CN112439300A - 制备丙烯酸的尾气处理系统及尾气处理方法 - Google Patents

制备丙烯酸的尾气处理系统及尾气处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备丙烯酸的尾气处理系统，包括：第一混合器，将压缩空气、过热丙烯、预热后的水及系统焚烧尾气充分混合；第一反应器，连接第一混合器，用于接收经第一混合器输送的混合气体，并使丙烯发生反应生成丙烯醛；第二反应器，连接第一反应器，用于接收经第一反应器输送的混合气体，并使混合气体中的丙烯醛发生反应生成丙烯酸；催化焚烧反应器，接收除丙烯酸以外的尾气，对尾气进行焚烧处理；以及尾气处理单元，连接催化焚烧反应器，用于处理由催化焚烧反应器中焚烧产生的尾气，并将处理后的尾气输送至第一混合器再次利用。本发明的尾气循环工艺能耗低，并且不影响催化剂活性，避免了丙烯醛和丙烯酸的转化率下降的问题。

Description

制备丙烯酸的尾气处理系统及尾气处理方法
技术领域
本发明涉及尾气处理领域，尤其涉及一种制备丙烯酸的尾气处理系统及尾气处理方法。
背景技术
丙烯酸是一种重要的化工原料，可以进一步加工成多种精细化工产品，如高吸水性树脂(SAP)、航空材料、涂料、纺织、印染和黏合剂等，用途十分广泛。丙烯酸的工业生产方法由最早的氯乙醇法、氰乙醇法、高压Reppe法、改良Reppe法、烯酮法、丙烯腈水解法、乙烯法逐渐发展到当今的丙烯两步气相催化氧化法。目前，丙烯两步气相催化氧化步催化氧化法，这种方法因其具有技术先进、丙烯转化率高、丙烯酸收率高和能够长周期安全平稳运行等特点在工业生产中得到了广泛的应用。两步氧化法包括：第一步为丙烯在空气和催化剂的作用下氧化生成丙烯醛，第二步为丙烯醛在空气和催化剂的作用下进一步氧化生成丙烯酸。丙烯两步气相催化氧化法是在复合金属氧化物催化剂存在下，丙烯经空气氧化生成丙烯醛，再进一步催化氧化成丙烯酸。随着国际油价的动荡和金融局势的不稳定，丙稀酸市场已步入充满风险和挑战的微利时代。应对如此严酷的市场环境，生产厂家在不能改变大环境的前提下，要提高企业的竞争力，只有通过自身挖潜，技术创新、降低生产消耗，节能减排，减低成本支出来完成。目前我国的丙稀酸技术和国外知名企业的先进技术相比还有一定的差距，在具体的操作参数的选定、整个系统的优化方面还有着提高的空间。在这种情况下对丙稀酸工艺过程进行优化改造是具有一定意义的。专利CN201310120589.4对丙烷一步法制取丙烯酸的尾气循环工艺进行了优化设计，但并未见到针对丙烯两步法制取丙烯酸的尾气循环工艺。在传统的尾气循环工艺中，废气由吸收塔出来后不经焚烧单元，直接返回至第一反应器前的混合器，但塔顶尾气中残留有机组分，循环回反应器进料中影响催化剂的活性，造成丙烯醛和丙烯酸的转化率降低。因此，对丙烯两步法制取丙烯酸装置的尾气循环工艺进行优化改进十分必要。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种制备丙烯酸的尾气处理系统，包括：
第一混合器，将压缩空气、过热丙烯、预热后的水及系统焚烧尾气充分混合；
第一反应器，连接所述第一混合器，用于接收经所述第一混合器输送的混合气体，并使丙烯发生反应生成丙烯醛；
第二反应器，连接所述第一反应器，用于接收经所述第一反应器输送的混合气体，并使混合气体中的丙烯醛发生反应生成丙烯酸；
催化焚烧反应器，接收除丙烯酸以外的尾气，对尾气进行焚烧处理；以及尾气处理单元，连接所述催化焚烧反应器，用于处理由所述催化焚烧反应器中焚烧产生的尾气，并将处理后的尾气输送至所述第一混合器再次利用。
根据本发明的一个方面，所述第一反应器的出口端设有用于对混合气体降温的第一出口冷却器。
根据本发明的一个方面，还包括第二混合器，所述第二混合器设置在所述第一反应器和所述第二反应器之间，用于将所述第一反应器中输出的混合气体与空气混合后输送至所述第二反应器。
根据本发明的一个方面，所述第二反应器的出口端设有用于对反应产物降温的第二出口冷却器。
根据本发明的一个方面，还包括吸收塔，所述吸收塔设置在所述第二反应器和所述催化焚烧反应器之间，将经过冷却的反应产物进一步冷却并吸收出丙烯酸溶液，排出未吸收尾气至所述催化焚烧反应器。
根据本发明的一个方面，所述尾气处理单元包括与所述催化焚烧反应器连接的过滤器、与所述过滤器连接的除水罐、与所述除水罐连接的换热器以及与所述换热器连接用于储存处理后尾气并将尾气输送给所述第一混合器的储罐。
根据本发明的一个方面，所述尾气处理单元还包括设置在所述储罐和所述第一混合器之间用于监测计量进入所述第一混合器中的处理后尾气的量的流量计。
根据本发明的一个方面，所述尾气处理单元还包括设置在所述储罐和所述流量计之间的用于对尾气加压送回反应器的压缩机和缓冲罐。
根据本发明的一个方面，尾气处理方法包括以下步骤：
a.将压缩空气、过热丙烯、预热后的水以及系统循环尾气经过第一混合器混合后进入第一反应器；
b.丙烯在第一反应器中发生反应生成丙烯醛，丙烯醛与未发生反应的混合气体经冷却后通过第二混合器与空气再次混合后进入第二反应器；
c.丙烯醛在第二反应器中发生反应生成丙烯酸，将丙烯酸与未发生反应的混合气体冷却，然后将丙烯酸输送至其他单元进一步处理，未发生反应的气体进入尾气处理单元进行尾气处理。
根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，冷却后的丙烯酸和未发生反应的混合气体进入吸收塔，吸收塔对丙烯酸和混合气体进行冷却吸收，被吸收的丙烯酸经塔底输送至丙烯酸精制单元，塔顶未吸收的混合气体作为尾气进入尾气处理单元进行尾气处理。
根据本发明的一个方面，尾气处理包括过滤、除水和降温。
根据本发明的一个方案，吸收塔塔顶尾气经过催化焚烧反应器催化焚烧后，有一部分尾气经过尾气处理单元进行过滤、除水和降温，并重新返回到第一混合器中与原料混合，并在两反应器中作为反应原料中惰性气体及氧气的来源。并且尾气中的有机物经过催化焚烧后全部转化为CO2也随着循环尾气回到第一混合器中作为原料气的一部分，可减少深度氧化的发生，进而提高目标产物的产率与选择性。还可以降低反应放出的热，进而降低热点温度，节约熔盐。并且利用CO2气体的比热容较反应生成物高的特点，加大CO2气体的含量可以有效的将反应热移出，进而降低热点温度，进一步节约熔盐。对外界环境来说，对尾气中的二氧化碳进行了循环利用，也一定程度减少了温室气体二氧化碳的排放。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的制备丙烯酸的尾气处理系统的结构图；
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的尾气处理方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的制备丙烯酸的尾气处理系统的结构图。如图1所示，本发明的制备丙烯酸的尾气处理系统，包括第一混合器1、第一反应器2、第二混合器(图中未示出)、第二反应器3、吸收塔(图中未示出)、催化焚烧反应器4、尾气处理单元5。
根据本发明的一种实施方式，第一混合器1用于将压缩空气B、过热丙烯C、预热后的水D及系统焚烧尾气A充分混合。第一反应器2与第一混合器1连接，用于接收经第一混合器1输送的混合气体，并且在此反应器中，丙烯与氧在环形催化剂的作用下反应生成丙烯醛。反应过程放出的热量由亚硝酸钠和硝酸钾组成的熔盐带出第一反应器2。第一反应器2的出口端设有第一出口冷却器(图中未示出)，用于在丙烯醛气体离开第一反应器2前，将气体冷却到一定的温度。第二混合器设置在第一反应器2和第二反应器3之间，用于将第一反应器2中输出的丙烯醛气体与空气E混合后输送至第二反应器3。第二反应器3连接第二混合器输出端，接收第二混合器中输出的丙烯醛气体，在此反应器中，丙烯醛在二段球形催化剂的作用下继续发生选择性氧化反应，生成丙烯酸。
根据本发明的一种实施方式，第二反应器3的出口端设有第二出口冷却器(图中未示出)，用于对第二反应器3的产物进行降温冷却。吸收塔设置在第二反应器3和催化焚烧反应器4之间，其塔釜连接第二反应器3输出端，用于接收第二反应器3输出的并经过第二出口冷却器冷却的丙烯酸气体，并将其冷却吸收形成溶液经塔底送至外界的丙烯酸精制设备。催化焚烧反应器4连接吸收塔塔顶，用于接收吸收塔塔顶未吸收的尾气并对其进行催化焚烧处理。焚烧成二氧化碳和水等达标后，一部分排放大气(即图1中ATM)，另一部分输送至尾气处理单元5。
根据本发明的一种实施方式，尾气处理单元5包括过滤器501、除水罐502、换热器503、储罐504、流量计505、压缩机506和缓冲罐507。过滤器501与催化焚烧反应器4连接，除水罐502与过滤器501连接，换热器503与除水罐502连接，用于对尾气降温。储罐504与换热器503连接，用于储存处理后尾气并将尾气输送给第一混合器1。流量计505设置在储罐504与第一混合器1之间，用于监测计量进入第一混合器1中的处理后尾气的量。压缩机506用于对尾气加压使其返回反应器。缓冲罐507起到缓冲作用。
图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的尾气处理方法的流程图。结合图1和图2，利用了本发明的制备丙烯酸的尾气处理系统处理尾气的方法，包括以下步骤：
a.空气经空气压缩机压缩后形成压缩空气C送入第一混合器1中与过热丙烯B、预热后的水D及系统循环尾气A经充分混合后进入第一反应器2。
b.丙烯在第一反应器2中与氧在环形催化剂的作用下反应生成丙烯醛，反应过程中放出的热量由亚硝酸钠和硝酸钾组成的熔盐带出反应器。丙烯醛气体离开第一反应器2前，在第一反应器2的出口端被第一出口冷却器冷却到一定的温度。然后在第二混合器中再次与空气E混合后进入第二反应器3。
c.丙烯醛在第二反应器3中在二段球形催化剂的作用下继续发生选择性氧化反应生成丙烯酸。丙烯酸经第二出口冷却器冷却后进入吸收塔塔釜，被从吸收塔塔顶进入的水吸收及冷却，被吸收的丙烯酸形成溶液经吸收塔塔釜送至丙烯酸精制单元，塔顶未吸收的混合气体作为尾气全部送入催化焚烧反应器4直接进行催化焚烧处理，焚烧成二氧化碳和水等达标后，一部分排放大气(ATM)，另一部分经尾气处理单元5的过滤、除水和降温后形成富含二氧化碳的尾气(即系统循环尾气A)，再循环至第一混合器1，与新鲜空气、丙烯和水混合后进入第一反应器2循环利用，此时第一混合器1出口的二氧化碳含量为1％。
表1为原料气中的二氧化碳浓度对丙烯转化率、产品收率以及第一和第二反应器的温度的影响：
Figure BDA0002192394470000061
表1
根据表1和本发明的上述实施方式，吸收塔塔顶尾气经过催化焚烧反应器4催化焚烧后，有一部分尾气经过尾气处理单元5进行过滤、除水和降温，并重新返回到第一混合器1中与原料混合，并在两反应器中作为反应原料中惰性气体及氧气的来源，并且尾气中的有机物经过催化焚烧后全部转化为CO2也随着循环尾气回到第一混合器1中作为原料气的一部分，其中的CO2含量会影响丙烯氧化制丙烯醛、丙烯酸的反应平衡。因此本发明带来以下技术效果：
首先CO2气体为丙烯深度氧化的产物，提高CO2气体含量可减少深度氧化的发生，进而提高目标产物的产率与选择性。并且，由于丙烯深度氧化生成一氧化碳和二氧化碳的反应热(丙烯氧化生成氧化碳，反应热约为1500kJ/mol)远高于生成目标产物的反应热(丙烯生成丙烯醛，反应热为340kJ/mol；丙烯醛氧化生产丙烯酸，反应热为252kJ/mol))，所以控制CO2气体浓度可以降低反应放出的热，进而降低热点温度，节约熔盐。而且CO2气体的比热容较反应生成物高，加大CO2气体的含量可以有效的将反应热移出，进而降低热点温度，节约熔盐。对外界环境来说，对尾气中的二氧化碳进行了循环利用，也一定程度减少了温室气体二氧化碳的排放。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，包括：
第一混合器(1)，将压缩空气、过热丙烯、预热后的水及系统焚烧尾气充分混合；
第一反应器(2)，连接所述第一混合器(1)，用于接收经所述第一混合器(1)输送的混合气体，并使丙烯发生反应生成丙烯醛；
第二反应器(3)，连接所述第一反应器(2)，用于接收经所述第一反应器(2)输送的混合气体，并使混合气体中的丙烯醛发生反应生成丙烯酸；
催化焚烧反应器(4)，接收除丙烯酸以外的尾气，对尾气进行焚烧处理；以及
尾气处理单元(5)，连接所述催化焚烧反应器(4)，用于处理由所述催化焚烧反应器(4)中焚烧产生的尾气，并将处理后的尾气输送至所述第一混合器(1)再次利用。
2.根据权利要求1所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，所述第一反应器(2)的出口端设有用于对混合气体降温的第一出口冷却器。
3.根据权利要求2所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，还包括第二混合器，所述第二混合器设置在所述第一反应器(2)和所述第二反应器(3)之间，用于将所述第一反应器(2)中输出的混合气体与空气混合后输送至所述第二反应器(3)。
4.根据权利要求3所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，所述第二反应器(3)的出口端设有用于对反应产物降温的第二出口冷却器。
5.根据权利要求4所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，还包括吸收塔，所述吸收塔设置在所述第二反应器(3)和所述催化焚烧反应器(4)之间，将经过冷却的反应产物进一步冷却并吸收出丙烯酸溶液，排出未吸收尾气至所述催化焚烧反应器(4)。
6.根据权利要求1所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，所述尾气处理单元(5)包括与所述催化焚烧反应器(4)连接的过滤器(501)、与所述过滤器(501)连接的除水罐(502)、与所述除水罐(502)连接的换热器(503)以及与所述换热器(503)连接用于储存处理后尾气并将尾气输送给所述第一混合器(1)的储罐(504)。
7.根据权利要求6所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，所述尾气处理单元(5)还包括设置在所述储罐(504)和所述第一混合器(1)之间用于监测计量进入所述第一混合器(1)中的处理后尾气的量的流量计(505)。
8.根据权利要求7所述的制备丙烯酸的尾气处理系统，其特征在于，所述尾气处理单元(5)还包括设置在所述储罐(504)和所述流量计(505)之间的用于对尾气加压送回反应器的压缩机(506)和缓冲罐(507)。
9.一种利用权利要求1至8中任一项所述制备丙烯酸的尾气处理系统处理尾气的方法，包括以下步骤：
a.将压缩空气、过热丙烯、预热后的水以及系统循环尾气经过第一混合器(1)混合后进入第一反应器(2)；
b.丙烯在第一反应器(2)中发生反应生成丙烯醛，丙烯醛与未发生反应的混合气体经冷却后通过第二混合器(2)与空气再次混合后进入第二反应器(3)；
c.丙烯醛在第二反应器(3)中发生反应生成丙烯酸，将丙烯酸与未发生反应的混合气体冷却，然后将丙烯酸输送至其他单元进一步处理，未发生反应的气体进入尾气处理单元进行尾气处理。
10.根据权利要求9所述的处理尾气的方法，其特征在于，在所述c步骤中，冷却后的丙烯酸和未发生反应的混合气体进入吸收塔，吸收塔对丙烯酸和混合气体进行冷却吸收，被吸收的丙烯酸经塔底输送至丙烯酸精制单元，塔顶未吸收的混合气体作为尾气进入尾气处理单元进行尾气处理。
11.根据权利要求10所述的处理尾气的方法，其特征在于，尾气处理包括过滤、除水和降温。
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