CN101125790A

CN101125790A - 干法制备乙炔的两步反应方法及装置

Info

Publication number: CN101125790A
Application number: CNA2007100501043A
Authority: CN
Inventors: 周凤举
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: CN100575323C

Abstract

本发明提供了一种干法制备乙炔的两步反应方法，包括1)将经粉碎的电石颗粒中的空气用氮气置换；2)在电石颗粒连续进入第一反应段过程中，按水料重量比为0.50～0.6∶1的比例连续给水，强制搅拌、捏合、自清理，在欠水环境中反应温度为80～85℃，反应压力为750～850mm水柱，反应时间为10～16分钟，反应生成的乙炔经水封罐后送入气柜；3)将第一反应段中未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水送入第二反应段，在缺水环境中，反应温度为60～70℃，反应压力为350～450mm水柱，反应时间为60～90分钟，反应后的乙炔经水封灌后送入气柜。本发明方法能连续生产乙炔，副产物为电石渣干粉，节水，环保、安全。本发明还提供了干法制备乙炔的两步反应装置。

Description

干法制备乙炔的两步反应方法及装置

技术领域：

本发明与干法制备乙炔方法有关，特别与干法制备乙炔的两步反应方法及装置有关。

背景技术：

乙炔(C₂H₂)是重要的有机化工原料，我国目前主要采用电石法生产乙炔，聚氯乙烯(PVC)行业的乙炔用电石量占全国电石总用量的90％以上，年电石消耗量在1000万吨以上。

电石乙炔的生产工艺，多年来由于电石乙炔反应的特殊性，一直采用湿法工艺技术，即将电石放置于10倍以上的水环境中进行水合反应，电石以块状物的形态静置于水中，在大容量的水环境中进行长时间的反应，利用强放热和产气鼓泡的功能，使水局部湍流起来，以去掉电石表面反应产物消石灰(Ca(OH)₂)，并不断更新电石的反应面，从而达到完全反应的目的。在水环境中反应，解决了乙炔易燃易爆的生产安全问题和反应水的冷却问题。但湿法生产技术，一方面需要大量的水参与反应，另一方面又需要大量的能耗将水从泥浆状的电石渣中分离出来，生产过程中同时伴随着水资源问题、环境污染问题以及电石渣再利用问题等。

干法乙炔技术主要是反应后得到的副产物电石渣为干粉，在节能、节水、环境保护以及电石渣再利用等方面凸显了优势，是PVC行业得以持续发展的重要课题，被列入了“国家鼓励发展的环境保护技术目录”。

近几年，也有一些科研单位和企业从事干法乙炔的研发工作，据报导称，主要有两种形式，一种主反应器为罐体多层塔盘喷淋式，要求电石制备为细颗粒(＜4mm)，主要问题是：1、电石粉碎过细易潮解，损失太大；2、细粉反应时过于激烈，容易发生意外；3、罐体容积大，危险性增高。第二种主反应器为等速卧式双螺旋喷淋式，主要问题是：1、等速双螺旋搅拌不能自清理，不能强制更新电石颗粒的反应面，反应效率不高；2、由于搅拌器不能自清理，易结块、堵塞。以上两种主反应器，都停留在不具备自清理功能的非强制性动态反应的研发阶段。

发明内容：

本发明目的是为了克服以上不足，提供一种能连续生产，效率高，节水，利于环保，安全性好的干法制备乙炔的两步反应方法。本发明的另一个目的是为了提供一种干法制备乙炔的两步反应装置。

本发明目的是这样来实现的：

本发明干法制备乙炔两步反应方法，该方法包括下列步骤：

1)将经粉碎后粒度为15～25mm的电石颗粒至少占整个电石颗粒的85％的电石颗粒中的空气用氮气置换，使之处于含氧量小于0.2％的状态；

2)在电石颗粒连续进入第一反应段过程中，参照电石水合反应方式程式中水料摩尔比为0.56∶1、按水料重量比为0.50～0.6∶1的比例连续给水，强制搅拌、捏合、自清理，在欠水环境中反应温度为80～85℃，反应压力为750～850mm水柱，反应时间为10～16分钟，反应生成的乙炔经水封罐后送入气柜，还有剩下未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水；

3)将第一反应段中未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水连续送入第二反应段，在缺水环境中，反应温度为60～70℃，反应压力为350～450mm水柱，反应时间为60～90分钟，反应后的乙炔经水封灌后送入气柜；

上述的方法中对第二反应段反应后的生成物进行筛分，将未反应完的电石颗粒与电石渣干粉进行分离后，得到含水量小于4％、粒度小于0.65mm的电石渣干粉，未反应完的电石颗粒经循环回送，再次参加反应。

本发明干法制备乙炔的两步反应装置包括料斗，与料斗出料口相通的至少两个串连的料钟，第一反应器，第二反应器，料钟上有带蝶阀的料钟进料口、料钟出料口、氮气进口、空气出口，第一反应器中有含与料钟出料口相通的第一进料口、第一出料口及第一乙炔出气口的壳体，受电机带动的第一差速动力头，位于壳体内的有受第一差速动力头带动的高速搅拌轴和低速搅拌轴的第一搅拌器，高、低速搅拌轴上设置按不同螺旋角排列的叶片以实现差速转动捏合，第二反应器中有含与第一反应器第一出料口相通的第二进料口及第二出料口的锥形壳体，受电机带动的第二差速动力头，位于锥形壳体内的分别通过低速空心轴、高速中心轴及与高速中心轴连接的行星螺旋圆锥齿轮副受第二差速动力头带动的低速公转的拐臂和存在高速自转的锥形搅拌轴的第二搅拌器，第一反应器的第一乙炔出气口和第二反应器的第二乙炔出气口分别与第一水封罐和第二水封罐连通，第一反应器壳体上有带进水口和出水口的第一冷却水夹套，第二反应器壳体上有带进水口和出水口的第二冷却水夹套，通过水量调节，控制反应器内的反应温度。

上述的第一反应器壳体上有氮气入口、第一爆破泄放口，第二反应器壳体上有氮气入口、第二爆破泄放口，第一爆破泄放口和第二爆破泄放口与安全水封罐连通，达到安全泄放的目的，第一、二反应器上的氮气入口是用于新投料时，用氮气置换空气用。

上述的第二反应器第二出料口处有进料口与之连通的往复筛，往复筛中有受电机带动的偏心往复连杆机构，受偏心往复连杆机构带动的筛体，筛体内相对进料口位置斜置的筛网，筛体上有筛上物出料口、筛下物出料口，筛上物出料口、筛下物出料口分别与筛上物螺旋输送机、筛下物螺旋输送机相通，循环器上分别有与筛上物螺旋输送机出料口和料斗相通的筛上物进料口、筛上物放料口，循环器可采用斗提机或螺旋提升机等。

上述的第一反应器的第一乙炔出气口处和第二反应器的第二乙炔出气口处分别有调节电石制备乙炔的转化率的备用进水口，使其转化率最大化。

电石水合反应的特点：

根据电石水合反应方程式：

CaC₂+2H₂O→C₂H₂+Ca(OH)₂+127.19J/mol

电石一旦与水接触，即发生强烈水合反应，产生乙炔并放出大量的热量(一般工业电石分解时放出的热量为397Kcal/Kg)，生成物乙炔和Ca(OH)₂微溶于水。反应的激烈程度(反应速度)与以下几个方面有关：

①、与电石纯度有关：电石是氧化钙和焦碳在电炉中溶炼得到的块状产物，其有效成份并非均匀分布。纯度高的电石水合反应速度快，纯度低的电石水合反应速度慢。

②、与电石块状大小有关：相同纯度的电石，块状(颗粒)大的反应速度慢，块状(颗粒)小的反应速度快；

③、与电石颗粒表面水合反应产物Ca(OH)₂能否被即时去除有关：若反应产物不能从电石表面去除，而复盖积累在电石表面，对反应不利；

④、与反应温度条件有关：反应温度条件必须得到控制，反应温度过高(≥100℃)，反应水汽化，对反应不利；

⑤、与反应水的纯度有关：含钙量高和含乙炔量高的水，参与电石反应的速度慢，含钙量低和含乙炔量低的水，参与电石反应的速度快。

电石和乙炔的危险性：

①、电石在空气中容易吸潮分解，并产生乙炔气体；

②、电石遇水能产生强放热反应，使反应环境急骤升温；

③、电石中含有杂质硅铁，硅铁间或硅铁与其它金属(主要指黑色金属)的碰撞容易产生火花，引起意外爆炸；

④、乙炔为易燃易爆气体：纯乙炔与空气混合能形成爆炸气体，纯乙炔在空气中含量的爆炸范围为2.3～81％；

⑤、乙炔与氧气混合容易产生爆炸，与水蒸汽混合不易产生爆炸；

⑥、纯乙炔的比重(1.171Kg/m³)比空气(1.293Kg/m³)略低，在空气中容易向上漂浮，扩散；

⑦、纯乙炔应避免长期与金属铜接触、生成乙炔——铜的化合物，该化合物也是乙炔气意外爆炸的不安全因素。

本发明方法中含氧量小于0.2％的电石颗粒(制备粒度为15～25mm的占85％以上)可由给料机连续输入第一反应段。在水汽环境中，进行强制性动态反应，是个激烈反应的过程。按照化学反应方程式的摩尔比，纯电石完全反应所需的水料比为0.56∶1。就按水料重量比0.50～0.60∶1的比例连续给水，由于部分水汽化，反应环境属于欠水反应，在欠水反应的情况下，纯度高的、颗粒小的优先夺水反应。颗粒大的、纯度高的也能在反应器的强制搅拌下不断更新反应面，迅速参与反应。第一反应的停留时间为10～16分钟，满足了优先反应颗粒的反应转换率为60～70％。第一反应段的反应温度控制在80～85℃，反应压力控制在750～850mm水柱。完成第一反应后的物料状态为：未完全反应的颗粒占30～40％、反应完的电石渣(粉)以及冷凝回流的蒸汽水，一并送入第二反应段；

在第二反应段是非强制性的动态反应，是对未反应完的电石颗粒连续进行反应，所需的水由浸润在电石渣中的回流冷凝水解决，电石争夺电石渣中的水，反应环境属于缺水反应，第二反应段不是非常强烈的反应，反应停留时间较长，一般在60～90分钟左右，第二反应段的反应温度控制在60～70℃，反应压力控制在400水柱。完成第二反应后的物料状态为：未反应的颗粒(原有效成份较低的电石颗粒)占5～10％，与电石渣(已成干粉)的混合物送入N次的循环反应；

N次循环反应：经过第一、二反应段后的产物进行筛分，将未反应完的颗粒与电石渣干粉进行分离后，得到副产物-电石渣干粉。未反应完的颗粒循环回送到给料系统。这样的循环能满足特别不容易反应的、有效成份含量极低的电石颗粒，可以进行N次循环，直到完全反应，生成电石渣粉。

以上分段反应加循环的方法是对混在一起的不同含量的电石颗粒(非均匀相)分别进行处置，以有限的水完成最大限度的水合反应，使干法反应变为可能和可行。

本发明方法在干法反应的前提下，满足了安全性、连续性与生产效率(反应速度)三者的要求。同时利于环保。根据电石水合反应的特点以及原料电石与生成物(乙炔与消石灰)的特点，第一反应段+第二反应段+多次循环反应。在温度、压力得到有效控制的情况下，反应生产过程节能、节水，同时获得副产物的含水量、含乙炔量都是很低的干粉，即达到了干法乙炔工艺的目的。

本发明装置中关键的是第一反应器，第二反应器。第一反应器为双轴螺旋差速捏合机：是根据本申请人已获取的专利《双轴差速逆向旋转螺旋副》(专利号ZL00244986.2)为原理按照电石水合反应的特点和安全生产的要求设计的专用反应器。该反应器同时具有捏合、粉碎、搅拌、输送、自清理、夹套换热等功能，能满足第一反应段的工艺条件要求。在水气环境中，对颗粒表面进行强制性更新，而自身搅拌器又能得到清理，从而创造了良好的反应环境，最大限度满足纯度高的电石在短时间内完成水合反应，反应过程中急骤产生的热量可通过夹套换热传导到反应器外部。

第二反应器为行星螺旋锥形反应器，该反应器以行星公、自转螺旋提升为原理，使不同含水量、不同颗粒度的物料得到充分搅拌，满足其缓慢反应的要求。该反应器还具有储料、送料、夹套冷却以及渣气分离以及气压物料密封等功能，设备整体气密性好，能满足第二反应段的工艺条件和停留时间较长的要求，并安置有能满足安全泄放的爆破泄放口。

附图说明：

图1为本发明装置结构示意图。

图2为料钟结构示意图。

图3为第一反应器结构示意图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为第二反应器结构示意图。

图6为往复筛结构示意图。

具体实施方式：

本发明干法制备乙炔两步反应方法包括下列步骤：

本发明干法制备乙炔两步反应方法，该方法包括下列步骤：

1)将粉碎后粒度为15～25mm的电石颗粒至少占整个粉碎颗粒的85％的电石颗粒中的空气用氮气置换，使之处于含氧量小于0.2％状态；

2)在电石颗粒连续进入第一反应段中，参照电石水合反应方式程式中水料摩尔比为0.56∶1、按水料重量比为0.56～0.6∶1的比例连续给水，同时进行强制搅拌、捏合、自清理，在欠水环境中反应温度控制在80～85℃，反应压力控制在750～850mm水柱，反应时间为10～16分钟，反应生成的乙炔经水封罐后送入气柜，剩下未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水；

3)将第一反应段中未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水送入第二反应段，在缺水环境中，反应温度为60～70℃，反应压力为350～450mm水柱，反应时间为60～90分钟，反应后的乙炔经水封罐后送入气柜。

4)对第二反应段反应后的生成物进行筛分，将未反应完的电石颗粒与电石渣干粉进行分离后，得到含水量小于4％、粒度小于0.65mm的电石渣干粉，未反应完的电石颗粒经循环回送、再次参加反应。

参见图1，本发明干法制备乙炔的两步反应装置包括料斗1，两个串连的第一料钟2、第二料钟3，给料螺旋输送机4，第一反应器5，第二反应器6，往复筛7，筛上物螺旋输送机8，筛下物螺旋输送机9，循环器10(可采用斗提机或螺旋提升机等)，第一水封罐11，第二水封罐12，安全水封罐47。

如图2所示，第一料钟2进料口与料斗相连处装有第一蝶阀13，第一料钟上有带开关的进气口d1、出气口a4。第二料钟进料口与第一料钟出料口连接处装有第二蝶阀14，底部为出料口15。第二料钟上装有带开关的进气口d2。第一、第二料钟2、3为双锥形容器，装料及氮气置换过程如下：

(1)、关闭蝶阀14，开启蝶阀13，电石经料斗1、蝶阀13进入料钟2，在此过程中，料钟2内的空气经进气口d1充入的氮气稀释；

(2)、当电石装满料钟2后，关闭蝶阀13，经进气口d1充入的氮气，对料钟内的空气进行三次置换，置换出来的空气由出气口a4排出，最终达到料钟2内的空气被氮气完全置换的目的；

(3)、料钟2内的空气被氮气完全置换后，开启蝶阀14，电石进入料钟3，经料钟3及出料口15连续排出。

(4)、进气口d2为全流程设备开机前氮气置换用口。

参见图3、图4，第一反应器是以《双轴差速逆向旋转螺旋副》(专利号ZL00244986.2)为原理，包含通过给料螺旋输送机4与第二料钟出料口相通的含第一进料口16、第一出料口17、第一乙炔出气口a1、a2，第一爆破泄放口b1、主进水口c1、备用进水口c2，氮气入口d2、d3的壳体18，电机为动力的差速动力头19，搅拌器20中的将高转速动力传递给搅拌轴21，将低转速传递给搅拌轴22，两根搅拌轴上设置按不同螺旋角排列的叶片，高转速轴的螺旋叶片23与低转速轴的螺旋叶片24实现差速捏合搅拌的性能，对搅拌的固-液相物质达到强制动态反应，且搅拌螺旋叶片相互能自清理的目的。壳体18外装有含冷却水进、出口f1、f2的第一冷却水夹套25。

开机前，反应容器内的空气经氮气口d2、d3充入的氮气稀释后，由出气口a1、a2排出，最终达到置换的目的。

电石由进料口16连续进入，反应水由主进水口c1连续喷淋进入。经搅拌反应，产生的乙炔气由出气口a1、a2送入第一水封罐。反应物质经出料口17连续排出。反应温度由冷却水经夹套进、出水口f1、f2带出。

参见图1、图5，第二反应器是以行星公、自转螺旋提升为原理的行星螺旋锥形反应器，包含与第一反应器第一料口相通的第二进料口26和带流量阀27的第二出料口28及第二爆破泄放口b2、备用进水口C3、氮气入口d4、出气口a3的锥形壳体29。电机为动力的第二差速动力头30，将低转速动力通过搅拌器31中空心轴32传递给存在公转的拐臂33，将高转速动力通过中心轴34并经行星螺旋圆锥齿轮35、传动轴36和行星螺旋圆锥齿轮37传递给存在自转的锥形螺旋搅拌轴38，搅拌器31在锥形壳体29内进行公、自转运行，使被搅拌的固-液相物质达到周向运动流B、螺旋提升运动流C、向下轴流D的三元运动流场的反应状态。锥形壳体29外装有含冷却水进出口f3、f4的第二冷却水夹套46。

给料螺旋输送机、第一反应器，第二反应器中与物料接触的部分采用不锈钢制成。

开机前，反应容器内的空气经氮气口d3、d4充入的氮气稀释，后由出气口a3排出，最终达到置换的目的。

经第一反应器出来的反应物料由进料口26连续进入，必要时，反应水由备用进水口c3连续喷淋进入。经搅拌反应，产生的乙炔气由出气口a3送入水封。反应物质经流量阀27控制，再由出料口28连续排出。反应温度由冷却水经夹套进出水口f3、f4带出。

参见图6，往复筛以包含电机29为动力的偏心往复连杆机构40为动力，带动筛体41作往复运动，物料经进料口42进入斜置的筛网43，对物料进行筛分。筛上物经筛上物出料口44出料，筛下物经筛下物出料口45出料。

参见图1，新物料(电石颗粒)经料斗1、料钟2、3，通过氮气置换后送入给料螺旋机4，由给料螺旋机4连续输送到第一反应器5，完成第一反应。反应后的物料连续输送到第二反应器6，完成第二反应并经储存后连续输送到往复筛7进行筛分，筛上物经筛上物输送机8及循环器10回送到料斗1，筛下物(电石渣干粉)经筛下物螺旋输送机9输送到包装设备(流程外装置)。

第一反应器产生的乙炔经a1、a2口送到水封罐11，第二反应器产生的乙炔经a3口送到第二水封罐12。第一反应器的爆破泄放口b1和第二反应器的爆破泄放口b2将非正常情况下泄爆的气体经安全水封罐47排放到大气中。水封罐11、12出口的乙炔气合并后输送到气柜(流程外装置)。

反应用水(清水)经进水口c1、送入第一反应器5。必要时，经备用进水口C2、C3分别送入到第一反应器5和第二反应器6。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims

1.干法制备乙炔的两步反应方法，该方法包括下列步骤：

2)在电石颗粒连续进入第一反应段过程中，参照电石水合反应方程式中水料摩尔比为0.56∶1，按水料重量比为0.50～0.6∶1的比例连续给水，强制搅拌、捏合、自清理，在欠水环境中反应温度为80～85℃，反应压力为750～850mm水柱，反应时间为10～16分钟，反应生成的乙炔经水封罐后送入气柜，还有剩下未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水；

3)将第一反应段中未完全反应的电石颗粒和反应完的电石渣粉以及冷凝回流的蒸汽水连续送入第二反应段，在缺水环境中，反应温度为60～70℃，反应压力为350～450mm水柱，反应时间为60～90分钟，反应后的乙炔经水封灌后送入气柜。

2.如权利要求1所述的干法制备乙炔的两步反应方法，其特征在于对第二反应段反应后的生成物进行筛分，将未反应完的电石颗粒与电石渣干粉进行分离后，得到含水量小于4％、粒度小于0.65mm的电石渣干粉，未反应完的电石颗粒经循环回送后，再次参加反应。

3.干法制备乙炔的两步反应装置，其特征在于包括料斗，与料斗出料口相通的至少两个串连的料钟，第一反应器，第二反应器，料钟上有带蝶阀的料钟进料口、料钟出料口、氮气进口、空气出口，第一反应器中有含与料钟出料口相通的第一进料口、第一出料口及第一乙炔出气口的壳体，受电机带动的第一差速动力头，位于壳体内的有受第一差速动力头带动的高速搅拌轴和低速搅拌轴的第一搅拌器，高、低速搅拌轴上设置按不同螺旋角排列的叶片以实现差速转动捏合，第二反应器中有含与第一反应器第一出料口相通的第二进料口及第二出料口的锥形壳体，受电机带动的第二差速动力头，位于锥形壳体内的分别通过低速空心轴、高速中心轴及与高速中心轴连接的行星螺旋圆锥齿轮副受第二差速动力头带动的低速公转的拐臂和存在高速自转的锥形搅拌轴的第二搅拌器，第一反应器的第一乙炔出气口和第二反应器的第二乙炔出气口分别与第一水封罐和第二水封罐连通，第一反应器壳体上有带进水口和出水口的第一冷却水夹套，第二反应器壳体上有带进水口和出水口的第二冷却水夹套。

4.如权利要求3所述的干法制备乙炔的两步反应装置，其特征在于第一反应器壳体上有氮气入口、第一爆破泄放口，第二反应器壳体上有氮气入口、第二爆破泄放口，第一爆破泄放口和第二爆破泄放口与安全水封罐连通。

5.如权利要求3或4所述的干法制备乙炔的两步反应装置，其特征在于第二反应器第二出料口处有进料口与之连通的往复筛，往复筛中有受电机带动的偏心往复连杆机构，受偏心往复连杆机构带动的筛体，筛体内相对进料口位置斜置的筛网，筛体上有筛上物出料口、筛下物出料口，筛上物出料口、筛下物出料口分别与筛上物螺旋输送机、筛下物螺旋输送机相通，循环器上分别有与筛上物螺旋输送机出料口和料斗相通的筛上物进料口、筛上物放料口。

6.如权利要求3或4所述的干法制备乙炔的两步反应装置，其特征在于第一反应器的第一乙炔出气口处和第二反应器的第二乙炔出气口处分别有调节电石制备乙炔的转化率的备用进水口。