CN111569789A - 一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统及方法，包括肟化反应器、反应清液缓冲罐、尾气吸收塔和微界面发生器，其中，肟化反应器包括进料口、出料口、尾气出口，外部设置有外循环换热装置，微界面发生器与进料口连接，用于分散破碎氨气成直径为微米级别的微气泡；出料口与所述反应清液缓冲罐连接；尾气出口与所述尾气吸收塔连接，尾气吸收塔塔底还设置有吸收液出口，吸收液出口连接所述微界面发生器以用于吸收液重新回到肟化反应器中利用。本发明一方面有效的抑制了副反应的发生，充分提高了肟化反应效率，降低了企业生产成本；另一方面降低了反应温度以及压力，减少了环己酮和环己酮肟的分解产物，提高了最终产物己内酰胺的产量和质量。
Description
技术领域
本发明属于强化反应技术领域，具体涉及一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统及方法。
背景技术
环己酮肟是生产己内酰胺的重要中间产物，其质量的优劣对己内酰胺成品的质量起着决定性作用，目前制备环己酮肟的工艺主要采用环己酮、氨和双氧水在低压条件下，叔丁醇为溶剂，采用钛硅分子筛催化剂，在反应器内一步合成环己酮肟，其反应式为：NH3+H2O2+C6H10O＝C6H11ON+2H2O，环己酮氨肟化法制备环己酮肟方法简单、不副产硫铵、无环保难题，因此近年来颇受己内酰胺行业的青睐，但是从近年的生产中不难发现环己酮氨肟化反应也存在以下问题：一方面，现有肟化反应器的气液相传质面积有限，反应过程中，反应混合原料和氨气无法得到充分混合，造成环己酮转化不完全，肟化转化率低下，加大了副反应的发生；另一方面，氨肟化反应是强放热反应(301KJ/mol)，温度太高，增加了环己酮、环己酮肟的分解产物，这些产物在后工序中不易被除去，影响了最终产物已内酰胺的产量和质量。
因此，如何在现有的技术和设备条件下，充分提高肟化反应效率，抑制副反应的发生，降低生产成本，变得十分迫切和必要。
发明内容
鉴于此，本发明的第一目的在于提供一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统，该环己酮氨肟化反应系统通过在肟化反应器之前设置微界面发生器，通过设置微界面发生器，一方面可以增加氨气和液相物料之间的相界面积，使得氨气和液相物料在进入反应器之前充分破碎混合，传质空间充分满足，增加了氨气在液相中的停留时间，从而大幅提高肟化反应效率、有效抑制副反应、显著降低反应过程的能耗；另一方面降低了反应温度以及压力，减少了环己酮和环己酮肟的分解产物，提高了最终产物己内酰胺的产量和质量，而且减少了能耗，提高了系统安全性。
本发明的第二目的在于提供一种采用上述微界面强化环己酮氨肟化反应系统进行肟化反应的方法，该方法的操作条件更加温和，在保证反应效率的同时降低了肟化反应的温度和压力，而且安全性能高、能耗低，达到了比现有工艺更佳的反应效果。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，包括肟化反应器、反应清液缓冲罐、尾气吸收塔和微界面发生器，其中，
所述肟化反应器包括进料口、出料口、尾气出口，所述肟化反应器外部设置有外循环换热装置，所述外循环换热装置的一端与所述肟化反应器的底部连接，另一端与所述微界面发生器连接；所述微界面发生器与所述进料口连接，用于分散破碎氨气成直径为微米级别的微气泡；所述出料口与所述反应清液缓冲罐连接；所述尾气出口与所述尾气吸收塔连接，所述尾气吸收塔塔底还设置有吸收液出口，所述吸收液出口连接所述微界面发生器以用于吸收液重新回到肟化反应器中利用。
现有技术中，环己酮氨肟化反应存在以下问题：一方面，现有肟化反应器的气液相传质面积有限，反应过程中，反应混合原料和氨气无法得到充分混合，造成环己酮转化不完全，肟化转化率低下，加大了副反应的发生；另一方面，氨肟化反应是强放热反应(301KJ/mol)，温度太高，增加了环己酮、环己酮肟的分解产物，这些产物在后工序中不易被除去，影响了最终产物已内酰胺的产量和质量。本发明的微界面强化环己酮氨肟化反应系统通过在肟化反应器之前设置微界面发生器，一方面可以增加氨气和液相物料之间的相界面积，使得氨气和液相物料在进入反应器之前充分破碎混合，传质空间充分满足，增加了氨气在液相中的停留时间，从而大幅提高肟化反应效率、有效抑制副反应、显著降低反应过程的能耗；另一方面降低了反应温度以及压力，减少了环己酮和环己酮肟的分解产物，提高了最终产物己内酰胺的产量和质量，而且减少了能耗，提高了系统安全性。
进一步的，所述微界面发生器为气动式微界面发生器、液动式微界面发生器或气液联动式微界面发生器中的一种或多种。其中，气动式微界面发生器采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式微界面发生器采用液体驱动，输入气量一般小于液体量；气液联动式微界面发生器采用气体和液体共同驱动。
作为优选，本发明中所述的微界面发生器为气动式微界面发生器，氨气通入气动式微界面发生器的内部分散破碎成微米级别的微气泡，有效的增大了氨气与液相物料之间的传质面积，降低传质阻力，提高反应效率。
进一步的，所述微米级别的范围为大于等于1μm、且小于1mm，氨气在进入肟化反应器前先进入微界面发生器中，破碎形成直径大于等于1μm、小于1mm的微气泡以提高气液两相之间的传质面积以形成微界面。
进一步的，所述微界面发生器包括有外壳、气相入口、液相入口和乳化液出口，所述外壳可以是鼓形状、球状或球状；所述气相入口位于所述外壳上方的中心位置，所述液相入口位于所述外壳周围，气体经过分散破碎后与液体充分乳化形成乳化液，所述乳化液出口位于所述外壳下方的中心位置；所述乳化液出口通过焊接、螺纹或者法兰形式与所述肟化反应器的进料口连接。
进一步的，所述微界面发生器的设置方式不限、设置位置不限，数量不限；此外，更优选的，所述微界面发生器的设置数量为一个以上，可通过串联或者并联的方式设置多个微界面发生器，所述多个微界面发生器均可设置在所述肟化反应器之前。
进一步的，所述尾气吸收塔包括塔身以及塔釜，所述塔身填充有填料，所述塔釜的直径大于所述塔身的直径，所述塔釜的高度低于所述塔身的高度。为了使气液相更充分接触，热量分布更均匀，所以在塔身填充有填料，填料材质可选耐腐蚀不锈钢或聚四氟乙烯，填料类型可以是阶梯环、鲍尔环、柱环、不锈钢金属丝网等；所述塔釜的直径要大于塔身的直径，因为塔釜内部空间大，更有利用气体的扩散，塔身空间小，也更有利于气体集中吸附；所述塔釜的高度要低于塔身的高度，塔釜高度越低，物料在釜内的停留时间越短，这样可以防止物料结焦。
进一步的，所述外循环装置包括循环管道，所述循环管道上布设有全自动调节冷凝器和循环泵。氨肟化反应为强放热反应，正常肟化反应不需任何外加热量，反应热能维持连续反应过程中需要的热量，多余的热能造成反应器内部物料升温，通过设置循环管道来控制反应过程中的温度，循环管道上通过设置全自动调节冷凝器可以使循环物料迅速自动降温，所述全自动调节冷凝器内部设有控制模块和温度模块，温度模块可以随时监控循环物料的温度，控制模块根据温度模块反馈的信号发出指令来实现全自动调节，另外，循环管道上还设置有循环泵，循环泵可以是立式或者卧式，泵体个数不限，可以一个或者多个串联或并联安装来增加循环动力。
进一步的，所述肟化反应器内部设置有金属膜过滤器以用于分离催化剂，所述金属膜过滤器的材质为304不锈钢，在肟化反应器内以双层或单层膜堆方式布置，每层有1～10组膜堆均匀分布在反应器同一平面内，金属膜过滤器中金属膜的过滤精度为0.05～5μm，相比其他膜过滤器，内置金属膜过滤器，提高了催化反应与分离的效率，同时避免了催化剂的泄露，增加了系统安全性；优选地，金属膜过滤器还可设计反清洗装置，通过对过滤器进行吹扫，清洗口进行膜清理，可重复使用，延长过滤器的使用寿命。
进一步的，所述肟化反应器内部设置有双盘管换热器，所述双盘管换热器包括冷却盘管以及蒸汽加热盘管，所述冷却盘管位于所述蒸汽加热盘管的上部，相比其他换热器而言，双盘管换热器在肟化反应器内部可承受的压力更高、散热面积更大、冷却效果更好。
进一步的，所述反应清液缓冲罐与所述出料口之间的连接管道上设置有外过滤装置，以防止内置金属膜过滤器发生破损后催化剂进入后续工序中。
进一步的，所述尾气吸收塔和所述尾气出口之间的连接管线上设置有排放气冷却器，可对不凝气体进行冷却，提高了现场尾气回收的利用率，节省了能源。
进一步的，所述反应清液缓冲罐为气囊式缓冲罐，气囊式缓冲罐内部有一个整体的气囊，在工作时清液只进入气囊内，不与反应器内部壳体接触，防止了整个肟化反应器发生生锈。
进一步的，所述肟化反应器为涡轮搅拌釜式反应器，涡轮搅拌的速度大，当能量消耗不大时，搅拌效率高，能产生强的径向流，使反应器内的反应物料分散均匀，不会气体跑空现象。
除此之外，本发明还提供了一种肟化反应方法，包括如下步骤：
氨气在通入肟化反应器之前先进入微界面发生器内进行分散破碎成微气泡；
液相物料进入微界面发生器内与分散破碎后的微气泡进行充分乳化，随后通过进料口进入肟化反应器中进行肟化反应；
反应过程中，未反应完全的氨、醇等气体从尾气出口进入尾气吸收塔中进行回收利用，反应产物以清液方式通过出料口进入到反应清液缓冲罐中等待后续处理。
进一步的，所述肟化反应器内的温度为81-83℃，压力为0.15-0.2MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过在肟化反应器之前设置了微界面发生器后，一方面可以增加氨气和液相物料之间的相界面积，使得氨气和液相物料在进入反应器之前充分破碎混合，传质空间充分满足，增加了氨气在液相中的停留时间，从而大幅提高肟化反应效率、有效抑制副反应、显著降低反应过程的能耗；另一方面操作条件更加温和，在保证反应效率的同时降低了肟化反应的温度和压力，减少了环己酮和环己酮肟的分解产物，提高了最终产物己内酰胺的产量和质量，而且减少了能耗，提高了系统安全性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的微界面强化环己酮氨肟化反应系统的结构示意图。
附图说明：
10-肟化反应器； 11-进料口；
12-出料口； 13-尾气出口；
20-反应清液缓冲罐； 30-尾气吸收塔；
31-吸收液出口； 40-微界面发生器；
50-外过滤装置； 60-排放气冷却器；
70-全自动调节冷凝器； 80-循环泵。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例
参阅图1所示，为本发明实施例的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，包括肟化反应器10、反应清液缓冲罐20、尾气吸收塔30和微界面发生器40，其中，肟化反应器10包括进料口11、出料口12、尾气出口13，肟化反应器10外部设置有外循环换热装置，外循环换热装置的一端与所述肟化反应器10的底部连接，另一端与微界面发生器40连接，微界面发生器40与进料口11连接，用于分散破碎氨气成直径为微米级别的微气泡；出料口12与反应清液缓冲罐20连接，尾气出口13与尾气吸收塔30连接，尾气吸收塔30塔底还设置有吸收液出口31，吸收液出口31连接微界面发生器40以用于吸收液重新回到肟化反应器中利用。
具体而言，氨气在通入肟化反应器10之前先进入微界面发生器40中，分散破碎成大于等于1μm、且小于1mm的微气泡，同时，液相物料进入微界面发生器40中，分散破碎后的微气泡与液相物料在微界面发生器40中充分乳化后进入肟化反应器10中再进行肟化反应，这样有效地增大了氨气与液相物料之间的传质面积，减小液膜厚度，降低传质阻力，进而有效地降低了能耗、提升了反应效率。可以理解的是，微界面发生器40的并不局限于个数，为了增加分散、传质效果，也可以多增设额外的微界面发生器，多个微界面发生器可以通过串联或并联的方式设置在肟化反应器10之前，本实施例中，微界面发生器40为气动式微界面发生器。
肟化反应器10中的的反应物料经内置金属膜过滤器过滤后，实现催化剂与反应产物的分离，作为优选，肟化反应器10还可设置有催化剂卸料槽，用于回收失活催化剂。反应产物以清液方式通过出料口12进入到反应清液缓冲罐20中等待后续处理，作为优选，反应清液缓冲罐20为气囊式缓冲罐，相比其他缓冲罐，其内部有一个整体的气囊，在工作时清液只进入气囊内，不与反应器内部壳体接触，防止了整个肟化反应器生锈。
本实施例中，在反应清液缓冲罐20与出料口12之间的连接管道上还设置有外过滤装置50，以防止反应器内置金属膜过滤器发生破损后催化剂进入后续工序中。反应过程中，未反应完全的氨、醇等气体从尾气出口13先经排放气冷却器60冷却后进入尾气吸收塔30中进行回收利用，尾气吸收塔30利用脱盐水将其中的氨和醇吸收下来成为吸收液，吸收液从吸收液出口31出来后通过泵打入到微界面发生器40中进行重复回收利用。具体而言，尾气吸收塔30包括塔身以及塔釜，塔身填充有填料，塔釜的直径大于所述塔身的直径，塔釜的高度低于所述塔身的高度，因为塔釜内部空间大，更有利用气体的扩散，塔身空间小，也更有利于气体集中吸附；塔釜高度越低，物料在釜内的停留时间越短，这样可以防止物料结焦。
此外，氨肟化反应为强放热反应，正常肟化反应不需任何外加热量，反应热能维持连续反应过程中需要的热量，多余的热能造成反应器内部物料升温，通过设置外循环装置来控制反应过程中的温度，外循环装置包括循环管道，循环管道上布设有全自动调节冷凝器70，全自动调节冷凝器70可以使循环物料迅速自动降温，全自动调节冷凝器70内部设有控制模块和温度模块，温度模块可以随时监控循环物料的温度，控制模块根据温度模块反馈的信号发出指令来实现全自动调节；另外，循环管道上设置有循环泵80，本实施例中，循环泵80可以是立式或者卧式，泵体个数不限，可以一个或者多个串联或并联安装来增加循环动力。
可以理解的是，肟化反应器作为肟化反应的主要发生场所，其整体为一壳体构造，具体可以为：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器以及流化床反应器，只要能够作为肟化反应的反应腔室，确保肟化反应能够充分进行反应即可，本实施例中，肟化反应器10为涡轮搅拌釜式反应器，相比其他反应器，搅拌速度大，反应物料分散均匀。作为优选，肟化反应器10内部还设置有双盘管换热器，双盘管换热器包括冷却盘管以及蒸汽加热盘管，冷却盘管位于蒸汽加热盘管的上部。
以下简要说明本发明微界面强化环己酮氨肟化反应系统的工作过程和原理。
氨气在通入肟化反应器10之前先进入微界面发生器40内进行分散破碎成微米级别的微气泡，同时，液相混合原料(包括双氧水、环己酮、循环叔丁醇和循环物料等)进入微界面发生器40内，分散破碎后的微气泡与液相混合原料充分进行乳化，有效地增大了气液两相的传质面积，降低了传质阻力。
随着，充分乳化后的乳化液通过进料口11进入肟化反应器10内部，在催化剂的作用下进行肟化反应，肟化反应器内的温度为81-83℃，压力为0.15-0.2MPa。其中，氨肟化反应为强放热反应，通过外循环管道上布设的全自动调节冷凝器70使循环物料迅速自动降温，从而降低了反应器内部的温度。
反应过程中，有未反应完全的氨、醇等气体从尾气出口13经过排放气冷却器60冷却后进入尾气吸收塔30中，尾气吸收塔30利用脱盐水将其中的氨和醇吸收下来成为吸收液，吸收液从吸收液出口31出来后通过泵打入到微界面发生器40中进行重复回收利用。肟化反应产物以清液方式通过出料口12进入到反应清液缓冲罐20中等待后续处理。
以上各个工艺步骤循环往复，以使整个处理系统平稳的运行。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，包括肟化反应器、反应清液缓冲罐、尾气吸收塔和微界面发生器，其中，
所述肟化反应器包括进料口、出料口、尾气出口，所述肟化反应器外部设置有外循环换热装置，所述外循环换热装置的一端与所述肟化反应器的底部连接，另一端与所述微界面发生器连接；所述微界面发生器与所述进料口连接，用于分散破碎氨气成直径为微米级别的微气泡；所述出料口与所述反应清液缓冲罐连接；所述尾气出口与所述尾气吸收塔连接，所述尾气吸收塔塔底还设置有吸收液出口，所述吸收液出口连接所述微界面发生器以用于吸收液重新回到肟化反应器中利用。
2.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述微界面发生器为气动式微界面发生器，所述微界面发生器的数量为一个以上。
3.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述尾气吸收塔包括塔身以及塔釜，所述塔身填充有填料，所述塔釜的直径大于所述塔身的直径，所述塔釜的高度低于所述塔身的高度。
4.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述外循环换热装置包括循环管道，所述循环管道上布设有全自动调节冷凝器和循环泵。
5.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述肟化反应器内部设置有金属膜过滤器以用于分离催化剂。
6.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述肟化反应器内部设置有双盘管换热器，所述双盘管换热器包括冷却盘管以及蒸汽加热盘管，所述冷却盘管位于所述蒸汽加热盘管的上部。
7.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述反应清液缓冲罐与所述出料口之间的连接管道上设置有外过滤装置。
8.根据权利要求1所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统，其特征在于，所述尾气吸收塔和所述尾气出口之间的连接管线上设置有排放气冷却器。
9.采用权利要求1-8任一项所述的微界面强化环己酮氨肟化反应系统进行肟化反应的方法，其特征在于，包括如下步骤：
反应原料分散破碎充分乳化处理后，进行肟化反应；进行所述肟化反应过程中，未反应完全的气体进行尾气回收利用，反应产物以清液方式进行收集后续处理。
10.根据权利要求9所述的肟化反应方法，其特征在于，所述肟化反应的温度81-83℃，压力为0.15-0.2MPa。
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