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CN110078683A - 一种环氧氯丙烷的连续化合成工艺 - Google Patents

一种环氧氯丙烷的连续化合成工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种环氧氯丙烷的连续化合成工艺，具体的是采用釜式反应器和环流反应器串联方式，分段加入不同比例的双氧水进行反应，控制不同的温度和时间，反应结束后直接进入密闭式刮刀离心机分离出催化剂和反应液，反应液分层得到油层和水层，回收氯丙烯和分离出的催化剂打浆返回反应体系，实现了催化剂连续化循环操作。

Description

一种环氧氯丙烷的连续化合成工艺
技术领域
本发明涉及一种环氧氯丙烷的连续化合成工艺，具体的是采用釜式反应器和环流反应器串联方式，分段加入不同比例的双氧水进行反应，提高双氧水利用率，反应结束后物料直接进入密闭式刮刀离心机分离出固态催化剂和反应液，分离出的催化剂和氯丙烯打成浆料返回反应体系，实现催化剂的连续循环。
背景技术
环氧氯丙烷是一种重要的石油化工产品，主要用于生产环氧树脂。目前环氧氯丙烷生产工艺主要有两种：氯醇法和甘油法。国内70％的环氧氯丙烷来自于氯醇法，其最大的缺点是产生了50吨/吨环氧氯丙烷的含盐废水，环境污染严重。目前国内新增产能均来源于甘油法，但是该工艺受制于甘油的供应，继续增加产能的难度大，无法满足日益增长的需求。
在此背景下，研究人员开始关注双氧水法。从绿色化学的角度来说，双氧水是更加环保，更为清洁的氧源。现有的研究主要围绕两大催化体系展开：杂多酸体系和钛硅分子筛体系。其中钛硅分子筛体系，需要使用甲醇做溶剂，甲醇的引入会生成难以分离的醚类杂质，此外催化剂稳定性差需要频繁再生，工业应用难度较大；而杂多酸体系由于其特殊的反应相转移特性，即反应过程溶解，反应结束后析出，催化剂易回收且稳定性好，具有较好的工业应用前景。
氯丙烯环氧化反应中，双氧水加入方式一般采用匀速加入，经过研究发现，匀速加入双氧水会造成双氧水的无效分解增加，而采用分段加入方式可以最大程度提高双氧水的有效利用率。此外，如何减少催化剂的分离损失以及如何实现连续化分离操作也是困扰工程化的难点。CN206232636，采用螺杆泵+液固分离器的组合方式，实现了催化剂的分离，但是螺杆泵分离出的催化剂含水多(含水约20％)，且颗粒度小的催化剂会随着水相流失，含水高以及机械流失会对催化剂的稳定循环使用造成影响。CN205199522，采用特制的催化剂回收装置，通过装置中的折流板实现催化剂重力沉降，实现分离，但是同样未能解决催化剂含水高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种环氧氯丙烷的连续化合成方法，采用釜式反应器和环流反应器串联方式并分段加入双氧水的方式，结合立式刮刀离心机等分离设备实现了催化剂的连续化分离及循环，该方法操作性强、回收催化剂含水低、催化剂回收率高。
本方案的技术原理：由于杂多酸催化剂的特殊性，该反应是液-液-固非均相反应，如果只采用环流反应器，其难以确保高剪切的搅拌效果，催化剂会沉降甚至堵塞管道。通过先采用釜式反应器，并加入一定量的双氧水，确保物料搅拌分散效果，然后再采用环流反应器进行反应，可以有效避免这个情况发生，确保反应的平稳进行。刮刀离心机用于杂多酸催化剂的分离，实现连续化分离及催化剂输送，离心出的催化剂直接在离心机里加入氯丙烯进行分散制成浆料，用离心泵泵入催化剂分散釜，避免了先沉降再离心的繁琐过程，实现连续化机械输送。
本发明提供一种环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于氯丙烯和回收催化剂按照比例预先形成分散均匀的浆料，用离心泵连续泵入釜式反应器中，通过溢流再进入两级环流反应器，同时分别向釜式反应器和一级环流反应器中泵入双氧水，控制双氧水的比例以及每个反应器的停留时间及温度，确保采出水相中双氧水含量＜0.5％，同时向二级环流中加入助剂提高催化剂回收率。在冷凝器的进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。反应物料连续泵入密闭式刮刀离心机中，分离出催化剂和反应液，反应液进入分层器中静置分层，得到油相和水相，分离出的催化剂直接在离心机中与3-氯丙烯打浆，用离心泵输送至原料分散釜，实现了催化剂的连续分离及输送。
本技术方案中所述的双氧水浓度为25～70wt％，优选42～70wt％。
所述的杂多酸催化剂结构为[(CnH2n+1)N(CmH2m+1)3]3PX4O16，X为W、V、Mo等其中n＝1～18，m＝1～4；
所述的3-氯丙烯与双氧水的摩尔比可以为1～8:1，优选1.5～6.0:1；催化剂的重量为3-氯丙烯重量的0～10％，优选5～8％。
所述的釜式反应器的温度为40～50℃，优选42～48℃；环流反应器的温度为45～60℃，优选48～55℃；釜式反应器通入双氧水占双氧水总量的百分比例为20～80％，优选35～65％；釜式反应器的停留时间为0.5～1.5h，优选0.7～1.0h；每级环流反应器的停留时间为1.0～2.0h，优选1.2～1.8h。
所述向二级环流加入的助剂为硫酸铵、磷酸二氢铵、硝酸铵、硫酸钾、磷酸二氢钾、硝酸钾等无机酸盐，助剂用量为反应液重量的0.1～2％，优选0.1～0.8％。
本发明具有以下优点：
1、减少双氧水的无效分解：分步加入不同量的双氧水，双氧水无效分解从10％降至4％；
2、返混小：采用釜式反应器和环流反应器串联方式，在釜式反应器中实现催化剂的溶解，再进入环流反应器强化反应传质，反应物料及时出系统；
3、催化剂回收率高：在二级环流反应器中加入助剂，促进催化剂成型，减少离心分离时催化剂的流失几率，提高催化剂的回收率；
4、催化剂实现连续分离及输送：反应物料经过刮刀离心机连续进料，分离出催化剂，催化剂含水低于10％，可以直接与氯丙烯打成浆料，实现催化剂的连续分离及输送。
具体实施方式
实施例1
采用不锈钢反应釜和两级不锈钢环流反应器串联方式，反应釜体积100L，每级环流反应器体积100L，反应器总体积合计300L，停留时间3h。采用离心泵分别向反应釜中泵入75L/h 3-氯丙烯与催化剂形成的浆料(按照催化剂占氯丙烯重量5％配置浆料)和50％双氧水17.5L/h，反应温度47℃，压力0.2MPa，一级环流反应器中泵入50％双氧水7.5L/h，反应温度53℃，压力0.3MPa，二级环流反应器温度52℃，压力0.3MPa，并加入0.5kg/h 10％硫酸铵水溶液，在冷凝器进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。
从二级环流反应器中连续采出反应物料，进入刮刀离心机，离心分离出催化剂，催化剂含水8.3％，离心出的液相进入500L分层器中，静置分层分出油相和水相。油相脱溶回收3-氯丙烯，脱溶釜料精馏得到环氧氯丙烷产品，水相汽提、浓缩，浓缩釜料资源化利用。离心出的催化剂与氯丙烯搅拌制成浆料，用离心泵再泵入反应釜中，实现催化剂的连续化输送。反应指标：双氧水转化率99.5％，环氧氯丙烷选择性98.5％，双氧水利用率95.3％，催化剂回收率99.2％。
实施例2
采用不锈钢反应釜和两级不锈钢环流反应器串联方式，反应釜体积100L，每级环流反应器体积100L，反应器总体积合计300L，停留时间2.5h。采用离心泵分别向反应釜中泵入96L/h 3-氯丙烯与催化剂形成的浆料(按照催化剂占氯丙烯重量4％配置浆料)和48％双氧水16L/h，反应温度49℃，压力0.3MPa，一级环流反应器中泵入48％双氧水8L/h，反应温度51℃，压力0.25MPa，二级环流反应器温度52℃，压力0.3MPa，并加入0.8kg/h 10％磷酸二氢铵水溶液，在冷凝器进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。
从二级环流反应器中连续采出反应物料，进入刮刀离心机，离心分离出催化剂，催化剂含水7.8％，离心出的液相进入500L分层器中，静置分层分出油相和水相。离心出的催化剂与氯丙烯搅拌制成浆料，用离心泵再泵入反应釜中，实现催化剂的连续化输送。反应指标：双氧水转化率99.6％，环氧氯丙烷选择性98.3％，双氧水利用率94.9％，催化剂回收率99.4％。
实施例3
采用不锈钢反应釜和两级不锈钢环流反应器串联方式，反应釜体积100L，每级环流反应器体积100L，反应器总体积合计300L，停留时间4h。采用离心泵分别向反应釜中泵入42.5L/h 3-氯丙烯与催化剂形成的浆料(按照催化剂占氯丙烯重量4％配置浆料)和60％双氧水18L/h，反应器温度45℃，压力0.15MPa，一级环流反应器中泵入60％双氧水14.5L/h，反应温度52℃，压力0.3MPa，二级环流反应器温度50℃，压力0.2MPa，并加入0.8kg/h 10％磷酸二氢钾水溶液，在冷凝器进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。
从二级环流反应器中连续采出反应物料，进入刮刀离心机，离心分离出催化剂，催化剂含水8.1％，离心出的液相进入500L分层器中，静置分层分出油相和水相。离心出的催化剂与氯丙烯搅拌制成浆料，用离心泵再泵入反应釜中，实现催化剂的连续化输送。反应指标：双氧水转化率99.2％，环氧氯丙烷选择性98.4％，双氧水利用率95.5％，催化剂回收率99.3％。
实施例4(对比例，不加助剂采用离心沉降)
采用不锈钢反应釜和不锈钢环流反应器串联方式，反应釜体积约100L，每级环流反应器体积约200L，反应器总体积合计300L，停留时间3.5h。采用离心泵分别向反应釜中泵入60L/h 3-氯丙烯与催化剂形成的浆料(按照催化剂占氯丙烯重量3％配置浆料)和55％双氧水15L/h，反应器温度46℃，压力0.2MPa，一级环流反应器中泵入55％双氧水10.5L/h，反应温度52℃，压力0.3MPa，二级环流反应器温度50℃，压力0.2MPa，在冷凝器进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。
从二级环流反应器连续采出反应物料，分别经过500L降温釜和500L静置分层器得到油相和水相(水相含催化剂)，在500L的催化剂洗涤釜中，用氯丙烯对催化剂进行两次洗涤，洗涤后离心出催化剂，加入氯丙烯配成浆料后返回反应釜，实现催化剂的循环。反应指标：双氧水转化率99.1％，环氧氯丙烷选择性98.6％，双氧水利用率94.8％，催化剂回收率98.0％。
实施例5-8
过程同实施例1，不同之处在于3-氯丙烯：双氧水的摩尔配比不同。
实施例9-12
过程同实施例1，不同之处在于双氧水在釜式/环流反应器中的分配百分比不同。

Claims (10)

1.一种环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，3-氯丙烯和回收催化剂按照比例预先形成分散均匀的浆料，用离心泵连续泵入釜式反应器中，通过溢流再进入两级环流反应器，同时分别向釜式反应器和一级环流反应器中泵入双氧水，控制双氧水的比例以及每个反应器的停留时间及温度，确保采出水相中双氧水含量＜0.5％，同时向二级环流中加入助剂提高催化剂回收率，在冷凝器的进口通入足量氮气，确保尾气中的氧气含量低于5％。反应物料连续泵入密闭式刮刀离心机中，分离出催化剂和反应液，反应液进入分层器中静置分层，得到油相和水相，分离出的催化剂直接在离心机中与3-氯丙烯打浆，用离心泵输送至原料分散釜，实现了催化剂的连续分离及输送。
2.根据权利要求1所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的双氧水浓度为25～70wt％，优选42～70wt％。
3.根据权利要求2所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述向二级环流加入的助剂为硫酸铵、磷酸二氢铵、硝酸铵、硫酸钾、磷酸二氢钾、硝酸钾，助剂用量为反应液重量的0.1～2％，优选0.1～0.8％。
4.根据权利要求1所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的杂多酸催化剂结构为[(CnH2n+1)N(CmH2m+1)3]3PX4O16，X为W、V、Mo其中n＝1～18，m＝1～4。
5.根据权利要求1所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的3-氯丙烯与双氧水的摩尔比为1～8:1；催化剂的重量为3-氯丙烯重量的0～10％。
6.根据权利要求5所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的3-氯丙烯与双氧水的摩尔比为1.5～6.0:1；催化剂的重量为3-氯丙烯重量的5～8％。
7.根据权利要求1所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的釜式反应器的温度为40-50℃；环流反应器的温度为45-60℃。
8.根据权利要求7所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，所述的釜式反应器的温度为42-48℃；环流反应器的温度为48-55℃。
9.根据权利要求1所述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，釜式反应器通入双氧水占双氧水总量的百分比例为20-80％；釜式反应器的停留时间为0.5-1.5h；每级环流反应器的停留时间为1.0-2.0h。
10.根据权利要求9述的环氧氯丙烷的连续化合成方法，其特征在于，釜式反应器通入双氧水占双氧水总量的百分比例为35-65％；釜式反应器的停留时间为0.7-1.0h；每级环流反应器的停留时间为1.2-1.8h。
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