CN113648959A - 一种循环酯化塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环酯化塔，它涉及化工设备技术领域。塔体的侧边上方设有甲醇溶液入口和混合气入口，塔体侧边下方设有酯化循环气出口，下封头的底部设有釜液出口；塔体上设有双循环结构和预反应区，双循环结构包括酯化循环气入口和塔釜循环液入口，酯化循环气入口设于上封头的顶部；塔体内位于塔釜循环液入口和混合气入口之间设有预反应区；塔体内位于混合气入口下方设有氧化区；氧化区下方设有三段反应区，反应区下方设有循环气收集器，循环气收集器与酯化循环气出口相连通。本发明的优点在于：釜液中的一部分硝酸重新转化成亚硝酸甲酯，提高产品的转化率；采用气液顺流的结构，有利于提高反应效率；具有很好的操作弹性。

Description

一种循环酯化塔

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，具体涉及一种循环酯化塔。

背景技术

在煤化工行业中，我国开发的两步法煤制乙二醇工艺在国际上技术领先。第一步制取草酸二甲酯，第二步草酸二甲酯加氢制取乙二醇，而要获得草酸二甲酯必先制取亚硝酸甲酯。在工程上制取亚硝酸甲酯的工序称为“酯化”，酯化塔就是用于这道工序的重要设备。

现有技术中，煤制乙二醇工程中所用的酯化塔都是采用气液对流的方式来进行传质、传热，这样的结构在酯化热力学和流体力学方面的适应性并不是最佳，导致反应效率低，产品转化率低，操作弹性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种循环酯化塔，能够解决现有技术中采用气液对流来进行传质、传热的方式在酯化热力学和流体力学方面的适应性不好、反应效率低、产品的转化率低、操作弹性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：包括塔体，所述塔体的顶部和底部分别设有上封头和下封头，其特征在于：所述塔体的侧边上方设有甲醇溶液入口和混合气入口，所述甲醇溶液入口设于混合气入口上方，所述塔体侧边下方设有酯化循环气出口，所述下封头的底部设有釜液出口；

所述塔体上设有双循环结构和预反应区，所述双循环结构包括酯化循环气入口和塔釜循环液入口，所述酯化循环气入口设于上封头的顶部，所述塔釜循环液入口设于塔体的侧边，且塔釜循环液入口设于甲醇溶液入口和混合气入口之间；

所述酯化循环气出口通过气体循环管路与酯化循环气入口连通，所述气体循环管路上安装有冷凝器，所述釜液出口与塔釜循环液入口之间通过液体循环管路连通，所述液体循环管路上连通有储罐，所述储罐与塔釜循环液入口之间的液体循环管路上安装有水泵；

所述塔体内位于塔釜循环液入口和混合气入口之间设有预反应区，所述预反应区设有填料；

所述塔体内位于混合气入口下方设有氧化区，所述氧化区高度大于预反应区的高度；

所述塔体内的氧化区下方设有三段反应区，由上往下依次为第一反应区、第二反应区和第三反应区，所述三段反应区分别设有填料，所述第三反应区下方设有循环气收集器，所述循环气收集器与酯化循环气出口相连通；

所述预反应区、第一反应区、第二反应区和第三反应区的顶部均设有即时液体分布器，所述即时液体分布器的底部均匀分布有若干分布孔。

进一步地，所述甲醇溶液入口与水平设于塔体内的单管液体分布器相连通，所述单管液体分布器的底部设有若干出液孔；

所述塔釜循环液入口通过水平设置的连通管、纵向设置的导入管与液体预分布器相连通，所述连通管的一端与塔釜循环液入口连通，连通管的另一端与导入管顶部连通设置，所述导入管的底部与液体预分布器连通，所述液体预分布器的底部设有若干出液孔；

所述混合气入口与设于塔体内的混合气分布器相连通，所述混合气分布器的底部设有气体分布孔；

所述酯化循环气入口的下方设有循环气分布器，所述循环气分布器底部分布有气体分布孔。

进一步地，所述预反应区、第一反应区、第二反应区和第三反应区的填料分别通过填料支撑栅支承。

进一步地，所述循环气收集器、液体预分布器、单管液体分布器分别通过支撑筋板支撑。

采用上述结构后，本发明的优点在于：

1、采用双循环结构，使得釜液中的相当一部分硝酸重新转化成亚硝酸甲酯，提高产品的转化率，设置预反应区，让硝酸在预反应区单独与高浓度甲醇反应，硝酸的转化率达到90%以上，从而比老式酯化塔额外增产了由硝酸转化而成的这一部分亚硝酸甲酯；

2、采用气液顺流的结构，有利于提高反应效率，气液顺流的方式特别适合酯化反应的热力学和流体力学特性，因而效率更高，顺流方式是靠压力差来驱动流体从高压力位向低压力位流动的，压力差越大，流动速度越快，因而流速是可控的，才能够满足在预反应区硝酸转化成亚硝酸甲酯的气体流速要求；

3、酯化后的气体从反应区的下方侧线采出，然后冷凝分离出亚硝酸甲酯产品，这样采出产品的同时也移走了反应所产生的热量，保持了反应区的热平衡，反应效率更高；

4、由于本酯化塔的结构特别适应酯化反应的热力学和流体力学特性，所以具有很好的操作弹性，操作负荷在60～110%之间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的上部分结构的放大示意图；

图3为本发明的下部分结构的放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1-图3所示，本具体实施方式采用如下技术方案：包括塔体4，塔体4的顶部和底部分别设有上封头15和下封头3，塔体4通过裙座2支撑，裙座2的侧面下方设有检查孔1，塔体4的侧面还设置了数个人孔18供安装和检修之用。

塔体4的侧边上方设有甲醇溶液入口13和混合气入口10，甲醇溶液入口13设于混合气入口10上方，塔体4侧边下方设有酯化循环气出口5，下封头3的底部设有釜液出口21，反应以后的气态物质从下部的酯化循环气出口5采出，采出后对气体进行冷却降温，使亚硝酸甲酯变成液体，从而得以分离出来，反应生成的液体汇集到塔釜中从釜液出口21采出。

甲醇溶液入口13与水平设于塔体内的单管液体分布器14相连通，单管液体分布器14的底部设有若干出液孔，甲醇溶液经甲醇溶液入口13进入单管液体分布器14，通过单管液体分布器14将甲醇溶液均匀加入塔体4内，混合气入口10与设于塔体4内的混合气分布器9相连通，混合气分布器9的底部设有气体分布孔，混合气通过混合气入口10进入混合气分布器9内，由混合气分布器9将混合气均匀加入塔体4内。

塔体4上设有双循环结构和预反应区，双循环结构包括酯化循环气入口16和塔釜循环液入口12，酯化循环气入口16设于上封头15的顶部，酯化循环气入口16的下方设有循环气分布器17，循环气分布器17底部分布有气体分布孔，酯化循环气出口5通过气体循环管路23与酯化循环气入口16连通，气体循环管路23上安装有冷凝器24，酯化循环气出口5采出的气体冷却降温后，不凝气体由酯化循环气入口16进入循环气分布器17，通过循环气分布器17送入塔体4内重新参加酯化反应，形成气体循环。

塔釜循环液入口12设于塔体4的侧边，且塔釜循环液入口12设于甲醇溶液入口13和混合气入口10之间，塔釜循环液入口12通过水平设置的连通管、纵向设置的导入管与液体预分布器11相连通，连通管的一端与塔釜循环液入口12连通，连通管的另一端与导入管顶部连通设置，导入管的底部与液体预分布器11连通，液体预分布器11的底部设有若干出液孔，釜液出口21与塔釜循环液入口12之间通过液体循环管路25连通，液体循环管路25上连通有储罐26，储罐26与塔釜循环液入口12之间的液体循环管路25上安装有水泵27，从塔釜出口21的釜液进入储罐26中，从储罐26中分流出来一部分釜液通过水泵27输至塔釜循环液入口12，进入连通管、导入管，再进入液体预分布器11，通过液体预分布器11将塔釜循环液重新均匀加入塔体4内，形成液体循环，储罐26内的其余釜液通过另路送入后面的工序回收其中的甲醇和硝酸，并去除其它杂质。

塔体4内位于塔釜循环液入口12和混合气入口10之间设有预反应区7-1，预反应区7-1设有填料，塔体4内位于混合气入口10下方设有氧化区22，氧化区22高度远大于预反应区7-1的高度，让硝酸在预反应区7-1单独与高浓度甲醇反应，硝酸的转化率达到90%以上，从而比老式酯化塔额外增产了由硝酸转化而成的这一部分亚硝酸甲酯。

塔体4内的氧化区22下方设有三段反应区，由上往下依次为第一反应区7-2、第二反应区7-3和第三反应区7-4，三段反应区分别设有填料，第三反应区7-4下方设有循环气收集器20，循环气收集器20与酯化循环气出口5相连通。

预反应区7-1、第一反应区7-2、第二反应区7-3和第三反应区7-4的顶部均设有即时液体分布器8，即时液体分布器8的底部均匀分布有若干分布孔，通过即时液体分布器8将液体往各个填料内均匀分布，预反应区7-1、第一反应区7-2、第二反应区7-3和第三反应区7-4的填料分别通过填料支撑栅6支承。

循环气收集器20、液体预分布器11、单管液体分布器14分别通过支撑筋板19支撑。

工作原理及工作流程：制取亚硝酸甲酯通常采用一氧化氮加氧气再加甲醇混合后发生化学反应生成亚硝酸甲酯和水，同时还生成少量硝酸，在本循环酯化塔中加入氧和一氧化氮都是气态的，加入甲醇是液态的，化学反应后生成亚硝酸甲酯是气态的，生成的水和硝酸是液态的，反应过程是一个放热的过程。

在入塔之前，将氧气和一氧化氮混合起来变成混合气，从塔体4的中上部的混合气入口10加入，甲醇从顶部甲醇溶液入口13加入，反应以后的气态物质从下部的酯化循环气出口5采出，采出后对气体进行冷却降温，使亚硝酸甲酯变成液体，从而得以分离出来，不凝气体中含有一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮以及微量甲醛等，这部分不凝气体被送入塔体4内重新参加酯化反应，这样形成第一个循环；反应生成液体汇集到塔釜中从釜液出口21采出，采出的釜液分成两部分，一部分送下道工序回收其中的甲醇，另一部分被送到塔釜循环液入口12，加入塔体4内重新参与反应，这就形成第二个循环。

在预反应区7-1的上方有三个加料口，甲醇溶液入口13加入的是甲醇新料，其余两个加料口塔釜循环液入口12和酯化循环气入口16都是循环加料口，从酯化循环气入口16加入的气体主要成份是一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮等气体，从塔釜循环液入口12加入液体主要成份是水和硝酸。

当甲醇的质量分数大于８５%，硝酸的质量分数为１０%，一氧化氮的体积分数为２０%，气体的流速为１００mL/min时，一氧化氮、硝酸和甲醇就会发生反应生成亚硝酸甲酯，一氧化氮的转化率大于80%，硝酸的转化率大于90%，采用气液顺流的方式特别适合酯化反应的热力学和流体力学特性，因而效率更高，现有技术中的煤制乙二醇酯化塔都是采用对流的方式，即液体从上部加入依靠重力向下流动，气体从下部加入，凭借浮力向上流动，在对流的过程中互相接触从而发生化学反应，这种自然的对流方式，其流速难以控制，顺流方式是靠压力差来驱动流体从高压力位向低压力位流动的，压力差越大，流动速度越快，因而可控制气体流速至１００mL/min，能够满足在预反应区7-1硝酸转化成亚硝酸甲酯的气体流速要求。

循环气从酯化循环气入口16加入后，经过循环气分布器17分布后在塔体4的顶部空间内均匀扩散，然后进入填料中，甲醇从甲醇溶液入口13加入后经过单管液体分布器14后进入液体预分布器11进行分布，并与塔釜循环回来的液体混合，然后进入即时液体分布器8再次进行分布，然后进入填料中，从塔釜出口21分流出来一部分釜液从塔釜循环液入口12加入进来，通过液体预分布器11分配并与甲醇混合后再进入即时液体分布器8进行精细分布，然后进入了填料中，在预反应区7-1一氧化氮、硝酸和甲醇就会发生反应生成亚硝酸甲酯，反应生成物质和反应剩余的甲醇、一氧化氮、二氧化氮以及三氧化二氮等都进入到氧化区22，这时甲醇的质量分数已经小于85%，这样的浓度正好适合后续反应的需要。

一氧化氮是后续合成所必须的原料，二氧化氮和三氧化氮这些氮氧化物实际上后续化学反应的中间过渡物质，因而都是后续反应中有用的成份，从混合气入口10加入氧气和一氧化氮，在氧化区22和上方来的液体和气体在压力差的作用下一起向下流动，一边流动一边氧化，经过一段较长的路径，氧气基本消耗干净，一氧化氮大部分都转化成二氧化氮，继而进一步转化成三氧化氮，经过这一段路程气体在塔体4的横截面上分布是均匀的，但是甲醇液体分布不一定均匀，于是在进入第一反应区7-2之前采用一个即时液体分布器8对液体进行一次重新分配，使其均匀地进入到填料当中，在填料中甲醇与氮氧化物密切接触产生化学反应，生产亚硝酸甲酯和水，因为要使反应充分就要有一定的时间保证，所以需要有一定长度的路径，但是液体在填料中流经的路径太长时，横截面上各处的流量会逐渐变得不均匀，为此将反应区分成三段，即第一反应区7-2、第二反应区7-3、第三反应区7-4，每个反应区的上面都布置了一个即时液体分布器8，进行三次重新分配，这样确保液体在填料中始终均匀流动，离开反应区，反应产生的水以及未消耗完的甲醇汇集到塔釜，从釜液出口21采出，进行后续处理和后续循环，反应生的成亚硝酸甲酯气体以及氮氧化物气体从酯化循环气出口5采走，进行冷凝分离。

本发明采用双循环结构和预反应区，使得釜液中的相当一部分硝酸重新转化成亚硝酸甲酯，提高产品的转化率，由于硝酸转化成亚硝酸甲酯的必要条件之一是甲醇的质量分数要大，因此设置了预反应区，让硝酸在预反应区单独与高浓度甲醇反应，硝酸的转化率达到90%以上，从而比老式酯化塔额外增产了由硝酸转化而成的这一部分亚硝酸甲酯；

采用气液顺流的结构，有利于提高反应效率，气液顺流的方式特别适合酯化反应的热力学和流体力学特性，因而效率更高，顺流方式是靠压力差来驱动流体从高压力位向低压力位流动的，压力差越大，流动速度越快，因而流速是可控的，要在预反应区使硝酸转化成亚硝酸甲酯的必要条件之是气体流速为100mmL/min，只有采用顺流方式才能实现这样的要求；

酯化后的气体从反区的下方侧线采出，然后冷凝分离出亚硝酸甲酯产品，这样采出产品的同时也移走了反应所产生的热量，保持了反应区的热平衡，而老式酯化塔气相出口离反应区较远，当反应剧烈时会产生局部过热，不利于酯化的进行，因而会阻碍反应效率的提高；

由于本酯化塔的结构特别适应酯化反应的热力学和流体力学特性，所以具有很好的操作弹性，操作负荷在60～110%之间。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种循环酯化塔，包括塔体，所述塔体的顶部和底部分别设有上封头和下封头，其特征在于：所述塔体的侧边上方设有甲醇溶液入口和混合气入口，所述甲醇溶液入口设于混合气入口上方，所述塔体侧边下方设有酯化循环气出口，所述下封头的底部设有釜液出口；

所述塔体上设有双循环结构和预反应区，所述双循环结构包括酯化循环气入口和塔釜循环液入口，所述酯化循环气入口设于上封头的顶部，所述塔釜循环液入口设于塔体的侧边，且塔釜循环液入口设于甲醇溶液入口和混合气入口之间；

所述酯化循环气出口通过气体循环管路与酯化循环气入口连通，所述气体循环管路上安装有冷凝器，所述釜液出口与塔釜循环液入口之间通过液体循环管路连通，所述液体循环管路上连通有储罐，所述储罐与塔釜循环液入口之间的液体循环管路上安装有水泵；

所述塔体内位于塔釜循环液入口和混合气入口之间设有预反应区，所述预反应区设有填料；

所述塔体内位于混合气入口下方设有氧化区，所述氧化区高度大于预反应区的高度；

所述塔体内的氧化区下方设有三段反应区，由上往下依次为第一反应区、第二反应区和第三反应区，所述三段反应区分别设有填料，所述第三反应区下方设有循环气收集器，所述循环气收集器与酯化循环气出口相连通；

所述预反应区、第一反应区、第二反应区和第三反应区的顶部均设有即时液体分布器，所述即时液体分布器的底部均匀分布有若干分布孔。

2.根据权利要求1所述的一种循环酯化塔，其特征在于：所述甲醇溶液入口与水平设于塔体内的单管液体分布器相连通，所述单管液体分布器的底部设有若干出液孔；

所述塔釜循环液入口通过水平设置的连通管、纵向设置的导入管与液体预分布器相连通，所述连通管的一端与塔釜循环液入口连通，连通管的另一端与导入管顶部连通设置，所述导入管的底部与液体预分布器连通，所述液体预分布器的底部设有若干出液孔；

所述混合气入口与设于塔体内的混合气分布器相连通，所述混合气分布器的底部设有气体分布孔；

所述酯化循环气入口的下方设有循环气分布器，所述循环气分布器底部分布有气体分布孔。

3.根据权利要求1所述的一种循环酯化塔，其特征在于：所述预反应区、第一反应区、第二反应区和第三反应区的填料分别通过填料支撑栅支承。

4.根据权利要求1所述的一种循环酯化塔，其特征在于：所述循环气收集器、液体预分布器、单管液体分布器分别通过支撑筋板支撑。

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