CN115253995B - 一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法 - Google Patents

一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法，属于化工设备技术领域。包括塔式反应器、第一进料组件、第二进料组件、第三进料组件和出料组件。塔式反应器包括塔体，在塔体内部由上至下依次相间分布的多个填料单元和多个换热单元；第二进料组件包括设置在塔体顶部、适于喷淋叔胺单体的第一喷淋装置；第二进料组件包括设置在塔体下部、适于传送气态氯甲烷的第二进料口；第三进料组件为设置在填料单元和换热单元之间、适于喷淋去离子水的多个第三喷淋装置。本发明采用塔代替管道，实现了反应器可拆卸、清洗，而原管道式反应一旦堵塞只能报废，设备损耗大。本发明采用能量回收套用，进一步降低了能耗。

Description

一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，尤其是一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法。
背景技术
不饱和季铵盐主要指用于生产水溶性高分子的阳离子单体，目前主要有丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵等，具有如下通式：
式中：R1、R2、R3是指H、CH3、CH3(CH2)n、C6H5CH2中的任一个或几个的混合物；n是指1、2、3、4、5、6中的任一个或几个的混合物；X是指O、S、NH中的任一个或几个的混合物。这类产品多是间隙釜式生产，生产批次间重复性差；生产时压力达0.3-0.5Mpa，生产毕需排除压力，产生大量含氯甲烷尾气。
例如，富淼科技申请的专利CN109173968，该专利提出的管式反应器，解决了批次重复性问题，减少了氯甲烷尾气，但经使用下来，存在管道堵塞难清洗问题，致使设备使用成本上升。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法，以解决背景技术所涉及的问题。
本发明提供一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法，包括：
塔式反应器，包括塔体，设置在所述塔体内部由上至下依次相间分布的多个填料单元和多个换热单元；
第一进料组件，包括第一换热器，经过所述第一换热器加热、适于传送叔胺单体的第一进料管道，以及设置在所述塔体顶部、与所述第一进料管道相连接的第一喷淋装置；
第二进料组件，包括汽化器，经过所述汽化器加热、适于传送气态氯甲烷的第二进料管道，以及位于所述塔体下部、与第二进料管道相连接的第二进料口；
第三进料组件，包括第三换热器，经过所述第三换热器加热、适于传送去离子水的第三进料管道，以及设置在所述填料单元和换热单元之间的多个第三喷淋装置；
出料组件，包括设置在所述塔体底部出料管道和输送泵。
优选地或可选地，所述第二进料管道上还设置有除渣器，适于沉降除去气态氯甲烷中的高沸物。
优选地或可选地，所述塔体下部还设置有氧补充装置，以保证塔体内气体中氧含量至少在1ppm以上，优选为1-1000ppm。
优选地或可选地，所述塔体顶部设置有尾气出口，将反应剩余的气态氯甲烷和氧气经过所述第二进料管道重新导入所述塔体内。
优选地或可选地，所述生产装置还包括循环水系统；
在所述循环水系统中，汽化器的循环水进口与加热装置出水口相连接，汽化器的循环水出口与多个换热单元的循环水进口相连接，所述换热单元的循环水出口与第一换热器、第三换热器的循环水进水口相连接；第一换热器、第三换热器的循环水出水口与加热装置进水口相连接。
优选地或可选地，所述去离子水还添加有金属螯合剂，其含量为至少为1ppm；优选为1-1000ppm；
所述螯合剂选自乙二酸四乙酸二钠、戊烯酸五钠中的一种或多种的混合物；
所述原料叔胺中添加阻聚剂，其含量为至少为1ppm；优选为1-2000ppm；
所述阻聚剂选自对羟甲基苯甲醚、对苯二酚、吩噻嗪、亚硝酸钠、铜盐、铁盐中的一种或多种的混合物。
优选地或可选地，所述塔底还设置有取样阀或浓度检测装置。
优选地或可选地，所述第一进料管道、第二进料管道和第三进料管道上均设置有流量阀。
本发明还提供一种基于上述的塔式季铵盐生产装置的季铵盐生产方法，包括如下步骤：
在叔胺单体中加入添加阻聚剂，在去离子水中添加螯合剂；并预热塔式反应器的塔节到15℃以上，优选为40-70℃；
设置氯甲烷、叔胺单体的进料速度和去离子水的进料速度；
启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料，控制塔节温度在40-70℃，平稳运行2小时后，从出料口取样；其间，尾气出口超压自动排尾气，氧补充装置根据氧含量自动补氧气；
到塔底部时游离胺含量达到0.2%以下，经输送泵自动送去储罐。
优选地或可选地，还包括如下步骤：
在所述循环水系统中，循环水经过汽化器，加热液态氯甲烷至氯甲烷气化；然后经过多个换热单元，对塔式反应器进行降温，控制塔节温度在40-70℃；然后经过所述第一换热器和第二换热器，对离子水和叔胺进行加热，最后返回工业循环水系统。
本发明涉及一种塔式季铵盐生产装置及季铵盐生产方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
1、本发明不仅具有返混少、容积率高、易操作、环保安全等优点，而且采用塔代替管道，实现了反应器可拆卸、清洗，而原管道式反应一旦堵塞只能报废，设备损耗大。本方案采用能量回收套用，进一步降低了能耗。
2、本发明通过设计尾气循环系统，对氯甲烷进行重复利用，降低了氯甲烷耗用量，本方案接近等摩尔反应，进一步减少了生产成本和环境污染。
3、本发明通过设计循环水系统，合理设计管道，对反应热进行回收套用，进一步降低了能耗。
附图说明
图1是本发明的设备流程图。
附图标记为：塔体11、填料单元12、换热单元13、第一换热器21、第一进料管道22、第一喷淋装置23、汽化器31、第二进料管道32、第二进料口33、除渣器34、第三换热器41、第三进料管道42、第三喷淋装置43、出料管道51、输送泵52、尾气出口70、循环水系统80。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
参阅附图1，本发明提出一种塔式季铵盐生产装置，用于季铵化反应，其反应方程式如下：
式中：R1、R2、R3是指H、CH3、CH3(CH2)n、C6H5CH2中的任一个或几个的混合物；n是指1、2、3、4、5、6中的任一个或几个的混合物；X是指O、S、NH中的任一个或几个的混合物。
所述生产装置包括：塔式反应器、第一进料组件、第二进料组件、第三进料组件、出料组件、氧补充装置、尾气循环系统和循环水系统80。
其中，塔式反应器包括塔体11，在所述塔体11内部由上至下依次相间分布的多个填料单元12和多个换热单元13。具体地，在所述塔体11内设置有n个塔板，其中所述n取3至20，并在每个塔板上均设置有一个填料单元和一个换热单元，第一进料组件包括第一换热器21，经过所述第一换热器21加热、适于传送叔胺单体的第一进料管道22，以及设置在所述塔体11顶部、与所述第一进料管道22相连接的第一喷淋装置23；第二进料组件包括汽化器31，经过所述汽化器31加热、适于传送气态氯甲烷的第二进料管道32，以及位于所述塔体11下部、与第二进料管道32相连接的第二进料口33；第三进料组件包括第三换热器41，经过所述第三换热器41加热、适于传送去离子水的第三进料管道42，以及设置在所述填料单元12和换热单元13之间的多个第三喷淋装置43；出料组件包括设置在所述塔体11底部出料管道51和输送泵52。
当然可以理解的是，所述第一进料管道22、第二进料管道32和第三进料管道42的另一端均与储料罐相连接，分别存储有叔胺单体、液态氯甲烷和去离子水。而且，所述去离子水还添加有金属螯合剂乙二酸四乙酸二钠（下称EDTA），其含量为至少为1ppm；优选为1-1000ppm；所述原料叔胺中添加阻聚剂乙二酸四乙酸二钠（下称EDTA），其含量为至少为1ppm；优选为1-2000ppm，通过叔胺单体、液态氯甲烷和去离子水添加少量的功能性原料，实现对反应进程的控制，以满足不同的反应需求，适应产品指标的调整。
在进一步实施例中，所述第二进料管道32上还设置有除渣器34，适于沉降除去气态氯甲烷中的高沸物，将洁净的氯甲烷导入塔体11内与叔胺反应。一方面，减小原料杂质，提高产品质量，另一方面避免高沸物进入填料单元12内、发生堵塞，保证连续化生产的进行，影响产品的生产效率。
在进一步实施例中，所述塔体11下部还设置有氧补充装置，以保证塔体11内气体中氧含量为至少为1ppm，优选为1-1000ppm。与此相适应的是，本所述塔体11顶部设置有尾气出口70，控制塔体11内部的氧气含量在恒定范围；通过塔体11内部氧气，能够有效的防止产品的聚合。另外，所述尾气出口70与第二进料管道32相连接，将反应剩余的气态氯甲烷和氧气经过所述第二进料管道32重新导入所述塔体11内。提高了氯甲烷的利用率，接近等摩尔反应，进一步减少了生产成本和环境污染。
在进一步实施例中，在所述循环水系统80中，汽化器31的循环水进口与加热装置出水口相连接，汽化器31的循环水出口与多个换热单元13的循环水进口相连接，所述换热单元13的循环水出口与第一换热器21、第三换热器41的循环水进水口相连接；第一换热器21、第三换热器41的循环水出水口与加热装置进水口相连接。循环水经过汽化器31，加热液态氯甲烷至氯甲烷气化，变为低温水；然后经过多个换热单元13，对塔式反应器进行降温，控制塔节温度在40-70℃，吸收季铵化反应的反应热，变为提高循环水的温度；然后经过所述第一换热器21和第二换热器，对离子水和叔胺进行加热，最后返回工业循环水系统。
在进一步实施例中，所述塔底还设置有取样阀或浓度检测装置，用于检测所述塔体11底部溶液中的季铵盐和/或游离胺的含量。当塔体11底部的叔胺含量达到0.2%以下，经输送泵52自动送去储罐，实现自动出料。
在进一步实施例中，所述第一进料管道22、第二进料管道32和第三进料管道42上均设置有流量阀。通过流量控制反应速率和反应热的产生，配合循环水系统80的水流流速，提高独一循环水热量的利用，提高对反应热的吸收。
为了方便理解塔式季铵盐生产装置的技术方案，对其工作原理做出简要说明：本生产中，液态氯甲烷在汽化器31被循环水加热气化，气态氯甲烷在除渣器34中沉降除去高沸物，洁净的氯甲烷进入填料单元12与叔胺反应；叔胺通过第一换热器21获得升温，从塔顶部喷淋而下，在填料单元12上与气态氯甲烷反应。反应热移除方式：循环水加热氯甲烷气化，循环水温失去部分热能，获得低温水，低温水进入各级塔节给反应器降温，获得能量变成热水，热水再去加热原料去离子水和叔胺，使去离子水和叔胺获得热量，温度上升，多余的热量随水带去循环水系统80。经计量后的叔胺经热水加热后从塔体11往下流，在填料单元12表面与氯甲烷充分接触，经季铵化反应生成相应季铵盐，季铵盐经喷啉的水溶解为水溶液，叔胺与季铵盐水溶液继续往下流，重复反应、重复加水，到塔底部时叔胺含量达到0.2%以下，经输送泵52自动送去储罐。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
基于上述生产装置制备甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，包括如下步骤：
预热塔节到40-50℃；设置氯甲烷进料速度4.51kg/min；在甲基丙烯酸二甲氮基乙酯中添加阻聚剂对烃基苯甲醚使之达到1000ppm，设置叔胺进料口进料速度13.75kg/min；在去离子水中添加螯合剂EDTA，使之达到10ppm，设置进料速度4.98kg/min；设置塔节超压自动排尾气，设置根据氧含量自动补氧气。启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料，控制塔节温度在40-50℃，平稳运行2小时后，从出料口取样，检得：游离胺0.07wt%，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵含量78.6wt%。
实施例2
基于上述生产装置制备丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，包括如下步骤：
预热塔节到40-50℃；设置氯甲烷进料速度4.83kg/min；在丙烯酸二甲氮基乙酯中添加阻聚剂对烃基苯甲醚使之达到1000ppm，设置叔胺进料口进料速度13.43kg/min；在去离子水中添加螯合剂EDTA，使之达到10ppm，设置进料速度4.98kg/min；设置塔节超压自动排尾气，设置根据氧含量自动补氧气。启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料，控制塔节温度在40-50℃，平稳运行2小时后，从出料口取样，检得：游离胺0.05wt%，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵含量78.8wt%。
实施例3
基于上述生产装置制备甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵，包括如下步骤：
预热塔节到30-40℃；设置氯甲烷进料速度3.18kg/min；在二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺中添加阻聚剂对烃基苯甲醚使之达到1000ppm，设置叔胺进料口进料速度10.53kg/min；在去离子水中添加螯合剂EDTA，使之达到10ppm，设置进料速度9.49kg/min；设置塔节超压自动排尾气，设置根据氧含量自动补氧气。启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料，控制塔节温度在30-40℃，平稳运行2小时后，从出料口取样，检得：游离胺0.03wt%，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵59.5wt%。
实施例4
基于上述生产装置制备丙烯酰丙基三甲基氯化铵，包括如下步骤：
预热塔节到30-40℃；设置氯甲烷进料速度3.41kg/min；在二甲氨基丙基丙烯酰胺中添加阻聚剂对烃基苯甲醚使之达到1000ppm，设置叔胺进料口进料速度10.32kg/min；在去离子水中添加螯合剂EDTA，使之达到10ppm，设置进料速度9.49kg/min；设置塔节超压自动排尾气，设置根据氧含量自动补氧气。启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料，控制塔节温度在30-40℃，平稳运行2小时后，从出料口取样，检得：游离胺0.04wt%，丙烯酰丙基三甲基氯化铵59.3wt%。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (4)

1.一种基于塔式季铵盐生产装置的季铵盐生产方法，其特征在于，
所述生产装置包括：
塔式反应器，包括塔体，设置在所述塔体内部由上至下依次相间分布的多个填料单元和多个换热单元；
第一进料组件，包括第一换热器，经过所述第一换热器加热、适于传送叔胺单体的第一进料管道，以及设置在所述塔体顶部、与所述第一进料管道相连接的第一喷淋装置；
第二进料组件，包括汽化器，经过所述汽化器加热、适于传送气态氯甲烷的第二进料管道，以及位于所述塔体下部、与第二进料管道相连接的第二进料口；
第三进料组件，包括第三换热器，经过所述第三换热器加热、适于传送去离子水的第三进料管道，以及设置在所述填料单元和换热单元之间的多个第三喷淋装置；
出料组件，包括设置在所述塔体底部出料管道和输送泵；
循环水系统，在所述循环水系统中，汽化器的循环水进口与加热装置出水口相连接，汽化器的循环水出口与多个换热单元的循环水进口相连接，所述换热单元的循环水出口与第一换热器、第三换热器的循环水进水口相连接；第一换热器、第三换热器的循环水出水口与加热装置进水口相连接；
所述塔体顶部设置有尾气出口；所述塔体下部还设置有氧补充装置；
所述季铵盐生产方法，包括如下步骤：
在叔胺单体中加入添加阻聚剂，其含量为1-2000ppm；在去离子水中添加螯合剂，其含量为1-1000ppm；并预热塔式反应器的塔节到40-70℃；
设置氯甲烷、叔胺单体的进料速度和去离子水的进料速度；
启动氯甲烷进料，待尾气处检测到超压报警时，同时开启叔胺进料、去离子水进料；在所述循环水系统中，循环水经过汽化器，加热液态氯甲烷至氯甲烷完全气化；然后经过多个换热单元，对塔式反应器进行降温，控制塔节温度在40-70℃；然后经过所述第一换热器和第二换热器，对离子水和叔胺进行加热，最后返回工业循环水系统；平稳运行2小时后，从出料口取样；其间，氧补充装置根据氧含量自动补氧气，以保证塔体内气体中氧含量在为1-1000ppm，尾气出口超压自动排尾气，将反应剩余的气态氯甲烷和氧气经过所述第二进料管道重新导入所述塔体内；
到塔底部时游离胺含量达到0.2%以下，经输送泵自动送去储罐。
2.根据权利要求1所述的基于塔式季铵盐生产装置的季铵盐生产方法，其特征在于，所述第二进料管道上还设置有除渣器，适于沉降除去气态氯甲烷中的高沸物。
3.根据权利要求1所述的基于塔式季铵盐生产装置的季铵盐生产方法，其特征在于，所述塔底还设置有取样阀或浓度检测装置。
4.根据权利要求1所述的基于塔式季铵盐生产装置的季铵盐生产方法，其特征在于，所述第一进料管道、第二进料管道和第三进料管道上均设置有流量调节阀。
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