再送入静态混合器。这样设计，可以减少反应物料的循环量，从而增加反应器的效率；还可以降低循环的不含不凝气的液态物料的温度，保证混合物料为液态，并增加氧气的溶解速率，同时温度的降低也进一步减少高温对TBHP的分解的影响。

根据本发明，所述方法还包括如下步骤：

4)缓冲罐中经气液分离后的含有不凝气的气态物料进行回收处理。

根据本发明，所述方法还包括如下步骤：

5)无需对反应器进行氧含量控制措施。

本发明还提供一种实施上述的异丁烷和氧气制备叔丁醇和叔丁基过氧化氢的方法的装置，所述装置包括缓冲罐、静态混合器和反应器；所述反应器、静态混合器和缓冲罐形成一个循环管路，即反应器、缓冲罐、静态混合器、反应器依次连通；包括异丁烷的反应物料和氧气经静态混合器混合后送入反应器中，反应器中的反应产物送入缓冲罐，缓冲罐中的部分液态物料送入静态混合器。

根据本发明，离开反应器的液态物料送入缓冲罐中进行气液分离，分离得到的不含不凝气的液态物料的一部分与新鲜的低温异丁烷混合后重新进入静态混合器中与新鲜氧气混合。

根据本发明，所述装置还进一步包括换热器，所述换热器设置在反应器和缓冲罐之间，即其一端与反应器连通，另一端与缓冲罐连通。离开反应器的液态物料经换热器换热后送入缓冲罐中进行气液分离，分离得到的不含不凝气的液态物料的一部分与新鲜的低温异丁烷混合后重新进入静态混合器中与新鲜氧气混合。

根据本发明，所述反应器不包括氧分析仪。

根据本发明，所述新鲜的低温异丁烷接入静态混合器的位置在所述缓冲罐分离得到的不含不凝气的液态物料接入静态混合器的位置之前，即来自缓冲罐的不含不凝气的液态物料与新鲜的低温异丁烷先混合后再送入静态混合器中。

根据本发明，所述反应器可以是球形反应器、塔式反应器(如立式柱形塔、卧式柱形塔)。

根据本发明，所述静态混合器、换热器和缓冲罐均为本领域已知的静态混合器、换热器和缓冲罐。

本发明的有益效果：

1.本发明的静态混合器可以高效地将氧气快速地溶于包括异丁烷在内的液态物料中得到一种稳定的含氧液态物料，该含氧液态物料进入反应器后，可以使得反应器中的物料始终保持均相，从而为实现反应器的满液位操作(即本发明的反应器顶部的气态空间为零)提供了条件。由于反应器可以实现满液位操作，增加了反应系统的安全性，也极大地简化了反应器的结构设计(任意结构均适用于本申请的工艺过程)和安全性考虑。不仅如此，氧气与异丁烷的均相反应还有利于提高反应的安全性。

2.离开本发明反应器的物料仅为液态物料，该液态物料经换热器换热后实现冷却，冷却后的液态物料进入缓冲罐中可以实现气液分离，还可以减少高温对TBHP的分解的影响，提高液态物料中叔丁基过氧化氢的含量。

3.通过控制进入缓冲罐的物料的流量可以很好的控制反应过程的进行，此外缓冲罐的设置还可以更好地控制反应器上方无气相空间，这主要是因为：首先，反应器的有效体积得到了控制，这样有利于精准控制反应时间；其次，检测仪器置于缓冲罐，有利于减少反应器的开口；第三，若气相中的未反应的氧气含量超标，可以实现氧气快速稀释及排放；最后，缓冲罐对反应压力的灵敏度更高，压力超过设定值后，排放少量气体即可快速恢复到正常压力。

4.经缓冲罐分离得到的不含不凝气的液态物料，部分采出可以送入下一工艺中进行精制，部分送入静态混合器中与新鲜异丁烷和氧气进行混合。特别地，经缓冲罐分离得到的不含不凝气的液态物料先与新鲜的低温异丁烷混合后再送入静态混合器，其可以减少反应物料的循环量，从而增加反应器的效率，还可以降低循环的不含不凝气的液态物料的温度，保证混合物料为液相状态，并增加氧气的溶解速率，同时温度的降低也进一步减少高温对TBHP的分解的影响。

附图说明

图1为本发明一个优选方案所示的反应流程示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

如图1所示，新鲜异丁烷1(含量99.8％)以10kg/h流量通过管道11加入到来自缓冲罐103的循环的不含不凝气的液态反应产物后得到混合了新鲜异丁烷的循环物料，然后进入静态混合器105中，氧气2(含量99.9％)以1.7kg/h流量通过管道12进入静态混合器105中，并溶解于混合了新鲜异丁烷的循环物料中，得到含氧液态物料，然后将含氧液态物料送入反应器101内。在反应器101中，异丁烷连续与氧气发生氧化反应，液态物料通过反应器101上端出口排出。反应器101内为全充满状态，上方没有气态组分，反应温度135℃，压力2.8MPa。

为了移除反应的放热，液态物料通过管线14以(212kg/hr流量)流经换热器102。反应循环物料经换热器102冷却后，降温至125℃，进入缓冲罐103。

缓冲罐103内的液态物料含有54wt％IB，28wt％TBHP，16wt％TBA和2wt％其他微量组分，这些液态物料大部分经管道16由泵104循环回静态混合器105内。侧线采出物料以11.69kg/hr流速经管道17采出。气态产物以0.01kg/h的流速从缓冲罐103上部的管道20排出。

本发明的反应器顶部的气态空间为零，这是因为本发明的静态混合器可以高效地将氧气快速地溶于包括异丁烷在内的液态反应物料中，反应液在反应器内可以保持均相，为反应器满液位操作提供可能。由于反应器可以实现满液位操作，增加了反应系统的安全性，也极大地简化了反应器的结构设计(任意结构均适用于本申请的工艺过程)和安全性考虑。不仅如此，氧气与异丁烷的均相反应还有利于提高反应的安全性。因此，所述反应全过程中，无需设置任何安全操作措施，包括但不限于氧气分析仪等装置，节省了大量的安装和人工监测的成本。

离开本发明反应器的物料仅为液态物料，该液态产物经换热器换热后实现冷凝，冷凝后的液态产物进入缓冲罐中可以实现气液分离，还可以减少高温对TBHP的分解的影响，提高液态产物中叔丁基过氧化氢的含量。

通过控制进入缓冲罐的物料的流量很好的控制反应过程的进行。

经缓冲罐分离得到的物料优选先与新鲜异丁烷混合后再送入静态混合器，其可以减少反应液的循环量，从而增加反应器的效率，还可以降低循环物料的温度，保证混合物料为液相状态，并增加氧气的溶解速率，同时温度的降低也进一步减少高温对TBHP的分解的影响。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。