CN103058837A

CN103058837A - 一种催化精馏生产乙缩醛的方法及其生产设备

Info

Publication number: CN103058837A
Application number: CN2013100329298A
Authority: CN
Inventors: 杨金杯; 余美琼
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-04-24

Abstract

一种催化精馏生产乙缩醛的方法及其生产设备，该方法使用了催化精馏塔和乙醇回收塔，具体步骤为：1）原料乙醇经计量泵及预热器后从催化精馏塔下进料口进入，原料乙醛溶液经计量泵后从催化精馏塔上进料口进入，原料乙醛和乙醇在催化精馏塔中部发生缩醛反应并进行汽液传质；2）催化精馏塔塔顶得到的乙缩醛和乙醇的混合蒸汽经冷凝器冷凝后，经回流泵一部分回流至催化精馏塔的顶部，另一部分采出系统作为产品；3）催化精馏塔塔釜排出的废水泵入乙醇回收塔的中部进行精馏分离，塔顶得到乙醇和水的共沸物蒸汽经冷凝器冷凝后依靠重力，一部分回流至乙醇回收塔塔顶，另一部分返回催化精馏塔的乙醇入口循环套用。该设备具有收率高、循环量少和能耗低等优点。

Description

一种催化精馏生产乙缩醛的方法及其生产设备

技术领域

本发明属于化工领域的催化精馏技术，涉及一种以乙醇和乙醛为原料，催化精馏生产乙缩醛的方法及其生产设备。

背景技术

乙缩醛又名二乙氧基乙烷，分子式：C₆H₁₄O₂，分子量：118，CAS号：105-57-7，无色透明液体，熔点-100℃，沸点102.7℃；与醇、醚等混溶，溶于庚烷、甲基环己烷和乙酸乙酯等，溶解能力与乙醚相似；25℃时在水中溶解度为5%，能和水形成共沸物，共沸点82.66℃，共沸组成：乙缩醛85.5%，水14.5%；能和乙醇形成共沸物，共沸点78℃，共沸组成：乙缩醛76%，乙醇24%。主要用途：用于食品添加剂、燃料添加剂、染料中间体、化妆品和香料等领域。

目前生产乙缩醛的主要方法是以乙醇和乙醛为原料，在无机酸或Lewis酸（氯化钙、氯化铁等）为催化剂下，在间歇反应釜内进行缩合反应，再经过后续多次分离后得到产品。由于该反应过程受热力学限制，反应中有大量的水生成，且乙缩醛与乙醇和水能形成共沸物，导致分离困难，因此间歇反应转化率较低、生产周期较长、能耗高，另外，所用的催化剂难以回收、腐蚀性较强。

发明内容

本发明针对上述技术存在的不足，提出一种催化精馏生产乙缩醛的方法及其生产设备。

本发明的技术方案：一种催化精馏生产乙缩醛的方法，其特征在于按以下步骤进行：

1）原料乙醇经计量泵及预热器后从催化精馏塔下进料口进入，原料乙醛溶液经计量泵后从催化精馏塔上进料口进入，原料乙醛和乙醇在催化精馏塔中部反应段的催化剂作用下发生缩醛反应并进行汽液传质；

2）催化精馏塔塔顶得到的乙缩醛和乙醇的混合蒸汽经冷凝器冷凝后，经回流泵一部分回流至催化精馏塔的顶部，另一部分采出系统作为产品；反应产生的废水及少量的乙醇从塔釜泵入乙醇回收塔精馏回收乙醇；

3）催化精馏塔塔釜排出的废水泵入乙醇回收塔的中部进行精馏分离，塔顶得到乙醇和水的共沸物蒸汽经冷凝器冷凝后依靠重力，一部分回流至乙醇回收塔塔顶，另一部分返回催化精馏塔的乙醇入口循环套用，乙醇回收塔塔釜排出的废水进入后续废水处理工段。

本发明的另一目的在于提供一种催化精馏生产乙缩醛的生产设备，包括催化精馏塔和乙醇回收塔，该设备具有收率高、循环量少和能耗低等优点。

上述的催化精馏塔从上至下包括精馏段、反应段和提馏段，其中精馏段理论板数为10~25块，反应段的理论板数为5~25块，提馏段的理论板数为10~20块，精馏段与反应段之间设有乙醛进料口，反应段和提馏段之间设有乙醇进料口，反应段填充阳离子交换树脂为催化剂，反应段内设有堆叠成一定高度的若干段催化剂结构单元，催化剂结构单元的直径与反应段的直径相当，催化剂结构单元由一层不锈钢丝网和一层串联连接的催化剂小袋经卷曲成捆状构成；用于包裹催化剂的小袋采用绢丝布或尼龙布或涤纶布制成，小袋的尺寸为40~80mm×8~18mm，催化剂小袋内填充的阳离子交换树脂占小袋体积的0.6~0.8倍，不锈钢丝网为空隙大小为50~100目钼钛不锈钢丝网。

上述的催化精馏塔的操作条件为：操作压力为常压，塔顶温度控制在75~80℃，反应段的温度控制在85~90℃，塔釜温度控制在95~100℃，乙醇和乙醛进料摩尔比为2.0~4.0:1，回流比为2~4，空速为0.20~0.45 m³/(m³催化剂??h)。

上述乙醇回收塔为板式塔或填料塔，由精馏段与提馏段构成，其中精馏段理论板数为10～25，提馏段理论板数为10～20；操作压力为常压，回流比控制在2～6，塔顶温度控制在77~79℃，塔釜温度控制在99~101℃；乙醇回收塔塔顶得到乙醇和水的共沸物返回催化精馏塔乙醇进料口进行循环套用，塔釜排出废水。

上述催化精馏塔的乙醇进料口连接有进料预热器，催化精馏塔塔釜出料口连接塔釜再沸器，催化精馏塔的塔顶蒸汽出料口连接塔顶冷凝器；乙醇回收塔的塔釜出料口连接塔釜再沸器，乙醇回收塔的塔顶共沸物蒸汽出料口连接塔顶冷凝器。

本发明的优点在于：采用催化精馏技术，可连续化生产，具体为：(1) 在合理的操作工艺和设备条件下，塔顶可获得合格的乙缩醛产品；(2) 反应和分离耦合于同一设备内，反应热直接用于精馏分离，降低能耗；(3) 由于精馏的分离作用，对原料乙醛的浓度要求低，浓度为7%～50%的乙醛水溶液均可直接使用；(4) 本发明采用的催化剂为阳离子交换树脂，对设备腐蚀小、活性高、使用寿命长，且催化剂装填采用捆扎包形式，不易磨损和破碎，更换容易。

附图说明

图1为本发明的催化精馏生产乙缩醛的工艺流程图。

图2为本发明的催化剂结构单元主视图。

图3为本发明的催化剂结构单元俯视图。

图4为本发明的串联催化剂阳离子交换树脂小袋的示意图。

图5为本发明的不锈钢丝网结构示意图。

图中标号如下：T1–催化精馏塔，T2–乙醇回收塔，E01–预热器，E02–塔顶冷凝器，E04–冷凝器，E03–塔釜再沸器，E05–塔釜再沸器，P01–塔顶回流泵，P02–采出泵，P03–塔釜采出泵，S01–进料管，S02–进料管，S03–塔顶回流管，S04–塔顶产品采出管，S05–采出管，S06–回流管，S07–塔顶乙醇循环管，S08–塔釜采出管，S09–E01热物料出料管，1–不锈钢丝网，2–用于包裹催化剂的小袋，3–气相通道。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

原料乙醇经计量泵及预热器E01后经进料管S01从催化精馏塔T1下进料口进入，原料乙醛经计量泵后经进料管S02从催化精馏塔T1上进料口进入，原料乙醛和乙醇在催化精馏塔T1中部反应段的催化剂作用下发生缩醛反应并进行汽液传质，塔顶得到的乙缩醛和乙醇的混合蒸汽经塔顶冷凝器E02冷凝后，经塔顶回流泵P01分成两股，一股经塔顶回流管S03回流至催化精馏塔T1的顶部，另一股经塔顶产品采出管S04采出系统作为产品；反应产生的废水及少量的乙醇从塔釜经采出管S05经采出泵P02进入乙醇回收塔T2进行回收乙醇；乙醇回收塔T2塔顶得到乙醇和水的共沸物蒸汽经冷凝器E04冷凝后依靠重力，一部分经回流管S06回流至乙醇回收塔塔顶，另一部分经塔顶乙醇循环管S07返回催化精馏塔的乙醇入口循环套用，乙醇回收塔T2塔釜排出的废水经塔釜采出管S08后由塔釜采出泵P03进入乙醇进料预热器E01给乙醇原料预热后进入后续废水处理工段。

参考图1至图6，所述的催化精馏塔从上至下包括精馏段、反应段和提馏段，塔体材料为SUS304，精馏段、提馏段填充CY700规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为10~25块，反应段的理论板数为5~25块，提馏段的理论板数为10~20块，所述精馏段与反应段之间设有乙醛进料口，所述反应段和提馏段之间设有乙醇进料口，所述反应段填充阳离子交换树脂为催化剂，所述反应段内设有堆叠成一定高度的若干段催化剂结构单元，所述催化剂结构单元的直径与反应段的直径相当，所述催化剂结构单元由一层不锈钢丝网和一层串联连接的催化剂小袋经卷曲成捆状构成。

所述催化精馏塔的操作条件为：操作压力为常压，塔顶温度控制在75~80℃，反应段的温度控制在85~90℃，塔釜温度控制在95~100℃，乙醇和乙醛进料摩尔比为2.0~4.0:1，回流比为2~4，空速为0.20~0.45 m³/(m³催化剂??h)。

参考图2至图6，所述用于包裹催化剂的小袋采用绢丝布或尼龙布或涤纶布制成，所述小袋的尺寸为40~80mm×8~18mm，所述催化剂小袋内填充的阳离子交换树脂占小袋体积的0.6~0.8倍，所述不锈钢丝网为空隙大小为50~100目钼钛不锈钢丝网。

参考图1，所述乙醇回收塔为填料塔，由精馏段与提馏段构成，塔体材料为SUS304，塔内填充BX500规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为10～25，提馏段理论板数为10～20；操作压力为常压，回流比控制在2～6，塔顶温度控制在77~79℃，塔釜温度控制在99~101℃；所述乙醇回收塔塔顶得到乙醇和水的共沸物返回催化精馏塔乙醇进料口进行循环套用，塔釜排出废水。

催化剂结构单元的制作方法如下：用绢丝布或尼龙布或涤纶布缝制成40~80mm×8~18mm的小袋，袋中充入容量为0.6~0.8的阳离子交换树脂，将小袋与小袋串联缝制成一片具有波状的片袋；取大小与片袋适合的不锈钢丝网，将不锈钢丝网压成峰高为3~8mm，齿形角为45~60°波纹状的不锈钢丝网，将不锈钢丝网铺设与片袋下方，再把它们一起卷成一捆，所呈的圆柱体外径和反应段直径相当，不锈钢丝网中齿形波纹平行排列且与底边成45°倾斜度。反应段由若干催化剂结构单元通过垂直交错重叠放置构成反应区，使上下相邻的催化剂结构单元中的波纹不锈钢丝网的齿形波走向交错，以增加汽液流体的湍流程度，使汽液充分接触，增加传质效率，提高反应效果。

实施例1：

采用附图1所示的工艺流程，原料乙醇经预热器预热，流量1.3 L/h，温度60 ℃，原料乙醛溶液（40%wt）流量为0.8 L/h，温度为30℃，分别进入催化精馏塔反应段的下部和上部，乙醇和乙醛的摩尔比为2.8:1，在催化剂阳离子交换树脂的作用下两种原料在反应段发生缩醛反应，并进行汽液传质，实现连续催化精馏的过程。

催化精馏塔塔体材料为SUS304，精馏段、提馏段填充CY700规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为15块，反应段的理论板数为15块，提馏段的理论板数为12块。催化剂捆扎包为圆柱形结构单元由长宽尺寸为55×15毫米内填充阳离子交换树脂的小袋肩并肩连成波纹状体与同样大小的压成齿形角为60度的波纹状60目的不锈钢网叠在一起卷成一捆，不锈钢丝网上每条齿形波纹与丝网边形成45度的倾斜角。

催化精馏塔操作条件：塔顶压力0.1MPa，塔顶温度78.0℃，反应区温度上部温度89.5℃，下部温度94.5℃，塔釜温度99.4℃，回流比3.0，空塔速度为0.20 m³乙醇/(m³催化剂??h)。

乙醇回收塔塔体材料为SUS304，精馏段、提馏段填充BX500规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为15块，提馏段的理论板数为10块；操作条件：操作压力0.1MPa，塔顶温度78.5℃，塔底温度100℃，回流比2.5。

催化精馏塔塔顶产品乙缩醛、乙醇和水的质量分数分别为75.9%、24.0%、0.1%，塔釜的废水中乙醇、乙醛、水质量浓度分别为3.0%、0.1%、96.9%。乙醇回收塔塔顶乙醇和水的质量分数分别为95.2%、4.8%，塔釜的废水中未检测到乙醇。

乙醛转化率0.99，乙缩醛收率0.98。

实施例2：

采用附图1所示的工艺流程，原料乙醇经预热器预热，流量4.2 L/h，温度65 ℃，原料乙醛溶液（40%wt）流量为2.6 L/h，温度为30℃，分别进入催化精馏塔反应段的下部和上部，乙醇和乙醛的摩尔比为2.9:1，在催化剂阳离子交换树脂的作用下两种原料在反应段发生缩醛反应，并进行汽液传质，实现连续催化精馏的过程。

催化精馏塔塔体材料为SUS304，精馏段、提馏段填充CY700规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为10块，反应段的理论板数为12块，提馏段的理论板数为15块。催化剂捆扎包为圆柱形结构单元由长宽尺寸为65×12毫米内填充阳离子交换树脂的小袋肩并肩连成波纹状体与同样大小的压成齿形角为60度的波纹状80目的不锈钢网叠在一起卷成一捆，不锈钢丝网上每条齿形波纹与丝网边形成45度的倾斜角。

催化精馏塔操作条件：塔顶压力0.1MPa，塔顶温度78.5℃，反应区温度上部温度88.5℃，下部温度93.6℃，塔釜温度98.6℃，回流比3.5，空塔速度为0.27 m³乙醇/(m³催化剂??h)。

乙醇回收塔塔体材料为SUS304，精馏段、提馏段填充BX500规整丝网波纹填料，其中精馏段理论板数为15块，提馏段的理论板数为10块；操作条件：操作压力0.1MPa，塔顶温度78.8℃，塔底温度100℃，回流比4。

催化精馏塔塔顶产品乙缩醛、乙醇和水的质量分数分别为75.2%、24.7%、0.1%，塔釜的废水中乙醇、乙醛、水质量浓度分别为3.6%、0.1%、96.3%。乙醇回收塔塔顶乙醇和水的质量分数分别为95.5%、4.5%，塔釜的废水中未检测到乙醇。

乙醛转化率0.98，乙缩醛收率0.99。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种催化精馏生产乙缩醛的方法，其特征在于，使用了催化精馏塔和乙醇回收塔，该方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的催化精馏生产乙缩醛的方法，其特征在于：所述催化剂为阳离子交换树脂源。

3.一种催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述生产设备包括催化精馏塔和乙醇回收塔。

4.根据权利要求3所述催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述的催化精馏塔从上至下包括精馏段、反应段和提馏段，其中精馏段理论板数为10~25块，反应段的理论板数为5~25块，提馏段的理论板数为10~20块，所述精馏段与反应段之间设有乙醛进料口，所述反应段和提馏段之间设有乙醇进料口，所述反应段填充阳离子交换树脂催化剂，所述反应段内设有堆叠成一定高度的若干段催化剂结构单元，所述催化剂结构单元的直径与反应段的直径相当，所述催化剂结构单元由一层不锈钢丝网与一层串联连接的催化剂小袋经卷曲成捆状构成。

5.根据权利要求3所述催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述催化精馏塔的操作条件为：操作压力为常压，塔顶温度控制在75~80℃，反应段的温度控制在85~90℃，塔釜温度控制在95~100℃，乙醇和乙醛进料摩尔比为2.0~4.0:1，回流比为2~4，空速为0.20~0.45 m³/(m³催化剂??h)。

6.根据权利要求4所述催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述用于包裹催化剂的小袋采用绢丝布或尼龙布或涤纶布制成，所述小袋的尺寸为40~80mm×8~18mm，所述催化剂小袋内填充的阳离子交换树脂占小袋体积的0.6~0.8倍，所述不锈钢丝网为空隙大小为50~100目钼钛不锈钢丝网。

7.根据权利要求3所述催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述乙醇回收塔为板式塔或填料塔，由精馏段与提馏段构成，其中精馏段理论板数为10～25，提馏段理论板数为10～20；操作压力为常压，回流比控制在2～6，塔顶温度控制在77~79℃，塔釜温度控制在99~101℃；所述乙醇回收塔塔顶得到乙醇和水的共沸物返回催化精馏塔乙醇进料口进行循环套用，塔釜排出废水。

8.根据权利要求3所述催化精馏生产乙缩醛的生产设备，其特征在于：所述催化精馏塔的乙醇进料口连接有进料预热器，催化精馏塔塔釜出料口连接塔釜再沸器，催化精馏塔的塔顶蒸汽出料口连接塔顶冷凝器；所述乙醇回收塔的塔釜出料口连接塔釜再沸器，乙醇回收塔的塔顶共沸物蒸汽出料口连接塔顶冷凝器。