CN115124426A - 一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机合成制备硝酸异丙酯的技术领域,提供了一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺及系统。包括:将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别以连续流的形式引入微通道硝化反应器中形成物料流,在反应器合成段前端进行硝化反应,在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中;对物料流进行粗分离、洗涤后,获得产品。在微反应器内混合处理可避免酸与水接触时的强放热,降低了安全风险。本发明制备方法可提高硝酸异丙酯合成效率与安全性,减少氮氧化合物废气排放,同时生产过程中的能耗降低,提升了资源利用率,分离后所得废酸中硝酸异丙酯含量小于0.1%,增强了废酸的稳定性,使废酸后期脱硝处理安全风险显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及硝酸异丙酯合成技术领域,尤其涉及一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺及系统。
背景技术
硝酸异丙酯作为一种重要的有机化合物,可用作溶剂、汽车燃料添加剂,用于有机合成,但是关于其合成的方法并不多见。由于异丙醇分子中含有仲羟基,其硝化较为困难。目前可见报道的制法主要采用高温硝化,文献《环保连续化硝酸异丙酯生产工艺研究》(奚美珏,含能材料.1998,(02))中对该方法进行了描述,将50ml 73%硝酸倒入四口梨形烧瓶中,再加入5.5g尿素和13g硝酸铵,于搅拌下缓慢升温至70~80℃,待尿素和硝酸铵完全溶解后,再升温至 95~100℃,滴加12g异丙醇(滴液漏斗的下端必须插入硝化液中),并同时打开冷凝水和减压装置(即水抽子),使反应体系内产生一定负压,将反应产生的氧化氮气体及时排出,滴加异丙醇的时间为12~15min,温度为100℃,加料完毕后于100~105℃下保温10min左右,直至无回流和冷凝产物出现为止。停止搅拌、抽气和冷凝,将冷凝液倒入分液漏斗中分层,弃去下层废酸后用25~30ml 30%的Na2CO3水溶液洗涤酯相,再用30ml去离子水洗涤酯相两次,直至pH=7 时,收集下层产品,得率为85%,产品为无色液体,相对密度为1.040,经气相色谱分析其纯度为98%以上。从反应过程中可知,异丙醇在与硝酸硫酸混合酸反应的过程中,因硝酸受热释放氮氧化合物气体及反应过程中产生氮氧化合物气体,需使加入大量的稳定剂(尿素与硝酸铵),同时采用负压的方法将气体驱除,保证反应的安全进行,此外为了保证原料不与氮氧化合物接触,采用了液面下滴加的方式来避免异丙醇在氮氧化合物中氧化为丙酸。该方法虽然得到了产物,但缺点也很明显,一是反应需在高温下进行,以便于产物与氧化氮废气一并蒸出,但后期收集时需加入冷凝设备,同时氧化氮气体为大气污染物,对环境不友好,二是原料需在液面下缓慢滴加,增加了操作难度,危险性大大条,三是废酸中含有残余的尿素及硝酸铵,分离困难,废酸一旦无法回用,易增加生产成本及处理成本。
专利CN113620807A《一种连续合成硝酸异丙酯的微通道反应系统和工艺》使用了微通道连续合成的方法,其反应原料使用的为异丙醇和高纯度精制硝酸;采用连续合成硝酸异丙酯的微通道反应系统,在低温条件下进行连续硝化反应,制得初步反应产物,初步反应产物经过离心酸酯分离、离心碱洗和离心盐洗后,最终制得硝酸异丙酯。该方法的优点是在较低的温度下合成了硝酸异丙酯,完成了连续化生产,但缺点与文献《环保连续化硝酸异丙酯生产工艺研究》相同,即需要排除氮氧化合物气体对反应造成的影响,专利中描述其原料中的硝酸需通过预处理工艺,大致为低温下混合浓硫酸与发烟硝酸,再蒸馏收集高纯度精制硝酸,该工艺处理较为繁琐且危险。此外专利中使用盐水碱水反复洗涤产品,产生的废水并未具体说明后处理工艺,因此含酸与盐的混合废水仍未得到处理解决。
综上,目前对于硝酸异丙酯的合成仍存在较多的限制,同时对生产过程中产生的废酸废水并无较好的方法,而常规操作的缺点主要有:(1)硝化过程中需避免氮氧化合物气体对反应过程造成的影响;(2)废酸的再生利用并无提出相应的解决方法;(3)洗涤产品后的废水并无提出更好的处理方法。同时值得指出的是,以上文献及专利中对硝酸异丙酯合成的描述均为实验室小试工艺,异丙醇的用量偏小,并不适用于规模化的大工业生产,因此硝酸异丙酯的工业化连续安全生产问题及三废处理问题是本专利需解决的主要问题。
发明内容
为了解决现有技术中硝酸异丙酯合成过程及废酸废水相关处理技术的空白,本发明提供了一种安全高效合成硝酸异丙酯及合理处理废酸废水的处工艺方法及系统。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,包括:
将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别以连续流的形式引入微通道硝化反应器中形成物料流,在反应器合成段前端进行硝化反应,在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中;
对物料流进行粗分离、洗涤后,获得产品。
作为本发明的进一步改进,所述硝酸硫酸混合酸的进料温度为30~40℃,进料速度为500~1450mL/min,异丙醇进料温度为10~15℃,进料速度为 100~200mL/min,氧气的泵入速度为4~10mL/min。
作为本发明的进一步改进,所述洗涤后的废酸性水与浓硫酸一并引入微通道废酸处理反应器内,获得副产物酸,所述副产物酸作为原料重复使用。
作为本发明的进一步改进,所述浓硫酸的进料速度为70~200mL/min,废酸性水的进料速度为25~55mL/min,废酸的进料速度为40~110mL/min。
作为本发明的进一步改进,所述微通道硝化反应器和微通道废酸处理反应器内部所用的循环冷却液为水,温度分别为8~10℃和6~8℃,循环冷却液的流量为3~5L/min和3~7L/min。
一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,包括:混酸罐、异丙醇罐、微通道硝化反应器、分离罐和洗涤罐;
所述微通道硝化反应器具有硝酸硫酸混合酸管道、异丙醇管道及气体管道;混酸罐与硝酸硫酸混合酸管道连接,异丙醇罐与异丙醇管道连接;
所述微通道硝化反应器的出口依次连接分离罐和洗涤罐;洗涤罐连接成品罐。
作为本发明的进一步改进,还包括微通道废酸处理反应器和硫酸罐;
所述洗涤罐的液体的出口还连接有酸性废水罐;所述分离罐的液体的出口、硫酸罐的出口、酸性废水罐的出口均连接微通道废酸处理反应器的入口,微通道废酸处理反应器出口连接副产物酸罐。
作为本发明的进一步改进,所述微通道硝化反应器包括第一反应器壳体、第一冷却浴管道和反应器合成段,第一反应器合成段贯穿所述第一反应器壳体,所述第一冷却浴管道设置在第一反应器壳体与反应器合成段之间;
所述硝酸硫酸混合酸管道位于微通道硝化反应器的最前端,异丙醇管道位于硝酸硫酸混合酸管道之后,两者呈对流方向,气体管道位于微通道反应器的中后端;
所述气体管道连接制氧机和制氮机。
作为本发明的进一步改进,所述硝酸硫酸混合酸管道与反应器合成段连接处形成渐变结构,渐变结构是指从硝酸硫酸混合酸管道至反应器合成段管径逐渐变大;
所述异丙醇管道的出口位于所述渐变结构内,且异丙醇管道的出口方向与渐变结构呈对流方向;所述气体管道的出口具有扩口,扩口与反应器合成段呈对流方向;
所述异丙醇管道出口位于硝酸硫酸混合酸管的中心,异丙醇管道出口位于硝酸硫酸混合酸管出口均为圆形或平行四边形、椭圆形;所述气体管道出口置于硝酸硫酸混合酸出口中心偏下,气体管道出口为圆形、方形、椭圆形、半圆形。
作为本发明的进一步改进,所述微通道废酸处理反应器包括第二反应器壳体、第二冷却浴通道和内部通道,内部通道贯穿所述第二反应器壳体,所述第二冷却浴通道设置在第二反应器壳体与内部通道之间;
所述内部通道结构为反双曲线形状;所述微通道废酸处理反应器具有浓硫酸管道、废酸性水管道及废酸管道;其中,硫酸管道位于微通道废酸反应器一侧的前上端,废酸性水管道位于微通道废酸反应器的另一侧前下端,两者呈对流方向;废酸管道位于微通道反应器的上部,垂直向下进入。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明通过使用微通道硝化反应器,首先将异丙醇与硝酸硫酸混合酸按照一定比例进行混合反应,再通过后端泵入氧气的方式,实现硝化反应过程中生成的氮氧化合物气体(特别是一氧化氮)转变为可溶于物料流的二氧化氮气体,使用该方法可避免了反应过程中的不溶性氮氧化合物气体对反应过程造成的氧化副反应影响,同时有效的降低了微反应通道的气压,减少了反应过程中压力过高导致的安全风险,使得反应体系在正常、安全、可控的条件下完成硝化反应过程,此外由于转变的二氧化氮气体易溶于物料流中,后期采用水洗的方式即可将其带出,便于产品的后处理加工,减少了废气的排放。
本发明使用微通道废酸处理反应器,首先将浓硫酸和废酸性水进行混合,再于废酸进行混合,在整个过程中实现了酸与水接触强放热的可控性,最终所得的副产物酸中硫酸含量约为75%~80%,硝酸含量仅为0.01%~0.05%,使其可作为稀硫酸重新利用于配制混酸溶液,避免了传统工艺中废酸与废酸性水中和处理工序,减少了三废的处理量,基本上实现了零废弃物的目标。经济效益与环保效益巨大。
本发明对反应器管口接入的位置及形状是根据物料的物理特性与流动原理进行选择和设计的。首先,异丙醇管口与混酸管口相向,且前者管口较后者细,避免了传统微通道反应器的“T“字或”Y”字型设计而导致的因物料输送泵脉冲导致的原料瞬时过量或不足量的问题,确保了异丙醇可全部与混酸碰撞反应,其次气体管口设置于整体管道下端,有利于气体自下而上的充盈管道内部,保证了物料流与氧气的充分接触,氮氧化合物废气转化率提升,最后高密度的浓硫酸管口在前上部,低密度的废酸性水管口在后下部,在遵循重力作用影响下,浓硫酸持续移动至废酸性水相,并在两者界面间接触放热,最终完成稀释,废酸管口设计于尾端,与稀释后浓度与其接近的稀硫酸混合,制得副产物酸。
本发明对前后两个反应器的冷却设计是根据反应放热规律进行选择和设计的。首先,微通道硝化反应器的冷却浴管道中冷浴流速方向与物料流方向为同向,该设计保证了最低温度的冷却浴对反应中心点热量进行迅速转移,随着冷却浴的升温,其在后端有利于氮氧化合物与氧气的接触反应,提高了废气转化速率;其次,微通道废酸处理反应器的冷却浴管道为椭圆形,与物料流管道相贴。浓硫酸与废酸性水混合处为反应器管道内最窄处,而为冷却浴管道最宽处,保证热点处始终处于最佳冷却环境,反之冷却浴最窄处为反应器管道内浓硫酸与废酸性水混合最少处,该设计有利于反应冷却浴热交换的最佳分布状态,确保了较高的换热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述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实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明硝酸异丙酯合成与废酸处理方法的工艺流程示意图;
图2为本发明微通道硝化反应器外观结构图;
图3为本发明微通道硝化反应器俯视结构图;
图4为本发明微通道硝化反应器侧视结构图;
图5为本发明微通道废酸处理反应器外观结构图;
图6为本发明微通道硝化反应器侧视结构图;
图7为本发明微通道硝化反应器俯视结构图;
图8为本发明实施例1制得硝酸异丙酯气相色谱分析图;
图9为本发明实施例2制得硝酸异丙酯气相色谱分析图;
图10为本发明实施例3制得硝酸异丙酯气相色谱分析图;
图11为本发明实施例4制得硝酸异丙酯气相色谱分析图;
图12为本发明实施例5制得硝酸异丙酯气相色谱分析图一;
图13为本发明实施例5制得硝酸异丙酯气相色谱分析图二。
具体实施方式
为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果,以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明,否则文中使用的所有技术及科学上的字词,均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义,当有冲突情形时,应以本说明书的定义为准。
本发明描述和公开的理论或机制,无论是对或错,均不应以任何方式限制本发明的范围,即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
本发明中,所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此,数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
本发明中,若无特别说明,“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思,例如“A包含a”涵盖了“A包含a 和其他”和“A仅包含a”的意思。
本发明中,为使描述简洁,未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合,所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
本发明首先提供了一种安全高效合成硝酸异丙酯和处理废酸工艺,包括:
将预制到一定温度的硝酸硫酸混合酸及异丙醇通过物料输送泵分别通过各自管口到微通道硝化反应器5内的前端完成硝化反应,然后在微通道硝化反应器5的后端通入氧气,使得反应过程中的氮氧化合物气体转变为可溶于物料流的二氧化氮,该物料流自微通道硝化反应器5内引出后进入分离装置进行酯酸分离,上层粗酯经水洗干燥后的到成品,下层废酸与浓硫酸、废酸性水在微通道废酸处理反应器15内混合均匀后,生成的副产物酸可循环使用配置混酸。当生产结束后,将气管入口切换至制氮机8,通过氮气对微通道硝化反应器5进行吹扫,排出所有物料。
原理为:将制备硝酸异丙酯所需的异丙醇与混酸分别通过相应的管路引微通道硝化反应器5中,再通过气路管道将氧气引入微通道硝化反应器5的后端,使氧气与物料流进行充分接触,使硝化反应过程中生成的氮氧化合物气体与氧气迅速混合接触,转变为可溶于物料流的二氧化氮,并随物料流一并引出至分离单元。收集到的酯酸混合物通过静置分离,上层有机相取出经洗涤干燥获得成品。
作为优选方案,下层废酸则再次进入微通道废酸处理反应器15内,与浓硫酸及酸性废水一同混合形成副产物酸,经检验合格后作循环利用处理。废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15内混合后,获得硫酸含量为75%~80%,硝酸含量0.01%~0.05%的副产物酸,可作为原料循环使用于配置混酸。
生产结束后,将气体管道53切换至制氮机8,吹扫管道,避免物料在反应器内停留。
进一步地,所述硝酸硫酸混合酸的进料温度为30~40℃,进料速度为500~1450mL/min,异丙醇进料温度为10~15℃,进料速度为100~200mL/min,氧气的泵入速度为4~10mL/min。进一步地,所述浓硫酸的进料速度为 70~200mL/min,废酸性水的进料速度为20~50mL/min,废酸的进料速度为 40~110mL/min。
所述的微通道硝化反应器5和微通道废酸处理反应器15,其内部所用的循环冷却液使用水,温度分别为8~10℃和6~8℃,循环冷却液的流量为3~5L/min 和3~7L/min,水流方向与物料流方向一致。
如图1所示,本发明实施例提供的设备参数并不是唯一的选择,只要满足上述处理工艺流程,设备的相关参数可适当调整。
本发明还提供基于所述方法的一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,包括:混酸罐1、异丙醇罐3、微通道硝化反应器5、分离罐11和洗涤罐12;
所述微通道硝化反应器5具有硝酸硫酸混合酸管道51、异丙醇管道52及气体管道53;混酸罐1与硝酸硫酸混合酸管道51连接,异丙醇罐3与异丙醇管道 52连接;
所述微通道硝化反应器5的出口依次连接分离罐11和洗涤罐12;洗涤罐 12连接成品罐13。
其中,混酸罐1通过第一泵2与硝酸硫酸混合酸管道51连接,异丙醇罐3 通过第二泵4与异丙醇管道52连接。
还包括微通道废酸处理反应器15和硫酸罐9;
所述洗涤罐12的液体的出口还连接有酸性废水罐14;所述分离罐11的液体的出口、硫酸罐9的出口、酸性废水罐14的出口均连接微通道废酸处理反应器15的入口,微通道废酸处理反应器15出口连接副产物酸罐16。
硫酸罐9通过第三泵10与微通道废酸处理反应器15连接。
进一步地,微通道硝化反应器5包括三个物料管道:硝酸硫酸混合酸管道、异丙醇管道及气体管道。硝酸硫酸混合酸管道位于微通道反应器的最前端,异丙醇管道位于硝酸硫酸混合酸管道之后,两者呈对流方向,气体管道位于微通道反应器的中后端。
气体管道53通过第四泵6连接制氧机7与制氮机8,可在氧气与氮气之间进行切换。
其中,异丙醇管道相对位于硝酸硫酸混合酸入口中心,两者之间水平距离为2cm~4cm,两个管道均为圆形、平行四边形、椭圆形,优选圆形。气体管道相对于硝酸硫酸混合酸入口偏下,两者之间水平距离为10cm~15cm,管道为圆形、方形、椭圆形、半圆形,优选半圆形。
进一步地,硝酸硫酸混合酸管道51直径为2mm~4mm,异丙醇管道52直径为1mm~1.2mm,气体管道53半径为2mm~3mm。
进一步地,所述特制的微通道废酸处理反应器15内部通道1505结构为反双曲线形状。曲线顶点间距为2mm~4mm,上下边沿高度距离为4~8mm。
进一步的,微通道废酸处理反应器15,共包括三个物料管道:浓硫酸管道、废酸性水管道及废酸管道。其中,硫酸管道位于微通道废酸反应器一侧的前上端,水平进入,废酸性水管道位于微通道废酸反应器的另一侧前下端,亦水平进入,两者呈对流方向,垂直距离为3~6mm,废酸性水管道较硫酸管道水平向后约3~6mm。废酸管道位于微通道反应器的上部,垂直向下进入,较较硫酸管道水平向后约5~12cm。
进一步地、根据权利要求1所述,废酸处理的工艺,硫酸管道直径为2mm~4mm,废酸性水管道1503直径为3mm~6mm,废酸管道1502半径为 3mm~6mm。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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1
在常温下,将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得产品,,同时在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中。硝酸硫酸混合酸的进料温度为30℃,进料速度为700mL/min,异丙醇进料温度为15℃,进料速度为150mL/min,氧气的泵入速度为6mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为3.5L/min。经后期对物料粗分离、洗涤后,计算每分钟获得产品约202.55g,收率为98.21%,纯度为99.80%;废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15内混合,浓硫酸的进料速度为130mL/min,废酸性水的进料速度为 32mL/min,废酸的进料速度为75mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为6L/min。获得的副产物酸,硫酸含量为75.27%,硝酸含量0.031%,该副产物酸可作为原料循环使用于配置混酸。
实施例2
在常温下,将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得产品,,同时在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中。硝酸硫酸混合酸的进料温度为35℃,进料速度为500mL/min,异丙醇进料温度为12℃,进料速度为100mL/min,氧气的泵入速度为4mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为4L/min。经后期对物料粗分离、洗涤后,计算每分钟获得产品约136.15g,收率为99.01%,纯度为99.78%;废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器 15内混合,浓硫酸的进料速度为100mL/min,废酸性水的进料速度为 20mL/min,废酸的进料速度为100mL/min,反应器内循环冷却水温度为6℃,流量为7L/min。获得的副产物酸,硫酸含量为78.33%,硝酸含量0.026%,该副产物酸可作为原料循环使用于配置混酸。
实施例3
在常温下,将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得产品,,同时在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中。硝酸硫酸混合酸的进料温度为30℃,进料速度为580mL/min,异丙醇进料温度为18℃,进料速度为120mL/min,氧气的泵入速度为10mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为3L/min。经后期对物料粗分离、洗涤后,计算每分钟获得产品163.67g,收率为99.20%,纯度为99.79%;废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15 内混合,浓硫酸的进料速度为200mL/min,废酸性水的进料速度为44mL/min,废酸的进料速度为72mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为 7L/min。获得的副产物酸,硫酸含量为78.91%,硝酸含量0.036%,该副产物酸可作为原料循环使用于配置混酸。
实施例4
在常温下,将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得产品,,同时在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中。硝酸硫酸混合酸的进料温度为40℃,进料速度为1000mL/min,异丙醇进料温度为10℃,进料速度为200mL/min,氧气的泵入速度为9mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为5L/min。经后期对物料粗分离、洗涤后,计算每分钟获得产品272.62g,收率为99.14%,纯度为99.49%;废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15 内混合,浓硫酸的进料速度为180mL/min,废酸性水的进料速度为20mL/min,废酸的进料速度为40mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为 6L/min。获得的副产物酸,硫酸含量为76.48%,硝酸含量0.023%,该副产物酸可作为原料循环使用于配置混酸。
实施例5
在常温下,将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得产品,,同时在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中。硝酸硫酸混合酸的进料温度为30℃,进料速度为800mL/min,异丙醇进料温度为10℃,进料速度为170mL/min,氧气的泵入速度为6mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为5L/min。经后期对物料粗分离、洗涤后,计算每分钟获得产品235.36g,收率为99.41%,纯度为99.44%;废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15 内混合,浓硫酸的进料速度为145mL/min,废酸性水的进料速度为50mL/min,废酸的进料速度为110mL/min,反应器内循环冷却水温度为8℃,流量为 7L/min。获得的副产物酸,硫酸含量为75.07%,硝酸含量0.011%,该副产物酸可作为原料循环使用于配置混酸。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明属于有机合成制备硝酸异丙酯的技术领域,提供了一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺及系统。将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别通过酸泵和醇泵以连续流的形式引入特制的微通道硝化反应器5中,在反应器前端合成段内进行硝化反应制得硝酸异丙酯,然后通过在合成段后端泵入氧气,与物料流进行接触反应,可促使反应过程中生成的氮氧化合物气体(尤其是一氧化氮)转变为可溶于物料流的二氧化氮,降低反应器内压力;该物料流经后期酯酸分离、洗涤后,获得产品,达到硝酸异丙酯安全合成的目的;此外废酸、洗涤后废酸性水与浓硫酸一并于微通道废酸处理反应器15内混合后,获得硫酸含量为 75%~80%,硝酸含量0.01%~0.05%的副产物酸,可作为原料循环使用于配置混酸,减少了废弃物的排放,同时在微反应器内混合处理可避免酸与水接触时的强放热,降低了安全风险。本发明制备方法可提高硝酸异丙酯合成效率与安全性,减少氮氧化合物废气排放,同时生产过程中的能耗降低,提升了资源利用率,此外,分离后所得废酸中硝酸异丙酯含量小于0.1%,增强了废酸的稳定性,使废酸后期脱硝处理安全风险显著降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以进行若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,其特征在于,包括:
将硝酸硫酸混合酸与异丙醇分别以连续流的形式引入微通道硝化反应器(5)中形成物料流,在反应器合成段(56)前端进行硝化反应;并在合成段后端泵入氧气,使得反应中产生的氮氧化合物气体完全转变为二氧化氮,溶解于物料流中;
对物料流进行粗分离、洗涤后,获得产品。
2.根据权利要求1所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,其特征在于,
所述硝酸硫酸混合酸的进料温度为30~40℃,进料速度为500~1450mL/min,异丙醇进料温度为10~15℃,进料速度为100~200mL/min,氧气的泵入速度为4~10mL/min。
3.根据权利要求1所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,其特征在于,
所述洗涤后的废酸性水与浓硫酸一并引入微通道废酸处理反应器(15)内,获得副产物酸,所述副产物酸作为原料重复使用。
4.根据权利要求3所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,其特征在于,
所述浓硫酸的进料速度为70~200mL/min,废酸性水的进料速度为25~55mL/min,废酸的进料速度为40~110mL/min。
5.根据权利要求3所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产工艺,其特征在于,
所述微通道硝化反应器(5)和微通道废酸处理反应器(15)内部所用的循环冷却液为水,温度分别为8~10℃和6~8℃,循环冷却液的流量为3~5L/min和3~7L/min。
6.一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,其特征在于,包括:混酸罐(1)、异丙醇罐(3)、微通道硝化反应器(5)、分离罐(11)和洗涤罐(12);
所述微通道硝化反应器(5)具有硝酸硫酸混合酸管道(51)、异丙醇管道(52)及气体管道(53);混酸罐(1)与硝酸硫酸混合酸管道(51)连接,异丙醇罐(3)与异丙醇管道(52)连接;气体管道(53)中具含有氧气;
所述微通道硝化反应器(5)的出口依次连接分离罐(11)和洗涤罐(12);洗涤罐(12)连接成品罐(13)。
7.根据权利要求6所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,其特征在于,
还包括微通道废酸处理反应器(15)和硫酸罐(9);
所述洗涤罐(12)的液体的出口还连接有酸性废水罐(14);所述分离罐(11)的液体的出口、硫酸罐(9)的出口、酸性废水罐(14)的出口均连接微通道废酸处理反应器(15)的入口,微通道废酸处理反应器(15)出口连接副产物酸罐(16)。
8.根据权利要求6所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,其特征在于,
所述微通道硝化反应器(5)包括第一反应器壳体(54)、第一冷却浴管道(55)和反应器合成段(56),第一反应器合成段(56)贯穿所述第一反应器壳体(54),所述第一冷却浴管道(55)设置在第一反应器壳体(54)与反应器合成段(56)之间;
所述硝酸硫酸混合酸管道(51)位于微通道硝化反应器(5)的最前端,异丙醇管道(52)位于硝酸硫酸混合酸管道(51)之后,两者呈对流方向,气体管道(53)位于微通道反应器的中后端;
所述气体管道(53)连接制氧机(7)和制氮机(8)。
9.根据权利要求8所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,其特征在于,
所述硝酸硫酸混合酸管道(51)与反应器合成段(56)连接处形成渐变结构,渐变结构是指从硝酸硫酸混合酸管道(51)至反应器合成段(56)管径逐渐变大;
所述异丙醇管道(52)的出口位于所述渐变结构内,且异丙醇管道(52)的出口方向与渐变结构呈对流方向;所述气体管道(53)的出口具有扩口,扩口与反应器合成段(56)呈对流方向;
所述异丙醇管道(52)出口位于硝酸硫酸混合酸管(51)的中心,异丙醇管道(52)出口位于硝酸硫酸混合酸管(51)出口均为圆形或平行四边形、椭圆形;所述气体管道(53)出口置于硝酸硫酸混合酸出口中心偏下,气体管道(53)出口为圆形、方形、椭圆形、半圆形。
10.根据权利要求7所述的一种环保连续化硝酸异丙酯生产系统,其特征在于,
所述微通道废酸处理反应器(15)包括第二反应器壳体(1504)、第二冷却浴通道(1506)和内部通道(1505),内部通道(1505)贯穿所述第二反应器壳体(1504),所述第二冷却浴通道(1506)设置在第二反应器壳体(1504)与内部通道(1505)之间;
所述内部通道(1505)结构为反双曲线形状;所述微通道废酸处理反应器(15)具有浓硫酸管道(1501)、废酸性水管道(1503)及废酸管道(1502);
其中,硫酸管道位于微通道废酸反应器一侧的前上端,废酸性水管道(1503)位于微通道废酸反应器的另一侧前下端,两者呈对流方向;废酸管道(1502)位于微通道反应器的上部,垂直向下进入。
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