CN110787741A - 用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，在筒体的下端设置有石墨管板，石墨管板的下端设置有下钢制壳体，下钢制壳体内设置有下石墨壳体，下钢制壳体的下端设置有出料口，筒体周向上设置有排净口、导热油出口、导热油排气口、第二温度计组件、气体排进口，第二温度计组件伸入孔式石墨换热块内，筒体内部设置有至少1个孔式石墨换热块，筒体上端设置有上钢制壳体，上钢制壳体内部设置有上石墨壳体，上钢制壳体的上端设置有气体排出口，上钢制壳体上设置有与上石墨壳体内部相连通的进料口、带颈视镜，上钢制壳体上设置有伸入上石墨壳体内部的第一温度计组件，本发明通过改变加热装置方式、调整进料流速实现装置运转正常且能够增加产能。

Description

用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器

技术领域

本发明属于氟碳咪唑啉季铵盐的制备装置或设备技术领域，具体涉及到一种用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器。

背景技术

氟碳咪唑啉季铵盐属于氟碳表面活性剂中一类，具有超强的表面活性、缓蚀、杀菌、耐强酸强碱性，以此为主剂复配的中和缓蚀剂和高温酸化缓蚀剂，已经成功在相关领域得到应用，性能非常优异，取得了良好经济、社会、环境效益。尤其是研制的油井缓蚀剂已在青化砭采油厂进行了现场应用试验，缓蚀率均大于97％，远优于国内同类产品，可大大延长采油设备使用寿命。但在制备该化合物时，采用以前单釜溶剂法均相催化反应工艺产物，收率最高为83.4％,单釜产能只有现在的67％。目前，利用实验室固定床催化模拟制备氟碳咪唑啉季铵盐的装置，与原先的单釜溶剂法均相催化缩合法相比较，具有工艺简洁、易控制、条件温和、收率高、选择性好、环境友好等特点。在最初建立的常用管式炉固定床反应器实验室模拟装置进行合成实验过程中，发现刚建成的固定床反应实验室模拟装置的反应温度不可人为控制，总是出现“温度飞升现象”，导致物料溢出，催化剂结焦，试验失败。按照项目设计要求，固定床反应器内物料反应温度升温必须可控，每小时升温10℃，反应温度控制在120-150℃。但实际上最初的管式炉固定床反应器反应温度由120℃在 2min内迅速升高到190℃左右，导致反应器内物料爆沸，冲出反应器，反应失败。因此项目组对合成机理、装置各部件、操作运行过程等凡是与产生反应温度飞升现象有关所有因素都进行了调查、梳理，收集了相关数据，并对数据进行统计、归类和分析，发现主要原因是由于固定床管式反应器是用管式加热炉加热，温度滞后，达到反应温度后，装置没有移除多余热量的设施，无法散热，所以造成温度短时间内快速上升，导致爆沸，反应失败。另外，氟碳咪唑啉季铵盐合成过程中所用原料和产物中含有很强腐蚀性介质，如全氟辛酸、氟化氢等，对金属设备有较强的腐蚀性,因此，急需设计一种适合氟碳咪唑啉季铵盐催化合成的反应温度可人为控制的新型固定床催化反应器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单，通过改变加热装置方式、调整进料流速实现装置运转正常且能够增加产能的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在筒体的下端通过第三设备法兰设置有石墨管板，筒体与石墨管板之间设置有第二垫片，石墨管板的下端通过第二设备法兰设置有下钢制壳体，石墨管板与下钢制壳体之间设置有第一垫片，下钢制壳体内设置有下石墨壳体，下钢制壳体的下端设置有出料口，出料口接管上设置有第一设备法兰，筒体周向上设置有排净口、导热油出口、导热油排气口、第二温度计组件、气体排进口，第二温度计组件伸入孔式石墨换热块内，筒体周向上对称设置有耳式支座，筒体内部设置有至少1个孔式石墨换热块，相邻的孔式石墨换热块之间设置有第三垫片，筒体上端通过第四设备法兰、O型密封圈、第五设备法兰设置有上钢制壳体，上钢制壳体内部设置有上石墨壳体，上钢制壳体的上端设置有气体排出口，气体排出口接管上设置有第六设备法兰，上钢制壳体上设置有与上石墨壳体内部相连通的进料口、带颈视镜，上钢制壳体上设置有伸入上石墨壳体内部的第一温度计组件。

本发明的筒体内部设置有3个孔式石墨换热块。

本发明的筒体与孔式石墨换热块之间周向设置有至少1个折流环，相邻折流环交错设置，筒体与孔式石墨换热块之间轴向设置有至少2个折流板。

本发明的孔式石墨换热块为圆柱形结构，孔式石墨换热块轴向上加工有若干物料流通孔、周向上加工有若干导热油流通孔，物料流通孔和导热油流通孔相互不连通。

本发明的石墨管板为下端收敛的圆柱形结构，石墨管板上加工有若干与孔式石墨换热块上物料流通孔相适应的通孔。

本发明的第一垫片上加工有若干与孔式石墨换热块上物料流通孔相适应的通孔。

本发明的下石墨壳体为中空圆柱形收敛结构，下石墨壳体上端加工有与孔式石墨换热块上物料流通孔相适应的通孔。

本发明的上石墨壳体为中空圆柱形收敛结构，上石墨壳体下端加工有与孔式石墨换热块上物料流通孔相适应的通孔。

本发明的第一温度计组件的中心线与上石墨壳体的中心线的夹角为60°。

本发明的第二温度计组件的中心线与筒体的中心线的夹角为45°。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、本发明通过采用在筒体内设置孔式石墨换热块，孔式石墨换热块内通入导热油进行加热的方法替代传统的固定床管式反应器用加热炉加热的方法，导热油采用外加热和外加冷却器，可快速升温至所需温度，同时当物料温度超出反应标准温度时，可开启冷却器给导热油降温，将装置内多余热量进行移出，更好的散热，避免造成温度短时间内快速上升，导致爆沸。

2、本发明的反应器，可在不使用芳烃、氟代烃等环境非友好溶剂的条件下完成含氟羧酸与多烯多胺的成环反应，反应过程易控制，解决了均相反应催化剂不宜分离和单釜溢锅的问题，缩短反应时间，产物含量比原先溶剂法单釜均相催化反应合成工艺大幅提高。

3、本发明采用石墨材质替代钢制材料，石墨的导热系数高，可使反应物料在较短的时间内升温，所有反应均在石墨壳体内进行，避免了使用过程中反应物中腐蚀介质对钢材的严重腐蚀情况，使整个反应顺利进行。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1中下石墨壳体3的结构示意图。

图4是图1中石墨管板6的结构示意图。

图5是图1中上石墨壳体23的结构示意图。

图6是图1中折流环15的结构示意图。

图7是图1中第一垫片5的结构示意图。

图8是原单釜溶剂均相催化反应器三次平行实验温度控制曲线图。

图9是本发明固定床催化反应器三次平行实验温度控制曲线图。

图中：1、出料口；2、第一设备法兰；3、下石墨壳体；4、下钢制壳体；5、第一垫片；6、石墨管板；7、第二设备法兰；8、第二垫片；9、第三设备法兰；10、排净口；11、孔式石墨换热块；12、筒体；13、第三垫片；14、折流板；15、折流环；16、耳式支座；17、导热油出口；18、第四设备法兰；19、O型密封圈；20、第五设备法兰；21、上钢制壳体；22、进料口；23、上石墨壳体；24、带颈视镜； 25、水蒸汽排出口；26、第六设备法兰；27、第一温度计组件；28、导热油排气口； 29、第二温度计组件；30、导热油进口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1～7中，本发明公开一种用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器,在筒体12的下端通过第三设备法兰9安装有石墨管板6，筒体12与石墨管板6之间设置有第二垫片8，本实施例的石墨管板6为下端收敛的圆柱形结构，石墨管板6 上加工有若干与孔式石墨换热块13上物料流通孔相适应的通孔，第二垫片8上加工有与孔式石墨换热块13上物料流通孔相适应的通孔。石墨管板6与下钢制壳体4 之间安装有第一垫片5，第一垫片5上加工有若干与孔式石墨换热块13上物料流通孔相适应的通孔。石墨管板6的下端通过第二设备法兰7安装有下钢制壳体4，下钢制壳体4内设置有下石墨壳体3，下石墨壳体3为中空圆柱形收敛结构，下石墨壳体3上端加工有与孔式石墨换热块13上物料流通孔相适应的通孔，下钢制壳体4 的下端加工有出料口1，反应后的物料由出料口1排出，出料口1接管上安装有第一设备法兰2，筒体12周向上安装有排净口10、导热油出口17、导热油排气口28，、第二温度计组件29、导热油进口30，排净口10更换导热油时用于排净旧导热油，加装新油，平时用常闭阀门封堵，导热油由导热油进口30进入筒体12内，并在筒体12与孔式石墨换热块13内流动，最后经由导热油出口17流出，加装导热油时的导热油排气口28外接膨胀箱，导热油升温时会膨胀，导致液位上升，第二温度计组件29伸入孔式石墨换热块13内，第二温度计组件29的中心线与筒体12的中心线的夹角为45°，第二温度计组件29测量导热油温度，筒体12周向上对称设置有耳式支座16，耳式支座16为本装置提供支撑。

筒体12内部安装有至少1个孔式石墨换热块13，进一步地，的筒体12内部设置有3个孔式石墨换热块13。本实施例的孔式石墨换热块13为圆柱形结构，孔式石墨换热块13轴向上加工有若干物料流通孔、周向上加工有若干导热油流通孔，物料流通孔和导热油流通孔相互不连通，物料流通孔内装填一定高度的催化剂，物料由上向下流经催化剂床层发生催化反应，导热油流通孔作为导热油通道，反应时通入导热油对孔式石墨换热块13进行加热或者冷却。相邻的孔式石墨换热块13之间安装有第三垫片13，第三垫片13为环形垫片，所述的筒体12与孔式石墨换热块 13之间周向设置有至少1个折流环15，折流环15为半圆环结构，相邻折流环15 交错设置，折流环15的作用是分流导热油和为孔式石墨换热块13提供支撑，交错设置的目的是改变导热油流通通道，使其均匀分布于个换热孔道。筒体12与孔式石墨换热块13之间轴向设置有至少2个折流板14，折流板14为矩形板结构，折流板14的作用是分流导热油和为孔式石墨换热块13提供支撑。

筒体12上端通过第四设备法兰18、O型密封圈19、第五设备法兰20安装有上钢制壳体21，上钢制壳体21内部设置有上石墨壳体23，本实施例的上石墨壳体23 为中空圆柱形收敛结构，上石墨壳体23下端加工有与孔式石墨换热块13上物料流通孔相适应的通孔。上钢制壳体21的上端设置有水蒸气排出口25，水蒸气排出口 25作用是将反应产生的水蒸气通过水蒸气排出口25负压排出，再经过外部冷凝器冷凝移出，加快反应速度，气体排出口25接管上设置有第六设备法兰26，上钢制壳体21上安装有与上石墨壳体23内部相连通的进料口22、带颈视镜24，带颈视镜24可以直观观察上石墨壳体1内部的反应情况，上钢制壳体21上安装有伸入上石墨壳体23内部的第一温度计组件27，所述的第一温度计组件27的中心线与上石墨壳体27的中心线的夹角为60°，第一温度计组件27的作用是测试反应物温度。

本发明的工作原理如下：

反应物料在预热反应釜内预热到一定温度后，经由物料泵从反应器进料口22 泵入，经由装填一定高度催化剂的孔式石墨换热块13的物料流通孔流下，物料由上向下流经催化剂床层发生催化反应，反应后物料由下出料口1流出，泵送至烷基化反应釜。反应过程有水产生，并以蒸汽形式上升到水蒸气排出口25负压排出，再经过外部冷凝器冷凝移出，加快反应速度。导热油流通孔是导热油通道，新导热油由排净口10泵入，液位逐步上升，空气由上导热油排气口28(连接有膨胀罐和大气相通)排出，确保导热油充满后，关掉阀门。反应加热时，由外部热油箱将一定温度的导热油经由导热油进口30泵入，经过周向导热油孔道给反应物料加热，换热后导热油经由导热油出口17流出反应器。当物料温度超过所需反应温度，通过连锁装置连接的外部导热油冷却器给导热油降温，移出多余热量，使得导热油的进出口温度稳定，已达到反应温度稳定，克服原“温度飞升”现象。

利用本发明的装置进行氟碳咪唑啉合成，反应装置调试正常后，采集设计工艺数据，例如原料比，预热温度，反应物密度，不同温度下的反应物粘度(见表1)，进料泵流速，催化剂填充量，催化剂载体物化指标(见表2)，催化剂寿命，催化剂再生工艺，管式反应器的反应温度，反应液容积率，反应时间，反应停留时间，出料泵流速，导热油温度，导热油循环泵流速，物料的物理指标测试等。用失重法对氟碳咪唑啉合成的工艺过程物料的腐蚀情况做了测试试验(见表3)，氟碳咪唑啉合成过程对316L钢材的腐蚀为严重腐蚀，因此无法使用金属管线。

进料比：全氟辛酸/二乙烯三胺为1：1.02

反应物相对密度90℃：1.516

催化剂用量：反应液的质量比2％

催化剂寿命:重复使用3批次

反应器控制温度，120～150℃之间

进料泵开始流速，300ml/min

出料泵开始流速，290ml/min

反应物预热温度，120℃，1h

反应液容积率：80％

反应升温，10℃/h

反应物停留时间，5min

反应时间：3h

负压抽除生成水压力：-0.02Mpa

导热油温度，120～155℃

油泵流速，160ml/min

保温电加热，2000W/220v

表1.反应物料在不同温度下的运动粘度

温度(℃)	120	110	100	90	80	70	60
								运动粘度(mpa.s)	56	58	62	75	101	152	230

表2.催化剂载体物化指标

表3.失重法管材腐蚀数据

以上述工艺参数和所建合成装置进行氟碳咪唑啉季铵盐合成反应，进行三批次试车，每批加入原料二乙烯三胺92kg、全氟辛酸370kg、氯化苄127kg，产品氟碳咪唑啉季铵盐565kg，同时产生废水24kg。流速、反应温度控制可实现平稳的程序控制(见图9所示)，压力控制正常，反应时间可以达到预期值，得到的产物含量平均为98.12％，收率平均为95.67％，达到制备出合格产品的预期目标。在反应温度控制方面，原单釜溶剂均相催化反应器在短短2min之内温度由原来的120℃就升到190℃以上，导致反应失败(见附图8所示)。本发明公开的固定床催化反应器，很好解决了温度控制问题。在接触反应物料材质上选用石墨材质，解决了物料对设备的腐蚀问题，使得装置安全平稳运行。催化剂可分离再生，合成产物含量高，产能也大幅提高。

Claims (10)

1.一种用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器,其特征在于：在筒体(12)的下端通过第三设备法兰(9)设置有石墨管板(6)，筒体(12)与石墨管板(6)之间设置有第二垫片(8)，石墨管板(6)的下端通过第二设备法兰(7)设置有下钢制壳体(4)，石墨管板(6)与下钢制壳体(4)之间设置有第一垫片(5)，下钢制壳体(4)内设置有下石墨壳体(3)，下钢制壳体(4)的下端设置有出料口(1)，出料口(1)接管上设置有第一设备法兰(2)，筒体(12)周向上设置有排净口(10)、导热油出口(17)、导热油排气口(28)、第二温度计组件(29)、气体排进口(30)，第二温度计组件(29)伸入孔式石墨换热块(13)内，筒体(12)周向上对称设置有耳式支座(16)，筒体(12)内部设置有至少1个孔式石墨换热块(13)，相邻的孔式石墨换热块(13)之间设置有第三垫片(13)，筒体(12)上端通过第四设备法兰(18)、O型密封圈(19)、第五设备法兰(20)设置有上钢制壳体(21)，上钢制壳体(21)内部设置有上石墨壳体(23)，上钢制壳体(21)的上端设置有气体排出口(25)，气体排出口(25)接管上设置有第六设备法兰(26)，上钢制壳体(21)上设置有与上石墨壳体(23)内部相连通的进料口(22)、带颈视镜(24)，上钢制壳体(21)上设置有伸入上石墨壳体(23)内部的第一温度计组件(27)。

2.根据权利要求1所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的筒体(12)内部设置有3个孔式石墨换热块(13)。

3.根据权利要求1所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的筒体(12)与孔式石墨换热块(13)之间周向设置有至少1个折流环(15)，相邻折流环(15)交错设置，筒体(12)与孔式石墨换热块(13)之间轴向设置有至少2个折流板(14)。

4.根据权利要求1所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的孔式石墨换热块(13)为圆柱形结构，孔式石墨换热块(13)轴向上加工有若干物料流通孔、周向上加工有若干导热油流通孔，物料流通孔和导热油流通孔相互不连通。

5.根据权利要求4所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的石墨管板(6)为下端收敛的圆柱形结构，石墨管板(6)上加工有若干与孔式石墨换热块(13)上物料流通孔相适应的通孔。

6.根据权利要求4所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的第一垫片(5)上加工有若干与孔式石墨换热块(13)上物料流通孔相适应的通孔。

7.根据权利要求4所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的下石墨壳体(3)为中空圆柱形收敛结构，下石墨壳体(3)上端加工有与孔式石墨换热块(13)上物料流通孔相适应的通孔。

8.根据权利要求4所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的上石墨壳体(23)为中空圆柱形收敛结构，上石墨壳体(23)下端加工有与孔式石墨换热块(13)上物料流通孔相适应的通孔。

9.根据权利要求1所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的第一温度计组件(27)的中心线与上石墨壳体(27)的中心线的夹角为60°。

10.根据权利要求1所述的用于制备氟碳咪唑啉季铵盐的固定床反应器，其特征在于：所述的第二温度计组件(29)的中心线与筒体(12)的中心线的夹角为45°。

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