CN106010962A - 一种催化水合反应器及利用该反应器生产丙烯酰胺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种催化水合反应器及利用该反应器生产丙烯酰胺的方法，反应器包括缓冲反应釜、隔膜泵、加料分布器，缓冲反应釜内设有搅拌桨，缓冲反应釜内壁上设有降温盘管，缓冲反应釜顶部设有进料口，缓冲反应釜底部通过管道与隔膜泵连接，隔膜泵通过管道与加料分布器连接，加料分布器通过管道与缓冲反应釜的顶部连接，加料分布器与缓冲反应釜之间的管道内设有多个搅拌片，搅拌片上开设有多个锥形孔，缓冲反应釜及管道外壁均设有夹套降温装置。利用加料分布器、隔膜泵、管道降温、搅拌片的混合效果强化传质传热，提高反应效率，缩短反应时间，减少副产物的产生，提高收率，降低成本，提高丙烯酰胺的产品品质，工艺简单，传质传热效果增强。

Description

一种催化水合反应器及利用该反应器生产丙烯酰胺的方法

技术领域

本发明属于微生物法水合催化生产丙烯酰胺的技术领域，具体涉及一种催化水合反应器及利用该反应器生产丙烯酰胺的方法。

背景技术

丙烯酰胺(AM)是一种重要的化工中间体，由丙烯酰胺为单体的系列聚丙烯酰胺(PAM)产品近年来被广泛应用于石油、化工、冶金、造纸、纺织、水处理等工业部门，需求量逐年增加，是使用最为广泛的水溶性高分子聚合物产品。

一般丙烯酰胺是由丙烯腈(AN)水合催化反应得到的，生产方法主要有化学法和生物法两种。微生物法生产丙烯酰胺因为微生物的高选择性和高活性，具有非常大的优势，成为现在丙烯酰胺主要的生产方法。采用的是菌体细胞腈水合酶作为反应催化剂，反应速度非常快，在10^-3秒就完成，因此在短时间内迅速放出大量的热，由于细胞酶对温度敏感，传质和传热的效率显得尤为重要。

现阶段生产AM方法：利用发酵好的发酵液，经处理获得纯净的菌体细胞溶液。根据反应前菌体浓度或酶活要求，调制菌体溶液与去离子水比例，向反应体系中连续流加底物AN，底物AN与水在菌体细胞腈水合酶的生物催化作用下生成产物AM，同时放出一定热量，当产物AM浓度积累至要求浓度，经出料膜系统过滤形成粗AM储存于产品罐中，菌体细胞溶液进入下一循环反应过程。

在整个反应过程中要求体系温度控制到18℃-22℃之间，反应底物AN浓度不能超过0.1％。

目前微生物法生产丙烯酰胺存在两个主要的问题：第一，用腈水合酶进行催化水合反应最适宜温度在18-22℃之间，而丙烯腈水合反应放热量大，普遍使用的带搅拌的釜式反应器的传热效率较低，无法实现在短时间内迅速移走大量的热量，限制反应速度。第二，生产丙烯酰胺的两种原料丙烯腈和水分别是非极性溶剂和极性溶剂，互不相容，普通搅拌、流加AN的方式，传质效果差，造成局部AN含量高、温度高，而在腈水合反应过程中若局部腈浓度偏高会使腈水合酶中毒失活，温度高导致副产物AA产量增加，降低生产效率，增加生产成本。目前行业中普遍采用的带搅拌的釜式聚合，因为受以上传热、传质两个方面原因的限制，反应过程控制的较慢，降低了生产效率、增加副产物，降低AM的收率，增加成本，且由于长时间搅拌细胞破碎、蛋白溶解等问题的存在，降低了AM产品品质，给后续的聚合过程带来不利的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种催化水合反应器，并提供利用该反应器生产丙烯酰胺的方法，提高生物法生产丙烯酰胺生产过程的传质传热效率，提高反应速度，提高腈水合酶利用率，降低成本，减少杂质含量，提高丙烯酰胺品质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种催化水合反应器，包括缓冲反应釜、隔膜泵、加料分布器，所述缓冲反应釜内设有搅拌桨，缓冲反应釜内壁上设有降温盘管，缓冲反应釜顶部设有进料口，缓冲反应釜底部通过管道与隔膜泵连接，隔膜泵通过管道与加料分布器连接，加料分布器通过管道与缓冲反应釜的顶部连接，加料分布器与缓冲反应釜之间的管道内设有多个搅拌片，搅拌片上开设有多个锥形孔，所述缓冲反应釜及管道外壁均设有夹套降温装置。

具体地，所述多个搅拌片沿管道轴向均匀分布。

具体地，所述锥形孔上小下大，开孔方向不限定于垂直方向。

具体地，所述搅拌桨为双层三斜叶桨的搅拌桨。

利用上述催化水合反应器生产丙烯酰胺的方法包括以下步骤：

1)微生物细胞、脱盐水从进料口进入缓冲反应釜，通过开启降温盘管和夹套降温装置进行降温，搅拌桨搅拌混合；

2)温度合适后，开启隔膜泵开始循环，物料在经过加料分布器时，原材料丙烯腈从加料分布器的细孔中高速喷射，与物料混合前行；

3)经过搅拌片时，搅拌片上锥形孔相当于小的变径形成小的湍流相互混合，完成传质传热，水合反应完成，回到缓冲反应釜降温后进行下一个循环，直到丙烯酰胺浓度合格停止反应，准备出料。

本发明具有以下有益效果：本发明利用加料分布器、隔膜泵、管道降温、搅拌片的混合效果强化传质传热，提高反应效率，缩短反应时间，减少副产物的产生，提高收率，降低成本，提高丙烯酰胺的产品品质，工艺简单，传质传热效果明显增强。

附图说明

图1是本发明反应器的整体结构示意图。

图2是本发明搅拌片的结构示意图。

图3是本发明锥形孔结构示意图。

图中，1、搅拌桨，2、进料口，3、降温盘管，4、夹套降温装置，5、缓冲反应釜，6、隔膜泵，7、加料分布器，8、搅拌片，9、锥形孔。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1-3所示，一种催化水合反应器，包括缓冲反应釜5、隔膜泵6、加料分布器7，所述缓冲反应釜5内设有搅拌桨1，搅拌桨1为双层三斜叶桨的搅拌桨，缓冲反应釜5内壁上设有降温盘管3，缓冲反应釜5顶部设有进料口2，缓冲反应釜5底部通过管道与隔膜泵6连接，隔膜泵6可以减少泵体对细胞的破坏；隔膜泵6通过管道与加料分布器7连接，加料分布器7通过管道与缓冲反应釜5的顶部连接，加料分布器7与缓冲反应釜5之间的管道内设有多个搅拌片8，多个搅拌片8沿管道轴向均匀分布，搅拌片8上开设有多个锥形孔9，锥形孔9上小下大，开孔方向不限定于垂直方向，能改变流体传质，缓冲反应釜5及管道外壁均设有夹套降温装置4。

利用上述催化水合反应器生产丙烯酰胺的方法如下：

在缓冲反应釜5内按照比例投放处理过的微生物细胞、脱盐水，开启降温盘管3和夹套降温装置4进行降温，开启搅拌桨1搅拌混合；

缓冲反应釜5内温度在合适范围时，开启隔膜泵6开始循环，物料在经过加料分布器7时，原材料丙烯腈从加料分布器7的细孔中高速喷射，与物料混合前行；

经过搅拌片8时，搅拌片8上锥形孔9相当于小的变径形成小的湍流相互混合，实现高效传质传热过程，水合反应完成。回到缓冲反应釜5经搅拌混合均一，降温后进行下一个循环，直到体系内丙烯酰胺达到一定浓度后停止加料分布器7加料，准备出料。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种催化水合反应器，其特征在于，包括缓冲反应釜、隔膜泵、加料分布器，所述缓冲反应釜内设有搅拌桨，缓冲反应釜内壁上设有降温盘管，缓冲反应釜顶部设有进料口，缓冲反应釜底部通过管道与隔膜泵连接，隔膜泵通过管道与加料分布器连接，加料分布器通过管道与缓冲反应釜的顶部连接，加料分布器与缓冲反应釜之间的管道内设有多个搅拌片，搅拌片上开设有多个锥形孔，所述缓冲反应釜及管道外壁均设有夹套降温装置。

2.如权利要求1所述的催化水合反应器，其特征在于，所述多个搅拌片沿管道轴向均匀分布。

3.如权利要求1所述的催化水合反应器，其特征在于，所述锥形孔上小下大，开孔方向不限定于垂直方向。

4.如权利要求1所述的催化水合反应器，其特征在于，所述搅拌桨为双层三斜叶桨的搅拌桨。

5.利用权利要求1-4任一所述的催化水合反应器生产丙烯酰胺的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)微生物细胞、脱盐水从进料口进入缓冲反应釜，通过开启降温盘管和夹套降温装置进行降温，搅拌桨搅拌混合；

2)温度合适后，开启隔膜泵开始循环，物料在经过加料分布器时，原材料AN从加料分布器的细孔中高速喷射，与物料混合前行；

3)经过搅拌片时，搅拌片上锥形孔相当于小的变径形成小的湍流相互混合，完成传质传热，水合反应完成，回到缓冲反应釜降温后进行下一个循环，直到丙烯酰胺浓度合格停止反应，准备出料。