CN112441878A - 一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，包括：水合反应精馏器、强化水合反应精馏器和蒸发塔；所述水合反应精馏器的侧壁上设置有加剂通道和环氧乙烷进口；所述水合反应精馏器底部设置有进水口；所述水合反应精馏器内部设置有气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，所述气动式微界面发生器设置在所述液动式微界面发生器的上方；所述气动式微界面发生器的出口处均设置有导向圆盘。本发明的强化反应系统设备组件少、占地面积小、能耗低、成本低、安全性高、反应可控，原料转化率高，相当于为乙二醇制备领域提供了一种操作性更强的反应系统，值得广泛推广应用。

Description

一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统及方法
技术领域
本发明涉及乙二醇制备领域，具体而言，涉及一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统及方法。
背景技术
乙二醇是重要的脂肪族二元醇，用途广泛，主要用途是生产聚酯树脂，包括纤维、薄膜及工程塑料。还可直接用作冷却剂和防冻剂，同时也是生产醇酸树脂、增塑剂、油漆、胶粘剂、表面活性剂、炸药及电容器电解液等产品不可缺少的物质。
以环氧乙烷为原料制备乙二醇，主要分为两种方法，一种为直接水合法，即环氧乙烷在一定条件下直接与水反应生成乙二醇，反应不需要催化剂就可以进行，分为催化水合和非催化水合两种方法；另一种方法为碳酸亚乙酯法，即环氧乙烷在催化剂作用下，先与CO2反应生成碳酸亚乙酯，然后水解生成乙二醇。
目前工业上制备乙二醇采用直接水合法的非催化水合工艺，也称加压水合，该方法不使用催化剂，反应进料水和环氧乙烷的摩尔比(以下简称水比)为20～25∶1，反应温度150～200℃，反应压力0.8～2.0MPa，环氧乙烷转化率接近100％，乙二醇选择性90％左右。反应中，由于乙二醇与环氧乙烷反应活性高于水与环氧乙烷的反应活性，未转化的环氧乙烷继续和产物乙二醇反应，生成二甘醇、三甘醇等副产物，因此工业上常采取水为大过量的办法，来提高乙二醇选择性。该方法的最大缺点是生产中大量的能量用于蒸发产品中85％以上的水份。例如，在乙二醇产品提纯步骤中，当进料水比为20时，通过蒸发除去大约为乙二醇19倍的无用水，所需的热以每摩尔乙二醇计为170千卡，意味着生产1吨乙二醇需要消耗大约5.5吨蒸汽，造成该方法能源耗费巨大，生产成本偏高。因此，为了减少反应水比，降低能耗，国内外研究者竞相开展了多种环氧乙烷催化水合反应技术的研究。
最早工业催化水合生产乙二醇的方法，用无机酸或碱作催化剂，如用硫酸或磷酸等作为催化剂时，环氧乙烷可全部转化，乙二醇收率为90％左右，但无机酸催化剂对设备造成腐蚀，污染环境；使用无机碱作催化剂时，易促进产生一些高分子量的副产物，降低产品选择性。因此，尽管酸、碱对环氧乙烷水合具有明显的催化作用，但传统意义上的酸碱催化水合工艺都已经淘汰，不再使用。
为克服无机酸和碱催化水合的缺点，人们对环氧乙烷催化水合的方法及催化剂进行了多方面的改进研究。
用离子交换树脂作催化剂，一类是带有-SO3H、-PO(OH)2基团的强酸性阳离子交换树脂，另一类是含季胺盐地碱性阴离子交换树脂，以及基于金属含氧酸根催化作用的阴离子交换树脂。如USPatent5,874,653公开了一种由苯乙烯和二乙烯基苯交联的带有季铵基的阴离子交换树脂作为环氧乙烷水合催化剂。在反应温度80～200℃、反应压力200～3000KPa，水比1～15∶1的条件下反应，环氧乙烷的转化率接近100％，乙二醇的选择性95％。但该催化体系的显著缺点是树脂催化剂耐热性能差，即使在比较低的温度范围内(＜95℃)，催化剂的膨胀仍较严重，从而导致反应器床层压降上升较快，催化剂更换频繁，给工业生产带来不利。因而尽管上述研究工作取得了很大进展，但仍限制了它的应用范围。用杂多酸盐的复合物作催化剂，如JP82106631公开了一种K2MoO4-KI催化剂，使环氧乙烷与二氧化碳在160℃反应生成碳酸亚乙酯，环氧乙烷转化率99.9％，乙二醇选择性100％；然后以氧化铝为催化剂，在反应温度140℃，反应压力2.25MPa条件下，水解得到乙二醇产品，环氧乙烷转化率100％，乙二醇选择性99.8％。使用上述杂多酸盐催化剂的显著特点是：当催化剂可溶解于水时，环氧乙烷转化率及产品选择性较高，但催化剂易流失，给后处理工序带来了不必要的麻烦；当催化剂不溶于水时，环氧乙烷转化率明显降低，乙二醇的选择性较差。日本专利特开平06-179633公开了一种芳基乙二醇的制造方法，该专利是将芳基环氧乙烷在水和含水溶剂中用铌酸处理，使用该铌酸催化剂可有效地将芳基环氧乙烷中的环氧环部分加水分解，芳基乙二醇的收率在95％以上。但该方法的缺点是水比过高，大量水的存在给乙二醇产品的分离带来巨大能耗。日本专利特开平7-53219介绍了一种铌酸颗粒及其制备方法。应用该方法制备的铌酸可以在水热条件下长时间稳定存在。但该铌酸催化剂的酸性过强，50％以上为H0：-5.6以下的强酸量，不适合用于环氧乙烷催化水合制乙二醇反应。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，该智能反应系统通过设置水合反应精馏器以及与之串联的强化水合反应精馏器，有效保证了环氧乙烷和水充分反应，通过在水合反应精馏器内部设置气动式微界面发生器和液动式微界面发生器以及在强化水合反应精馏器内部设置第二水合反应精馏器，使得在环氧乙烷与水进行催化水合反应之前将环氧乙烷破碎为微气泡，提高环氧乙烷与水之间的相界传质面积，提高了反应效率。同时，该智能反应系统可实现反应系统运行参数的采集-分析-校正的整个过程，不需要人为控制，降低了出错率，提高了生产效率，降低了人力成本，值得广泛推广进行应用。
本发明的第二目的在于提供一种采用反应系统制备乙二醇的反应方法，反应得到的乙二醇纯度高，应用广泛，提高了乙二醇本身的适用面，值得广泛推广应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，包括：水合反应精馏器、强化水合反应精馏器和蒸发塔；所述水合反应精馏器的侧壁上设置有加剂通道和环氧乙烷进口；所述水合反应精馏器底部设置有进水口；
所述水合反应精馏器内部设置有气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，所述气动式微界面发生器设置在所述液动式微界面发生器的上方；所述气动式微界面发生器的出口处均设置有导向圆盘；所述气动式微界面发生器与所述液动式微界面发生器均与所述环氧乙烷进口相连以用于破碎环氧乙烷气体为微米级别的微气泡；
所述强化水合反应精馏器底部设置有进液口以用于通入水；所述强化水合反应精馏器内部设置有微气泡发生器；所述水合反应精馏器底部设置有物料出口，所述物料出口连接有第一再沸器，从所述物料出口排出的物料经所述第一再沸器分成气液两股物流，气相物流通过所述微气泡发生器流入所述强化水合反应精馏器中，液相物流直接流入所述强化水合反应精馏器中；
所述强化水合反应精馏器底部设置有乙二醇出口以用于产品乙二醇的排出，从所述乙二醇出口排出的乙二醇经第二再沸器分成气液两股物流，气相物流循环返回所述强化水合反应精馏器中，液相物流流入所述蒸发塔中进行气液分离；
还包括控制系统，所述控制系统包括数据采集模块、分析模块以及智能控制模块，所述数据采集模块包括温度采集模块、温度变送模块、压力采集模块和压力变送模块；所述温度变送模块与所述分析模块相连以将所述温度采集模块采集到的温度信号转换为电信号并传送到所述分析模块中；所述压力变送模块与所述分析模块相连以将所述压力采集模块采集到的压力信号转换为电信号并传送到所述分析模块中；
优选的，所述分析模块包括比较单元和分析单元，所述比较单元将接收到的电信号与所述分析模块中的预设数据进行比较，并将比较结果传送到分析单元中；所述分析单元通过分析比较结果向智能控制模块发送设定参数，以调整反应系统的运行参数；
优选地，所述智能控制模块包括水合反应精馏器压力控制单元、水合反应精馏器温度控制单元、强化水合反应精馏器压力控制单元和强化水合反应精馏器温度控制单元。
现有技术中，工业催化水合生产乙二醇的方法，用无机酸或碱作催化剂，如用硫酸或磷酸等作为催化剂时，环氧乙烷可全部转化，乙二醇收率为90％左右，但无机酸催化剂对设备造成腐蚀，污染环境；使用无机碱作催化剂时，易促进产生一些高分子量的副产物，降低产品选择性。专利RU2001901C1采用多个置换流反应器串联工艺，以含碳酸氢盐的季铵基聚苯乙烯阴离子交换剂做催化剂推动反应进行，专利US5488184公开一种环氧乙烷水合的阴离子交换树脂催化剂，通过树脂催化剂推动反应进行，专利CN1237953A公开了一种生产二元醇的方法，通过硅铝酸盐沸石，无定形硅铝酸盐和酸性离子交换树脂作为催化剂推动反应进行。可见现有技术均需要大量的催化剂推动反应进行，对催化剂的依赖较大，生产成本高。
本发明的制备乙二醇的智能反应系统，通过设置水合反应精馏器和强化水合反应精馏器并联使用，提高了原料的转化率；通过在水合反应精馏器的内部设置气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，从而实现了将进入水合反应精馏器内的环氧乙烷进行分散破碎成微气泡，提高了传质效果，大幅度提高传质速率，降低了加氢反应温度与压力，减少了对催化剂的依赖；通过串联强化水合反应精馏器，将在水合反应精馏器中未完全反应的环氧乙烷输入其中，并通过强化水合反应精馏器内部的微气泡发生器对其进行分散破碎，能够保证剩余的环氧乙烷充分反映，提高了原料的利用率。
优选的，所述水合反应精馏器中的所述气动式微界面发生器为两个，两个所述气动式微界面发生器的出口相对设置。
优选的，所述导向圆盘呈锥形；所述导向圆盘上均匀分布有多个导向孔。进一步的，所述导向圆盘的导向曲线为双曲线、抛物线、两段折线和对数曲线中的任意一种。
优选的，所述强化水合反应精馏器的底部设置有内置式微界面发生器，所述内置式微界面发生器的出口处设置有导向圆盘；经所述第二再沸器分成的气相物流经所述内置式微界面发生器循环返回所述强化水合反应精馏器中。
优选的，所述内置式微界面发生器与所述微气泡发生器的出口相对设置。
优选的，所述强化水合反应精馏器内部的所述微气泡发生器的出口处设置有用于将产生的微气泡均匀分布的筛网。
本发明在水合反应精馏器的内部设置有气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，气动式微界面发生器的数量为两个，且出口相对。其中气动式微界面发生器设置在液动式微界面发生器的上方，环氧乙烷通过环氧乙烷进口进入到气动式微界面发生器和液动式微界面发生器的内部，与此同时水通过进液口进入水合反应精馏器中，随着水在水合反应精馏器中的增多，水进入气动式微界面发生器和液动式微界面发生器中，并作为介质与进入的环氧乙烷密切的接触，从而保证了环氧乙烷能够充分分散破碎，且气动式微界面发生器和液动式微界面发生器中各进行了一次微界面体系，提高了分散破碎的效率。将两个气动式微界面发生器的出口相对，也是为了能够起到对冲效果，以实现微气泡的均匀分布。
本发明在气动式微界面发生器的出口处还设置有导向圆盘，导向圆盘上均匀分布有多个导向孔，且导向孔沿远离进料口的方向直径依次增大。导向圆盘能够改变微气泡的运行方向，使气泡均匀分布；同时，导向圆盘上的导向孔也能够对微气泡起到再分布作用，使微气泡在水合反应精馏器内分布的更加均匀，有利于反应的进行。因此，本发明正是通过将微界面发生器与导向圆盘结合应用，提高了本身微界面发生器的应用效果。
本发明还设置有与水合反应精馏器相串联的强化水合反应精馏器，在强化水合反应精馏器内部还设置有微气泡发生器，经第一再沸器的气相物流能够在微气泡发生器内部得到充分的分散破碎，强化水合反应精馏器底部设置有进液口，水从进液口进入以作为介质。微气泡发生器的出口处设置有筛网，是为了产生的微气泡在强化水合反应精馏器的介质中的均匀分布，有利于提高反应速率。通过第二液动式微界面发生器与筛网相配合，提高了第二液动式微界面发生器本身的应用效果。
另外，本发明在强化水合反应精馏器内还设置有内置式微界面发生器，且将内置式微界面发生器与微气泡发生器相对设置，这也是为了通过对冲效果以实现微气泡的均匀分布。
本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。
另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。
此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。
综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术，虽然有的气泡破碎器属于气动式气泡破碎器类型，有的气泡破碎器属于液动式气泡破碎器类型，还有的属于气液联动式气泡破碎器类型，但是类型之间的差别主要是根据具体工况的不同进行选择，另外关于微界面发生器与反应器、以及其他设备的连接，包括连接结构、连接位置，根据微界面发生器的结构而定，此不作限定。
优选的，所述水合反应精馏器和所述强化水合反应精馏器的顶部均设置有加剂通道以用于添加催化剂。
优选的，所述水合反应精馏器顶部连接有第一冷凝器，未反应的水和环氧乙烷经所述第一冷凝器冷凝后，回流至所述水合反应精馏器中。
优选的，所述强化水合反应精馏器顶部设置有第二冷凝器，所述第二冷凝器能够将强化水合反应精馏器中未反应的环氧乙烷气体冷凝回流至强化水合反应精馏器中。
优选的，所述蒸发塔连接有脱水塔，从所述蒸发塔底部出来的物料经第三再沸器分成气液两股物流，气相物流循环返回所述蒸发塔中，液相物流进入所述脱水塔中进行进一步分离纯化；优选的，所述脱水塔连接有精制塔，以用于将从所述脱水塔中排出的物料进行进一步精制纯化；优选的，所述精制塔连接有产物储存罐，经所述精制塔精制后的产物流至所述产物储存罐储存。经过纯化，能够去除乙二醇产物中混杂的水，提高产物纯度。
优选的，所述精制塔顶部连接有第三冷凝器，所述精制塔顶部的气相组分经所述第三冷凝器冷凝后，回流至所述精制塔顶部。
本发明还提供了一种应用上述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统的反应方法，其特征在于，包括如下步骤：
将环氧乙烷和水混合后经微界面分散破碎后进行催化水合反应，再进行分离纯化精制后得到乙二醇；催化水合反应的温度为150-165℃，压力为0.4-0.7MPa。
优选的，所述催化水合反应的催化剂为碳酸钾、碳酸氢钾、过氯酸铝和三氟甲基磺酸铝中的任意一种或几种的混合。
具体地，该制备方法通过在水合反应精馏器内部设置与环氧乙烷进口相连接的气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，使得在环氧乙烷和原料水进行水合反应之前，破碎成直径为大于等于1μm、小于1mm的微气泡，使得环氧乙烷以微气泡的状态与水接触，以增大水合反应过程中环氧乙烷和水之间的相界传质面积，并进行充分混合再进行水合反应，从而减少了反应需要的水和催化剂的量，提高了反应效率，通过与水合反应精馏器并联的强化水合反应精馏器，进一步提高了原料的利用率。
采用本发明的反应方法得到的乙二醇产品品质好、收率高。且该制备方法本身反应温度低、压力大幅度下降，成本显著降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统通过设置水合反应精馏器以及与之串联的强化水合反应精馏器，有效保证了环氧乙烷和水充分反应；
(2)通过在水合反应精馏器内部设置气动式微界面发生器和液动式微界面发生器以及在强化水合反应精馏器内部设置微气泡发生器，使得在环氧乙烷与水进行催化水合反应之前将环氧乙烷破碎为微气泡，提高环氧乙烷与水之间的相界传质面积，提高了反应效率，催化剂的添加量减少，能源消耗少，生产成本低；
(3)本发明的反应方法操作简便，反应得到的乙二醇纯度高，应用广泛，提高了乙二醇本身的适用面，值得广泛推广应用。
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气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统结构示意图。
其中：
10-水合反应精馏器； 101-加剂通道；
102-环氧乙烷进口； 103-气动式微界面发生器；
104-导向圆盘； 105-液动式微界面发生器；
106-进水口； 107-物料出口；
108-第一再沸器； 109-第一冷凝器；
20-强化水合反应精馏器； 201-微气泡发生器；
202-筛网； 203-内置式微界面发生器；
204-第二再沸器； 205-第二冷凝器；
206-乙二醇出口； 207-进液口；
30-蒸发塔； 301-第三再沸器；
40-脱水塔； 401-第四再沸器；
50-精制塔； 501-第五再沸器；
502-第三冷凝器； 60-产物储存罐；
70-环氧乙烷储罐； 80-水储罐；
90-水泵； 100-控制系统。
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，本发明提供了一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，包括：水合反应精馏器10、强化水合反应精馏器20和蒸发塔30；水合反应精馏器10的侧壁上设置有加剂通道101和环氧乙烷进口102；水合反应精馏器10底部设置有进水口106；环氧乙烷进口102与环氧乙烷储罐70相连，进水口106与水储罐80相连，进水口106与水储罐80间设置有水泵90。
其中，水合反应精馏器10顶部连接有第一冷凝器109，未反应的水和环氧乙烷经第一冷凝器109冷凝后，回流至水合反应精馏器10中。水合反应精馏器10内部设置有气动式微界面发生器103和液动式微界面发生器105，气动式微界面发生器103设置在液动式微界面发生器105的上方；气动式微界面发生器103的出口处设置有导向圆盘104；气动式微界面发生器103与液动式微界面发生器105均与环氧乙烷进口102相连以用于破碎环氧乙烷气体为微米级别的微气泡；水合反应精馏器10中的气动式微界面发生器103为两个，两个气动式微界面发生器103的出口相对设置。
导向圆盘104呈锥形；导向圆盘104上均匀分布有多个导向孔，导向圆盘104的导向曲线为双曲线、抛物线、两段折线和对数曲线中的任意一种。
在本实施例中，强化水合反应精馏器20顶部设置有第二冷凝器205，第二冷凝器205能够将强化水合反应精馏器20中未反应的环氧乙烷气体冷凝回流至强化水合反应精馏器20中。强化水合反应精馏器20底部设置有进液口207以用于通入水；强化水合反应精馏器20内部设置有微气泡发生器201；微气泡发生器201的出口处设置有用于将产生的微气泡均匀分布的筛网202。水合反应精馏器10底部设置有物料出口107，物料出口107连接有第一再沸器108，从物料出口107排出的物料经第一再沸器108分成气液两股物流，气相物流通过微气泡发生器201流入强化水合反应精馏器20中，液相物流直接流入强化水合反应精馏器20中。
其中，强化水合反应精馏器20的底部设置有内置式微界面发生器203，内置式微界面发生器203的出口处设置有导向圆盘104；经第二再沸器204分成的气相物流经内置式微界面发生器203循环返回强化水合反应精馏器20中；内置式微界面发生器203与为微气泡发生器201的出口相对设置。
另外，强化水合反应精馏器20底部设置有乙二醇出口206以用于产品乙二醇的排出，从乙二醇出口206排出的乙二醇经第二再沸器204分成气液两股物流，气相物流循环返回强化水合反应精馏器20中，液相物流流入蒸发塔30中进行气液分离。
在本实施例中，强化水合反应精馏器20的顶部设置有加剂通道101以用于添加催化剂。
在本实施例中，蒸发塔30连接有脱水塔40，从蒸发塔30底部出来的物料经第三再沸器301分成气液两股物流，气相物流循环返回蒸发塔303中，液相物流进入脱水塔40中进行进一步分离纯化；脱水塔40连接有精制塔50，以用于将从脱水塔40中排出的物料进行进一步精制纯化；精制塔50连接有产物储存罐60，经精制塔50精制后的产物流至产物储存罐60储存。经过纯化，能够去除乙二醇产物中混杂的水，提高产物纯度。
精制塔50顶部连接有第三冷凝器502，精制塔50顶部的气相组分经第三冷凝器502冷凝后，回流至精制塔50顶部。
其中，脱水塔40与精制塔50间设置有第四再沸器401；精制塔50与产物储存罐60内设置有第五再沸器501。第四再沸器401与第五再沸器501将通过的物料部分气化，液相继续输出，气相回流，能够使物料进一步纯化。
另外，水合反应精馏器10顶部与第二再沸器205相连，强化水合反应精馏器20顶部与第三再沸器301相连，蒸发塔30顶部与第四再沸器401相连，脱水塔40顶部与第五再沸器501相连，这样能够将前一级的蒸汽用于下一级的再沸器热源，提高能量的利用效率。
本实施例的智能反应系统还包括控制系统100，控制系统100包括数据采集模块、分析模块以及智能控制模块，数据采集模块包括温度采集模块、温度变送模块、压力采集模块和压力变送模块；温度变送模块与分析模块相连以将温度采集模块采集到的温度信号转换为电信号并传送到分析模块中；压力变送模块与分析模块相连以将压力采集模块采集到的压力信号转换为电信号并传送到分析模块中；
分析模块包括比较单元和分析单元，比较单元将接收到的电信号与分析模块中的预设数据进行比较，并将比较结果传送到分析单元中；分析单元通过分析比较结果向智能控制模块发送设定参数，以调整反应系统的运行参数；
智能控制模块包括水合反应精馏器压力控制单元、水合反应精馏器温度控制单元、强化水合反应精馏器压力控制单元和强化水合反应精馏器温度控制单元。
具体反应过程中，将20g催化剂、200g环氧乙烷和600g水通入水合反应精馏器10中，加热水合反应精馏器10至150℃，水合反应精馏器10内压力设置为0.4MPa。环氧乙烷和水在水合反应精馏器10中进行反应，反应后的物料流入强化水合反应精馏器20中继续进行水合反应；产生的乙二醇从强化水合反应精馏器20中流出后经蒸发塔30和脱水塔40脱水处理后，在精制塔50中精制纯化，纯化后的乙二醇输出至产物储存罐60中。
总之，与现有技术的气相催化水合法制备乙二醇的反应系统相比，本发明的强化反应系统设备组件少、占地面积小、能耗低、成本低、安全性高、反应可控，原料转化率高，相当于为乙二醇制备领域提供了一种操作性更强的反应系统，值得广泛推广应用。
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)

1.一种气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，包括：水合反应精馏器、强化水合反应精馏器和蒸发塔；所述水合反应精馏器的侧壁上设置有加剂通道和环氧乙烷进口；所述水合反应精馏器底部设置有进水口；
所述水合反应精馏器内部设置有气动式微界面发生器和液动式微界面发生器，所述气动式微界面发生器设置在所述液动式微界面发生器的上方；所述气动式微界面发生器的出口处均设置有导向圆盘；所述气动式微界面发生器与所述液动式微界面发生器均与所述环氧乙烷进口相连以用于破碎环氧乙烷气体为微米级别的微气泡；
所述强化水合反应精馏器底部设置有进液口以用于通入水；所述强化水合反应精馏器内部设置有微气泡发生器；所述水合反应精馏器底部设置有物料出口，所述物料出口连接有第一再沸器，从所述物料出口排出的物料经所述第一再沸器分成气液两股物流，气相物流通过所述微气泡发生器流入所述强化水合反应精馏器中，液相物流直接流入所述强化水合反应精馏器中；
所述强化水合反应精馏器底部设置有乙二醇出口以用于产品乙二醇的排出，从所述乙二醇出口排出的乙二醇经第二再沸器分成气液两股物流，气相物流循环返回所述强化水合反应精馏器中，液相物流流入所述蒸发塔中进行气液分离；
还包括控制系统，所述控制系统包括数据采集模块、分析模块以及智能控制模块，所述数据采集模块包括温度采集模块、温度变送模块、压力采集模块和压力变送模块；所述温度变送模块与所述分析模块相连以将所述温度采集模块采集到的温度信号转换为电信号并传送到所述分析模块中；所述压力变送模块与所述分析模块相连以将所述压力采集模块采集到的压力信号转换为电信号并传送到所述分析模块中；
优选的，所述分析模块包括比较单元和分析单元，所述比较单元将接收到的电信号与所述分析模块中的预设数据进行比较，并将比较结果传送到分析单元中；所述分析单元通过分析比较结果向智能控制模块发送设定参数，以调整反应系统的运行参数；
优选地，所述智能控制模块包括水合反应精馏器压力控制单元、水合反应精馏器温度控制单元、强化水合反应精馏器压力控制单元和强化水合反应精馏器温度控制单元。
2.根据权利要求1所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述水合反应精馏器中的所述气动式微界面发生器为两个，两个所述气动式微界面发生器的出口相对设置。
3.根据权利要求1所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述导向圆盘呈锥形；所述导向圆盘上均匀分布有多个导向孔。
4.根据权利要求1所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述强化水合反应精馏器的底部设置有内置式微界面发生器，所述内置式微界面发生器的出口处设置有导向圆盘；经所述第二再沸器分成的气相物流经所述内置式微界面发生器循环返回所述强化水合反应精馏器中。
5.根据权利要求4所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述内置式微界面发生器与所述微气泡发生器的出口相对设置。
6.根据权利要求1所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述强化水合反应精馏器内部的所述微气泡发生器的出口处设置有用于将产生的微气泡均匀分布的筛网。
7.根据权利要求1所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述蒸发塔连接有脱水塔，从所述蒸发塔底部出来的物料经第三再沸器分成气液两股物流，气相物流循环返回所述蒸发塔中，液相物流进入所述脱水塔中进行进一步分离纯化；优选的，所述脱水塔连接有精制塔，以用于将从所述脱水塔中排出的物料进行进一步精制纯化；优选的，所述精制塔连接有产物储存罐，经所述精制塔精制后的产物流至所述产物储存罐储存。
8.根据权利要求7所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统，其特征在于，所述精制塔顶部连接有第三冷凝器，所述精制塔顶部的气相组分经所述第三冷凝器冷凝后，回流至所述精制塔顶部。
9.采用权利要求1-8任一项所述的气相催化水合法制备乙二醇的智能反应系统的反应方法，其特征在于，包括如下步骤：
将环氧乙烷和水混合后经微界面分散破碎后进行催化水合反应，再进行分离纯化精制后得到乙二醇；催化水合反应的温度为150-165℃，压力为0.4-0.7MPa。
10.根据权利要求9所述的反应方法，其特征在于，所述催化水合反应的催化剂为碳酸钾、碳酸氢钾、过氯酸铝和三氟甲基磺酸铝中的任意一种或几种的混合。
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