一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统及工艺

摘要

本发明涉及一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统及工艺，包括：反应器、微界面发生器和氢气纯化单元等。本发明通过微界面发生器破碎氢气和一氧化碳使其形成微米尺度的微米级气泡，使微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物，以增大气液两相的相界面积，并达到在较低预设操作条件范围内强化传质的效果；同时，微米级气泡能够与液态烯烃充分混合形成气液混合物，通过将气液两相充分混合，能够保证系统中的液态烯烃与氢气和一氧化碳充分接触，有效提高了系统的反应效率同时提高烯烃转化率。

说明书

技术领域

本发明涉及异构醛制备技术领域，尤其涉及一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统及工艺。

背景技术

常温下，除甲醛为气体外，分子中含有12个碳原子以下的脂肪醛为液体，高级的醛为固体，而芳香醛为液体或固体。低级的脂肪醛具有强烈的刺激性气味，分子中含有9个碳原子和分子中含有10个碳原子的醛具有花果香味，常用于香料工业。

由于羰基的极性，醛的沸点比相对分子质量相近的烃类及醚类高；由于羰基分子间不能形成氢键，因此沸点较相应的醇低。醛类为重要的化工原料。

异构醛的合成方法中包括由烯烃羰基化法，羰基化反应是在烯烃分子中引进羰基的反应，烯烃在一氧化碳和氢气存在的情况下，通过高温、高压及催化剂作用，烯烃中双键一端引入氢原子，另一端引入甲酰基，从而生成异构醛。

在上述现有生产异构醛的方法中，尤其是液态烯烃，即碳原子数为5至18的之间的液态烯烃在制备醛的过程中存在下述问题：

第一，在一氧化碳和氢气与液态烯烃接触过程中，气液两项混合，产生较大较多气泡，由于气泡较多较大，致使气液两项无法充分混合，降低异构醛转化率同时整个气液系统的反应速率降低。

第二，反应条件中温度和压力均较高，造成能源浪费。

发明内容

为此，本发明提供一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统及工艺，用以提高现有技术中制备异构醛的转化率和效率。

一方面，本发明提供一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统，包括：

反应器，用以为液态烯烃、氢气和一氧化碳提供反应场所制备异构醛，所述反应器内设置有催化剂，所述反应器由全混流反应区和回流反应区组成；所述全混流反应区，其设置在所述反应器的下方，用以装载液态烯烃、氢气、一氧化碳和催化剂并为烯烃羰基化反应提供反应空间；所述回流反应区，其设置在所述反应器的上方，用以将未反应的氢气和一氧化碳进行回流处理并使未反应的氢气和一氧化碳与烯烃再次进行反应；

微界面发生器，其将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给气体反应物，将气体反应物破碎形成直径≥1μm、且＜1mm的微米级气泡以提高气体反应物与液体反应物之间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并在破碎后将液体反应物与气体反应物的微米级气泡混合形成气液混合物，以在预设操作条件范围内强化液体反应物与气体反应物之间的传质效率和反应效率；

氢气纯化单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对进入反应器内的氢气进行纯化处理；

气体回收单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对未反应的氢气和一氧化碳进行回收。

进一步的，所述微界面发生器包括：

第一微界面发生器，其为气动式微界面发生器，所述第一微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第一微界面发生器用以将氢气破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第二微界面发生器，其为气动式微界面发生器，所述第二微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第二微界面发生器用以将一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第三微界面发生器，其为液动式微界面发生器，所述第三微界面发生器位于所述反应器内的回流反应区，所述第三微界面发生器与外部换热器和液泵配合使用，用以破碎卷吸所述反应器内的回流反应区上部未反应的氢气和一氧化碳形成微米尺度的微米级气泡，将微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物并将气液混合物输出至所述全混流反应区以与所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器输出的气液混合物进行对冲，使未反应的氢气和一氧化碳再次参与反应，并同时调节所述反应器内混合物均匀度和反应温度。

进一步的，所述全混流反应区包括：

氢气进入管，其与所述第一微界面发生器相连通，所述氢气进入管用以将氢气传输至所述第一微界面发生器；

一氧化碳进入管，其与所述第二微界面发生器相连通，所述一氧化碳进入管用以将一氧化碳传输至所述第二微界面发生器；

物料排出管，其与所述反应器的下端相连通，所述物料排出管用以排出生成物。

进一步的，所述回流反应区包括：

回流管，其一端与所述第三微界面发生器相连通，其另一端位于所述回流反应区上部，所述回流管用以传递未反应的氢气和一氧化碳至所述第三微界面发生器；

气体排出管，其与所述反应器的上端相连通，所述气体排出管用以排出未反应的氢气和一氧化碳；

物料进入管，其与所述反应器的侧壁上部相连通，所述物料进入管用以向所述反应器内添加液态烯烃。

进一步的，所述氢气纯化单元包括：

氢气纯化罐，其与所述氢气进入管相连通，所述氢气纯化罐内设置有分子筛，所述分子筛用以对氢气进行纯化处理；

电热夹套，其位于所述氢气纯化罐侧壁上，所述电热夹套内设置有电热阻丝，所述电热夹套用以对所述氢气纯化罐进行加热，以脱除所述分子筛内的水分，以使分子筛重复使用。

进一步的，所述气体回收单元由气体储存罐组成，其与所述气体排出管相连通用以储存进入其内部的未反应的氢气和一氧化氮混合气体。

进一步的，所述催化剂由有机金属络合物溶剂Co

另一方面，本发明提供一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应工艺，包括：

步骤1：通过所述物料进入管向所述反应器内添加液态烯烃；

步骤2：通过所述氢气进入管和所述一氧化碳进入管分别向所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器传输氢气和一氧化碳，氢气在所述氢气进入管内进入所述第一微界面发生器内过程中经所述氢气纯化单元的纯化；

步骤3：所述第一微界面发生器将氢气破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；所述第二微界面发生器将一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物，烯烃、氢气和一氧化碳发生羰基化反应生成异构醛；

步骤4：步骤3中未反应的氢气和一氧化碳上升至所述反应器的顶部，所述第三微界面发生器工作破碎卷吸所述反应器内的回流反应区上部未反应的氢气和一氧化碳将未反应的氢气和一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡，将微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物并将气液混合物输出至所述全混流反应区与所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器输出的气液混合物进行对冲，使未反应的氢气和一氧化碳再次参与反应；

步骤5：所述反应器顶部未被卷吸的少量氢气和一氧化碳沿所述气体排出管排出至气体储存罐内；

步骤6：反应完毕后物料沿所述物料排出管排出。

进一步的，所述反应器内的温度为35-45℃，压力为0.2-0.4Mpa。

进一步的，所述氢气纯化单元的纯化过程为进入所述氢气纯化罐内的氢气经所述分子筛的过滤，大分子物质被挡在所述分子筛微孔结构的一侧，氢气经所述分子筛微孔透过进入至所述第一微界面发生器内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过破碎氢气和一氧化碳使其形成微米尺度的微米级气泡，微米级气泡具备常规气泡所不具备的理化性质，由球体体积及表面积的计算公式可知，在总体积不变的情况下，气泡的总表面积与单个气泡直径成反比，由此可知微米级气泡的总表面积巨大，使微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物，以增大气液两相的接触面积，并达到在较低预设操作条件范围内强化传质的效果，有效提高制备异构醛的转化率和效率；

进一步的，反应器，用以为液态烯烃、氢气和一氧化碳提供反应场所制备异构醛，所述反应器内设置有催化剂，所述反应器由全混流反应区和回流反应区组成；所述全混流反应区，其设置在所述反应器的下方，用以装载液态烯烃、氢气、一氧化碳和催化剂并为烯烃羰基化反应提供反应空间；所述回流反应区，其设置在所述反应器的上方，用以将未反应的氢气和一氧化碳进行回流处理并使未反应的氢气和一氧化碳与烯烃再次进行反应；

微界面发生器，其将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给气体反应物，将气体反应物破碎形成直径≥1μm、且＜1mm的微米级气泡以提高气体反应物与液体反应物之间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并在破碎后将液体反应物与气体反应物的微米级气泡混合形成气液混合物，以在预设操作条件范围内强化液体反应物与气体反应物之间的传质效率和反应效率；

氢气纯化单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对进入反应器内的氢气进行纯化处理；

气体回收单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对未反应的氢气和一氧化碳进行回收，未反应的氢气和一氧化碳气体均为可燃气体，回收后可作为化学能燃烧利用，防止气体污染的同时，节约能源。

进一步的，所述微界面发生器包括：

第一微界面发生器，其为气动式微界面发生器，所述第一微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第一微界面发生器用以将氢气破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第二微界面发生器，其为气动式微界面发生器，所述第二微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第二微界面发生器用以将一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第三微界面发生器，其为液动式微界面发生器，所述第三微界面发生器位于所述反应器内的回流反应区，所述第三微界面发生器与外部换热器和液泵配合使用，用以破碎卷吸所述反应器内的回流反应区上部未反应的氢气和一氧化碳形成微米尺度的微米级气泡，将微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物并将气液混合物输出至所述全混流反应区以与所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器输出的气液混合物进行对冲，使未反应的氢气和一氧化碳再次参与反应，并同时调节所述反应器内混合物均匀度和反应温度。

进一步的，所述全混流反应区包括：

氢气进入管，其与所述第一微界面发生器相连通，所述氢气进入管用以将氢气传输至所述第一微界面发生器；

一氧化碳进入管，其与所述第二微界面发生器相连通，所述一氧化碳进入管用以将一氧化碳传输至所述第二微界面发生器；

物料排出管，其与所述反应器的下端相连通，所述物料排出管用以排出生成物。

进一步的，所述回流反应区包括：

回流管，其一端与所述第三微界面发生器相连通，其另一端位于所述回流反应区上部，所述回流管用以传递未反应的氢气和一氧化碳至所述第三微界面发生器；

气体排出管，其与所述反应器的上端相连通，所述气体排出管用以排出未反应的氢气和一氧化碳；

物料进入管，其与所述反应器的侧壁上部相连通，所述物料进入管用以向所述反应器内添加液态烯烃。

进一步的，所述氢气纯化单元包括：

氢气纯化罐，其与所述氢气进入管相连通，所述氢气纯化罐内设置有分子筛，所述分子筛用以对氢气进行纯化处理；所述氢气纯化单元的纯化过程为进入所述氢气纯化罐内的氢气经所述分子筛的过滤，大分子物质被挡在所述分子筛微孔结构的一侧，氢气经所述分子筛微孔透过进入至所述第一微界面发生器内。

电热夹套，其位于所述氢气纯化罐侧壁上，所述电热夹套内设置有电热阻丝，所述电热夹套用以对所述氢气纯化罐进行加热，以脱除所述分子筛内的水分，以使分子筛重复使用。

进一步的，所述气体回收单元由气体储存罐组成，其与所述气体排出管相连通用以储存进入其内部的未反应的氢气和一氧化氮混合气体。

进一步的，所述催化剂由有机金属络合物溶剂Co

附图说明

图1为本发明所述一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明所述基于一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应系统的结构示意图，包括：

反应器1，用以为液态烯烃、氢气和一氧化碳提供反应场所制备异构醛，所述反应器内设置有催化剂，所述反应器由全混流反应区11和回流反应区12组成；所述全混流反应区，其设置在所述反应器的下方，用以装载液态烯烃、氢气、一氧化碳和催化剂并为烯烃羰基化反应提供反应空间；所述回流反应区，其设置在所述反应器的上方，用以将未反应的氢气和一氧化碳进行回流处理并使未反应的氢气和一氧化碳与烯烃再次进行反应；

微界面发生器，其将气体的压力能和/或液体的动能转变为气泡表面能并传递给气体反应物，将气体反应物破碎形成直径≥1μm、且＜1mm的微米级气泡以提高气体反应物与液体反应物之间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，并在破碎后将液体反应物与气体反应物的微米级气泡混合形成气液混合物，以在预设操作条件范围内强化液体反应物与气体反应物之间的传质效率和反应效率；

氢气纯化单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对进入反应器内的氢气进行纯化处理；

气体回收单元，其设置在所述反应器的一侧，用以对未反应的氢气和一氧化碳进行回收。

请继续参阅图1，所述微界面发生器包括：

第一微界面发生器21，其为气动式微界面发生器，所述第一微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第一微界面发生器用以将氢气破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第二微界面发生器22，其为气动式微界面发生器，所述第二微界面发生器位于所述反应器内的全混流反应区，所述第二微界面发生器用以将一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；

第三微界面发生器23，其为液动式微界面发生器，所述第三微界面发生器位于所述反应器内的回流反应区，所述第三微界面发生器与外部换热器和液泵配合使用，用以破碎卷吸所述反应器内的回流反应区上部未反应的氢气和一氧化碳形成微米尺度的微米级气泡，将微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物并将气液混合物输出至所述全混流反应区以与所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器输出的气液混合物进行对冲，使未反应的氢气和一氧化碳再次参与反应，并同时调节所述反应器内混合物均匀度和反应温度。

请继续参阅图1，所述全混流反应区包括：

氢气进入管111，其与所述第一微界面发生器相连通，所述氢气进入管用以将氢气传输至所述第一微界面发生器；

一氧化碳进入管112，其与所述第二微界面发生器相连通，所述一氧化碳进入管用以将一氧化碳传输至所述第二微界面发生器；

物料排出管113，其与所述反应器的下端相连通，所述物料排出管用以排出生成物。

请继续参阅图1，所述回流反应区包括：

回流管121，其一端与所述第三微界面发生器相连通，其另一端位于所述回流反应区上部，所述回流管用以传递未反应的氢气和一氧化碳至所述第三微界面发生器；

气体排出管122，其与所述反应器的上端相连通，所述气体排出管用以排出未反应的氢气和一氧化碳；

物料进入管123，其与所述反应器的侧壁上部相连通，所述物料进入管用以向所述反应器内添加液态烯烃。

请继续参阅图1，所述氢气纯化单元包括：

氢气纯化罐31，其与所述氢气进入管相连通，所述氢气纯化罐内设置有分子筛，所述分子筛用以对氢气进行纯化处理；

电热夹套32，其位于所述氢气纯化罐侧壁上，所述电热夹套内设置有电热阻丝，所述电热夹套用以对所述氢气纯化罐进行加热，以脱除所述分子筛内的水分，以使分子筛重复使用。

请继续参阅图1，所述气体回收单元由气体储存罐41组成，其与所述气体排出管相连通用以储存进入其内部的未反应的氢气和一氧化氮混合气体。

所述催化剂由有机金属络合物溶剂Co

请继续参阅图1，本发明提供一种由烯烃羰基化制备异构醛的强化反应工艺，包括：

步骤1：通过所述物料进入管向所述反应器内添加液态烯烃；

步骤2：通过所述氢气进入管和所述一氧化碳进入管分别向所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器传输氢气和一氧化碳，氢气在所述氢气进入管内进入所述第一微界面发生器内过程中经所述氢气纯化单元的纯化；

步骤3：所述第一微界面发生器将氢气破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物；所述第二微界面发生器将一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡并在破碎完成后将微米级气泡输出至所述反应器内的全混流反应区与所述反应器内的全混流反应区内的液态烯烃混合形成气液混合物，烯烃、氢气和一氧化碳发生羰基化反应生成异构醛；

步骤4：步骤3中未反应的氢气和一氧化碳上升至所述反应器的顶部，所述第三微界面发生器工作破碎卷吸所述反应器内的回流反应区上部未反应的氢气和一氧化碳将未反应的氢气和一氧化碳破碎形成微米尺度的微米级气泡，将微米级气泡与液态烯烃混合形成气液混合物并将气液混合物输出至所述全混流反应区与所述第一微界面发生器和所述第二微界面发生器输出的气液混合物进行对冲，使未反应的氢气和一氧化碳再次参与反应；

步骤5：所述反应器顶部未被卷吸的少量氢气和一氧化碳沿所述气体排出管排出至气体储存罐内；

步骤6：反应完毕后物料沿所述物料排出管排出。

所述反应器内的温度为35-45℃，压力为0.2-0.4Mpa。

所述氢气纯化单元的纯化过程为进入所述氢气纯化罐内的氢气经所述分子筛的过滤，大分子物质被挡在所述分子筛微孔结构的一侧，氢气经所述分子筛微孔透过进入至所述第一微界面发生器内。

实施例1

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为35℃，所述反应器内压强为0.2Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为95.2％。

反应时间为6h。

实施例2

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为38℃，所述反应器内压强为0.2Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为95.9％。

反应时间为6h。

实施例3

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为40℃，所述反应器内压强为0.3Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为96.0％。

反应时间为6h。

实施例4

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为42℃，所述反应器内压强为0.3Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为95.9％。

反应时间为6h。

实施例5

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为45℃，所述反应器内压强为0.4Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为95.7％。

反应时间为6h。

实施例6

使用上述系统及工艺进行异构醛制备，其中：

所述反应器温度为45℃，所述反应器内压强为0.2Mpa；

所述第一微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第二微界面发生器内的气液比为750：1。

所述第三微界面发生器内的气液比为3：10000。

经检测，使用所述系统及工艺后烯烃的转化率为96.1％。

反应时间为6h。

对比例

使用现有技术进行异构醛制备，其中，本对比例选用的工艺参数与所述实施例6中的工艺参数相同。

经检测，烯烃的转化率为89.0％。

反应时间为17h。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。