CN112645795A - 一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统，包括：主物料反应器、回用反应器和结晶器；所述主物料反应器连接有碳酸氢钠存储罐和氯乙醇存储罐，所述主物料反应器反应后的产物进入到所述结晶器中，所述结晶器连接有所述回用反应器；所述回用反应器内设置有氨气微界面发生器、二氧化碳微界面发生器，所述氨气微界面发生器连接有氨气进气管道，所述二氧化碳微界面发生器连接有二氧化碳进气管道。本发明的反应系统降低了反应过程的成本，强化了反应的效率。

Description

一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统及方法
技术领域
本发明涉及乙二醇制备领域，具体而言，涉及一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统及方法。
背景技术
乙二醇(Ethylene Glycol)又名甘醇，是一种重要的石油化工有机原料。乙二醇的化学反应与一元醇相似，能进行许多醇类的典型反应，如酯化反应、脱水反应、醚化反应等，反应产物主要用于生产聚酯纤维和聚酯塑料等，广泛用于生产润滑剂、增塑剂、非离子表面活性剂以及炸药等，并可以直接用作防冻剂和配制发动机的冷却剂。传统工艺是利用氯乙醇与碱反应生成环氯乙烷，再由环氯乙烷水解得到乙二醇，这样的传统方法缺点是能耗大、产品纯度差。现代工艺是由氯乙醇在弱碱水溶液中进行反应，直接合成乙二醇，在经过分离制得纯乙二醇。现代工艺对反应时的温度要求较高，提高了制备难度和成本。
因此，亟需改进氯乙醇法制备，通过添加新的技术，提高氯乙醇法制备乙二醇的纯度和制备时的难度。
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氯乙醇法制备乙二醇反应系统，该反应系统一方面通过设置回用反应器，回收氯化钠用以生成碳酸氢钠，将碳酸氢钠返回至主物料反应器中继续反应，节约了成本，另一方面通过在回用反应器内设置微界面发生器将进入的气相高效破碎成微米级气泡，并分散到回用反应器各处形成微界面体系，以数十倍的提高反应气液内相界面积，大幅提高气相向液相的传质速率，这样能够充分对氯化钠进行回收利用生成原料碳酸氢钠，节约了成本，提高了副产物利用率。
本发明的第二目的在于提供一种采用上述反应系统进行制备乙二醇的方法，该方法操作简便，得到的乙二醇纯度高、产品品质高，制得广发推广进行应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统，包括：主物料反应器、回用反应器和结晶器；
所述主物料反应器连接有碳酸氢钠存储罐和氯乙醇存储罐，所述主物料反应器反应后的产物进入到所述结晶器中，所述结晶器连接有所述回用反应器；
所述回用反应器内设置有氨气微界面发生器、二氧化碳微界面发生器，所述氨气微界面发生器连接有氨气进气管道，所述二氧化碳微界面发生器连接有二氧化碳进气管道。
优选的，所述氨气微界面发生器设置在所述回用反应器的底部，所述二氧化碳微界面发生器设置在所述回用反应器的中部。
优选的，所述的反应系统还包括有布气通道，所述布气通道垂直设置在所述氨气微界面发生器和所述二氧化碳微界面发生器之间，所述二氧化碳微界面发生器的出气口朝下与所述布气通道相连，所述氨气微界面发生器的出气口朝上与所述布气通道相连。
优选的，所述布气通道上设置有排气孔，所述排气孔均匀分布在所述布气通道的侧壁上。
优选的，所述回用反应器的顶部设置有溶解器用以将所述结晶器析出的固体氯化钠重新溶于水中。
优选的，所述溶解器周围设置有喷流管道用以将溶解后的氯化钠溶液喷射进所述回用反应器中。
现有技术中氯乙醇制备乙二醇的反应系统中，氯乙醇和碳酸氢钠水解反应生成乙二醇和氯化钠，氯化钠在结晶器中沉淀后被过滤掉，这造成了原料上的浪费；且如果利用氯化钠生成碳酸氢钠时，由于氨气和二氧化碳与氯化钠溶液之间的相界传质面积较小，接触时间较短，因此导致生成碳酸氢钠效率低。本发明为了解决上述技术问题提供了一种反应系统，该反应系统在结晶器之下设置回用反应器用以收集再利用结晶器排出的氯化钠沉淀，并且通过在回用反应器中加入微界面发生器来提高反应效率。
本发明的主物料反应器连接有碳酸氢钠存储罐和氯乙醇存储罐，碳酸氢钠和氯乙醇在主物料反应器中反应生成乙二醇和氯化钠并输送至结晶器，结晶器冷却后析出氯化钠结晶，氯化钠结晶从结晶器排出后进入到回用反应器中。
回用反应器内部设置有氨气微界面发生器用以将氨气进气管道输送进来的氨气破碎分散为氨气微气泡，回用反应器内部设置有二氧化碳微界面发生器用以将二氧化碳进气管道输送进来的二氧化碳破碎分散为二氧化碳微气泡。氨气和二氧化碳被微界面发生器破碎分散为微气泡，增大了氨气、二氧化碳和氯化钠溶液之间的相界传质面积，提高了乙二醇生成的反应效率。
本发明中之所以氨气微界面发生器设置在回用反应器的底部，二氧化碳微界面发生器设置在回用反应器的中部，是因为氨气的密度小于二氧化碳的密度，氨气在溶液中的上升速度要快于二氧化碳在溶液中的上升速度。所以氨气微界面发生器设置在回用反应器底部，二氧化碳微界面发生器设置在回用反应器的中部，在反应过程中增长了氨气和二氧化碳的反应时间，提高了碳酸氢钠的反应效率。
本发明中氨气微界面发生器和二氧化碳微界面发生器之间还设置有布气通道，二氧化碳微界面发生器的出气口朝下与布气通道相连，氨气微界面发生器的出气口朝上与布气通道相连。两个微界面发生器之间设置布气通道，布气通道上设置有排气孔，所述排气孔均匀分布在布气通道的侧壁上用以将微界面发生器里出来的微气泡均匀分散到回用反应器中，并能够提升分散破碎后的二氧化碳与氨气之间的融合度。二氧化碳微界面发生器的出气口之所以朝下与布气通道相连，氨气微界面发生器的出气口之所以朝上与布气通道相连，是因为二氧化碳的密度大于氨气的密度，二氧化碳微气泡更容易向下和氨气微气泡发生反应。
本发明在回用反应器的顶部设置有溶解器用以将结晶器析出的固体氯化钠重新溶于水中。溶解器周围设置有喷流管道用以将溶解后的氯化钠溶液喷射进回用反应器中，本来聚集在顶部的氨气微气泡和二氧化碳微气泡随着氯化钠溶液的喷射返回至回用反应器的中部或底部，使得氨气微气泡和二氧化碳微气泡充分与氯化钠溶液反应，加强了反应效率。
总之，在本反应系统中加入了回用反应器，回收再利用废弃的氯化钠生成碳酸氢钠，节约了成本；通过在回用反应器中设置了微界面发生器、溶解器和布气通道，增大了氨气、二氧化碳与氯化钠溶液之间的相界传质面积，使得氨气、二氧化碳和氯化钠溶液充分接触，提高反应效率，缩短反应时间。
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、CN201610641251.7、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，虽然有的微界面发生器属于气动式微界面发生器类型，有的微界面发生器属于液动式微界面发生器类型，还有的属于气液联动式微界面发生器类型，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，所述回用反应器连接有所述主物料反应器用以向所述主物料反应器提供碳酸氢钠。
此外，本发明还提供了一种氯乙醇制备乙二醇的反应方法，包括如下步骤：
(A)碳酸氢钠、氯乙醇以及水发生反应得到乙二醇及副产物氯化钠，将己二醇进行纯化；
(B)氨气、二氧化碳预先微界面分散破碎，副产物氯化钠与破碎分散后的氨气、二氧化碳反应得到碳酸氢钠，重新利用。
优选的，所述步骤(A)反应温度为80-105℃，所述步骤(B)反应温度为5-10℃。
与现有技术中的氯乙醇制备乙二醇的方法相比，本发明的方法可以收集再利用被废弃的氯化钠，提高碳酸氢钠的生产效率，从而提升了乙二醇的生产效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过设置回用反应器，回收再利用了被废弃的氯化钠，节约了成本；
(2)本发明的反应系统通过设置在回用反应器内部的微界面发生器将进入的气相高效破碎分散成微米级气泡，并分散到溶剂中形成微界面体系，大幅提高气相向液相的传质速率；
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氯乙醇法制备乙二醇的反应系统的结构示意图。
其中：
101-碳酸氢钠存储罐； 102-氯乙醇存储罐；
103-二氧化碳进气管道； 104-氨气进气管道；
20-主物料反应器； 30-结晶器；
40-回用反应器； 41-二氧化碳微界面发生器；
42-氨气微界面发生器； 43-布气通道；
431-排气孔； 44-溶解器；
441-喷流管道； 50-蒸馏塔；
60-过滤器； 70-精馏塔；
80-乙二醇存储罐。
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，为本发明实施例提供的氯乙醇制备乙二醇的反应系统，其主要包括碳酸氢钠存储罐101、氯乙醇存储罐102、主物料反应器20、结晶器30、回用反应器40、二氧化碳进气管道103、氨气进气管道104、蒸馏塔50、过滤器60、精馏塔70和乙二醇存储罐80。碳酸氢钠存储罐101和氯乙醇存储罐102连接有主物料反应器20用以向主物料反应器20输送原料碳酸氢钠和氯乙醇，碳酸氢钠和氯乙醇在主物料反应器20里发生反应生成乙二醇和副产物氯化钠，反应温度为100℃。将反应生成的乙二醇和氯化钠输送至结晶器30，在结晶器30中使溶液冷却析出氯化钠结晶，经过纯化的乙二醇进入到蒸馏塔50里。被排出的氯化钠结晶进入到回用反应器40顶部的溶解器44中进行溶解，变成氯化钠溶液。溶解器44周围还设置了喷流管道441，氯化钠溶液通过喷流管道441喷射进回用反应器40中。
回用反应器40中还设置了二氧化碳微界面发生器41和氨气微界面发生器42，在回用反应器40外还有二氧化碳进气管道103和氨气进气管道104。二氧化碳进气管道103穿过回用反应器40侧壁与二氧化碳微界面发生器41相连用以向二氧化碳微界面发生器41输送氧气，氨气进气管道104穿过回用反应器40侧壁与氨气微界面发生器42相连用以向氨气微界面发生器42输送氨气。二氧化碳微界面发生器41设置在回用反应器40的中部，氨气微界面发生器42设置在回用反应器40的底部，二氧化碳微界面发生器41与氨气微界面发生器42中间垂直设置有布气通道43。
布气通道43上端连接着二氧化碳微界面发生器41的出气口，下端连接着氨气微界面发生器42的出气口。从二氧化碳微界面发生器41出来的二氧化碳微气泡和从氨气微界面发生器42出来的氨气微气泡在布气通道43中充分混合之后从排气孔431排出进入到回用反应器40。因为排气孔431是均匀分布在布气通道43上的，所以出来的氨气微气泡和二氧化碳微气泡均匀分散到回用反应器40中。氨气、二氧化碳和氯化钠溶液在回用反应器40中充分反应生成碳酸氢钠，将碳酸氢钠返回至主物料反应器20中重新与氯乙醇进行反应。
主物料反应器20中生成的乙二醇经过结晶器30的纯化后进入到蒸馏塔50中，蒸馏塔50蒸馏出了水分，乙二醇的饱和度降低析出乙二醇晶体，将沉淀下来的乙二醇晶体收集，之后输送到过滤器60中。
过滤器60中充满了丙酮溶液，因为乙二醇晶体易溶于丙酮溶液，所以从蒸馏塔50收集的乙二醇晶体都溶于丙酮溶液中。在乙二醇溶于丙酮溶液后，丙酮溶液带着乙二醇进入到了精馏塔70中，精馏塔70利用混合物各组分具有不同的挥发度，将丙酮转化为气相从塔顶排出，将未反应完全的氯乙醇从塔底排出，将剩下的乙二醇输送至乙二醇存储罐80用以保存。
另外，在具体反应过程中，主物料反应器20中的反应温度为100℃，回用反应器40中的反应温度为5℃。
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 (9)

1.一种氯乙醇法制备乙二醇的反应系统，其特征在于，包括：主物料反应器、回用反应器和结晶器；
所述主物料反应器连接有碳酸氢钠存储罐和氯乙醇存储罐，所述主物料反应器反应后的产物进入到所述结晶器中，所述结晶器连接有所述回用反应器；
所述回用反应器内设置有氨气微界面发生器、二氧化碳微界面发生器，所述氨气微界面发生器连接有氨气进气管道，所述二氧化碳微界面发生器连接有二氧化碳进气管道。
2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述氨气微界面发生器设置在所述回用反应器的底部，所述二氧化碳微界面发生器设置在所述回用反应器的中部。
3.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，还包括有布气通道，所述布气通道垂直设置在所述氨气微界面发生器和所述二氧化碳微界面发生器之间，所述二氧化碳微界面发生器的出气口朝下与所述布气通道相连，所述氨气微界面发生器的出气口朝上与所述布气通道相连。
4.根据权利要求3所述的反应系统，其特征在于，所述布气通道上设置有排气孔，所述排气孔均匀分布在所述布气通道的侧壁上。
5.根据权利要求1-4所述的反应系统，其特征在于，所述回用反应器内的顶部设置有溶解器用以将所述结晶器析出的固体氯化钠重新溶于水中。
6.根据权利要求5所述的反应系统，其特征在于，所述溶解器周围设置有喷流管道用以将溶解后的氯化钠溶液喷射进所述回用反应器中。
7.根据权利要求1-6所述的反应系统，其特征在于，所述回用反应器连接有所述主物料反应器用以向所述主物料反应器提供碳酸氢钠。
8.采用权利要求1-7任一项所述的一种氯乙醇制备乙二醇的反应方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)碳酸氢钠、氯乙醇以及水发生反应得到乙二醇及副产物氯化钠，将所述己二醇进行纯化；
(B)氨气、二氧化碳预先微界面分散破碎，副产物氯化钠与破碎分散后的氨气、二氧化碳反应得到碳酸氢钠，重新利用。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)反应温度为80-105℃，所述步骤(B)反应温度为5-10℃。
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