CN118267963A - 反应-分离-换热相耦合的硝化反应器及硝化反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应‑分离‑换热相耦合的硝化反应器，包括反应区、分离区和换热区；反应区包括管式反应器主体，其由下至上依次设置入口换热器、混合元件、缩口结构和溢流出口；管式反应器主体上对应入口换热器设置油相输出口；分离区包括同轴设置的分离区壳体、旋转分离装置和油酸分离腔；分离区壳体的顶部设置气体出口；旋转分离装置包括驱动电机、传动轴、传动支撑桁架、填料床层和传动盘；换热区包括盘管，盘管盘绕设置于管式反应器主体上，且其进料端连接至油相出口，其出料端连接至入口换热器的壳程。该硝化反应器，具有集成度较高，设备投资费用少，安全系数高、热量利用率高的优势。

Description

反应-分离-换热相耦合的硝化反应器及硝化反应方法

技术领域

本发明属于硝化反应领域，具体涉及反应-分离-换热相耦合的硝化反应器及硝化反应方法。

背景技术

烃类的硝化物(简称烃硝)作为一种重要的原料广泛应用于化工行业的各个方向，如染料、军工、农药及其他精细化学品类。如硝基苯加氢制苯胺可用作生产染料中间体或作为异氰酸酯的前端原料，二硝基甲苯经加氢制甲苯二胺可以作为生产甲苯二异氰酸酯的原料。硝化物是有机物与硝化剂在硝化反应器中反应而得，属于硝化反应产物，反应过程为强放热过程，根据反应过程中产生的热量是否被移除可以分为绝热硝化和非绝热硝化，由于在绝热硝化过程中反应温度较高而且反应热量没有被移除，使得绝热硝化工艺具有较高的生产效率。绝热硝化工艺主要包括以下几个方面，有机物与硝化剂或硝化剂及大量催化剂(一般为硫酸)经各自预热器被预热至反应温度进入反应器，在反应器内，发生催化硝化反应，随着反应进行，反应器出口处生成硝化物和水的含量最高，由于绝热环境，在反应器的出口温度比入口高几十摄氏度，由于生成的混合物容易发生相分裂，因此反应产物直接用聚结器进行分离，分离后形成的硝化物相会直接去洗涤工序洗去未分离完全的残酸、硝化反应副产物如硝基酚盐类等，在洗涤工序中会用到水、碱以实现中和及化学萃取的目的，洗涤后的产物会经过蒸馏或者提馏等分离方法将硝化物提纯到规定要求，而经聚结器分离产生的酸相会经废酸浓缩将酸浓缩至原料要求的结果进行循环使用，而在硝化过程中存在的挥发性有机气体(VOC)如NOx及烃类会经吸收及吸附的方法进行捕集处理至企业排放标准，过程产生的废水会经热裂解及园区的生化处理系统将废水体系内的总氮(TN)、生物耗氧量(BOD)及化学耗氧量(COD)处理至中水回用标准。然而在上述绝热硝化过程中(下面会用传统硝化或传统绝热硝化来定义)，存在以下的技术矛盾：(1)反应器的出口温度是由反应器入口温度及烃硝(即烃类的硝化物)含量与硫酸含量的比例所决定，从提高反应速率及反应器产能来说，提高反应器的入口温度及工艺要求范围内降低硫酸的比例能够明显提高硝化反应速率及反应器产能，这明显是优势，然而，具有高温的反应液进入静态的相分离器这种工况挑战很大，温度升高，使得相分离效率降低，需要用较长的时间能够到达下游所需的流股成分条件；另一方面，大量文献报道及根据发明人所进行大量的该体系绝热热稳定测试实验来看，在140℃左右就会有明显的分解放热现象，而单纯的硝化产物在相对较高的温度如250℃会发生明显的分解放热现象，尽管两个测试结果的绝热温升都＞100℃，反应产物(硝化产物+稀酸的混合物)的二次分解速率明显比单纯的硝化产物提前而且与工艺温度比较接近，而且测试到达设备的设计温度及设计压力的时间非常短，而且一旦操作点偏离热平衡点，发生的后果是灾难性的，其分解产生的能量非常大，破坏力非常强，而且在酸的环境下分解温度会急剧降低，因此相分离速率及效率是影响硝化反应装置符合提升的关键因素。(2)传统硝化工艺，具有较高温度的硝化产能未经热利用直接进入洗涤工序，无故的能级下降，另一方面，原料、硝化剂还需要用预热器升温至反应器工艺温度，上述的结果使热力学效率下降，硝化反应热利用率低。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种反应-分离-换热相耦合的硝化反应器，该硝化反应器将硝化反应与分离及换热相耦合集成，能够很大程度降低硝化反应热风险，提高装置产能，提高硝化反应热利用率。

本发明的第二个目的在于提供一种利用前述硝化反应器进行硝化反应的硝化反应方法，该硝化反应方法能够很大程度降低硝化反应热风险，提高装置产能，提高硝化反应热利用率。

为实现本发明的第一个目的，采用以下的技术方案：

一种反应-分离-换热相耦合的硝化反应器，包括同轴设置的反应区、分离区和换热区；

所述反应区包括管式反应器主体；所述管式反应器主体的底部入口内设置有入口换热器，用于经其管程通入进料；所述管式反应器主体的内部设置有混合元件，所述管式反应器主体的顶部设置有由下至上依次收缩的缩口结构；所述管式反应器主体还设置有溢流出口，所述溢流出口设置于所述缩口结构的顶部；所述管式反应器主体上对应所述入口换热器的位置设置有油相输出口；

所述分离区包括同轴设置的分离区壳体、旋转分离装置和油酸分离腔；所述分离区壳体的顶部设置有气体出口；

所述旋转分离装置包括驱动电机、传动轴、传动支撑桁架、填料床层和传动盘；所述传动支撑桁架、所述填料床层和所述传动盘设置于所述分离区壳体内；所述传动支撑桁架呈环形同轴设置于所述溢流出口的外周，用于支撑所述驱动电机、所述传动轴和所述填料床层，且其靠近外边缘的底部设置有物料出口；所述填料床层安装于所述传动支撑桁架内；所述传动轴同轴穿入设置于所述分离区壳体内，且其底端位于所述溢流出口的上方，顶端位于所述分离区壳体外；所述传动盘水平且同轴固定至所述传动轴的底端，且通过其边缘固定至所述传动支撑桁架上；所述驱动电机固定至所述传动轴的顶端，用于驱动所述传动轴转动从而依次带动所述传动盘、所述传动支撑桁架和所述填料床层转动；

所述油酸分离腔设置于所述分离区壳体内，且同时位于所述缩口结构的外部和所述传动支撑桁架的底部，用于经所述物料出口接收来自所述填料床层的物料并分离；所述油酸分离腔还分别设置有酸相出口和油相出口，用于分别输出作为重组分的酸相和作为轻组分的油相；

所述换热区包括盘管，所述盘管盘绕设置于所述管式反应器主体上，且其进料端连接至油相出口，其出料端连接至所述入口换热器的壳程，且通过所述油相输出口输出作为轻组分的油相。

优选地，所述溢流出口的上方还同轴设置有挡盘，所述挡盘位于所述传动盘与所述溢流出口之间；所述挡盘通过其边缘固定至所述传动支撑桁架上。

优选地，所述挡盘为上凸型挡盘。

优选地，所述上凸型挡盘所对应的圆心角为90-180°。

优选地，所述油酸分离腔由上至下、向外向内依次分隔设置为稳定腔、重组分腔和轻组分腔，相邻两腔体之间依次设置有高度依次降低的第一溢流板和第二溢流板；

所述稳定腔对应所述物料出口设置，用于接收来自所述填料床层的物料并对其进行减速；

所述重组分腔设置有酸相出口，用于接收经第一溢流板自所述稳定腔溢流的减速物料并对其分相，得到位于下层的酸相和位于上层的油相，并自所述酸相出口输出作为重组分的酸相；

所述轻组分腔设置有油相出口，用于接收经第二溢流板自所述重组分腔溢流的物料，并自所述油相出口输出作为轻组分的油相。

优选地，所述稳定腔的底部设置有排液孔；优选所述排液孔有6-8个；优选所述排液孔的直径为10-25mm。

优选地，所述填料床层214内的填料为规整填料；优选所述规整填料为波纹板式填料和/或格栅式填料。

优选地，所述传动支撑桁架的顶部设置有排气孔，优选所述排气孔有6-8个，优选所述排气孔的直径为10-15mm。

优选地，所述管式反应器主体内同轴设置有多个中空腔体，多个所述中空腔体沿其长度方向依次相接设置；所述混合元件设置于相邻两个所述中空腔体的相接处。

优选地，所述中空腔体的两端收口设置。

优选地，所述混合元件包括混合板，所述混合板上以其中心为圆心沿径向方向分散设置有多个圆孔，所述圆孔的出口侧设置有喷嘴，所述喷嘴的喷口方向沿其径向方向设置。

为实现本发明的第二个目的，提供一种利用前述硝化反应器进行硝化反应的硝化反应方法，包括以下步骤：

(1)将有机物与酸溶液的混合物料自所述管式反应器主体的底部入口送入所述入口换热器的管程，预热后在所述管式反应器主体内由下至上流动，并经所述混合元件13混合，然后流经所述缩口结构后自所述溢流出口溢流至所述旋转分离装置；

(2)溢流至所述旋转分离装置的混合物料在所述驱动电机的作用下在所述填料床层内进行旋转分相，然后自所述物料出口输出至所述油酸分离腔；

(3)输出至所述油酸分离腔的混合物料经油酸分离后，自所述酸相出口输出作为重组分的酸相，自所述油相出口输出作为轻组分的油相至所述盘管；

(4)输出至所述盘管的油相对所述管式反应器主体内的物料进行换热升温，然后进入所述入口换热器的壳程对其管程进料进行换热升温，然后自所述油相输出口输出油相。

本发明的有益效果在于：

(1)相比于传统硝化反应装置，本发明的硝化反应器凭借反应-分离-换热的耦合，能够大大减少因产品相分离器、原料预热器、油相冷却器等设备布置导致占地面积大，设备投资费用较高的缺点，本发明集成度较高，设备投资费用少；

(2)相比于传统硝化反应装置，本发明的硝化反应器凭借反应-分离-换热的耦合，利用其中的旋转分离装置，通过其外场强化能够快速地将反应后较高温度的油酸混合液实现快速相分离，从而快速分离酸相和油相，能够克服传统硝化工艺中油酸分离器中硝化物在高温混酸条件下长时间停留导致硝化物分解爆炸的工艺安全隐患，快速的相分离能够实现减少一个静态相分离器的使用，更重要的能够从本质上实现危险物料在较短时间内存在的条件，安全系数高，安全边界外延，除此之外，外场强化作用使油酸的相分离速率及效率明显提高，油酸分离的纯度较高，能够减少下游洗涤、汽提的分离强度；

(3)相比于传统硝化反应装置，本发明的硝化反应器凭借反应-分离-换热的耦合，将反应与换热进行耦合利用，通过此操作，能够实现较高温度的分离产物将热量传递给反应入口端的原料，同时由于热量的传递，油相产物也被降温，降温后的油相产物由于温度降低热稳定也明显提高，通过换热节省传统冷却器与预热器，减少设备投资，热量交换减少了对冷热公用工程的需求，硝化反应热的热量利用率明显提高，除此之外，较高的传热推动力可以减少设备的换热面积，减少设备投资，换热速率增大能够明显提高油相产物的热稳定性，安全系数提高；

综上所述，本发明的硝化反应器，具有集成度较高，设备投资费用少，安全系数高、热量利用率高的优势。

附图说明

图1是本发明的反应-分离-换热相耦合的硝化反应器在一种实施方式中的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式/实施例对本发明的技术方案及其效果做进一步说明。以下实施方式/实施例仅用于说明本发明的内容，发明并不仅限于下述实施方式或实施例。应用本发明的构思对本发明进行的简单改变都在本发明要求保护的范围内。

如图1所示，一种反应-分离-换热相耦合的硝化反应器，包括同轴设置的反应区1、分离区2和换热区3；

所述反应区1包括管式反应器主体12；所述管式反应器主体12的底部入口内设置有入口换热器11，用于经其管程通入进料；所述管式反应器主体12的内部设置有混合元件13，所述管式反应器主体12的顶部设置有由下至上依次收缩的缩口结构14；所述管式反应器主体12还设置有溢流出口15，所述溢流出口15设置于所述缩口结构14的顶部；所述管式反应器主体12上对应所述入口换热器11的位置设置有油相输出口16；

所述分离区2包括同轴设置的分离区壳体、旋转分离装置21和油酸分离腔22；所述分离区壳体的顶部设置有气体出口23；

所述旋转分离装置21包括驱动电机211、传动轴212、传动支撑桁架213、填料床层214和传动盘215；所述传动支撑桁架213、所述填料床层214和所述传动盘215设置于所述分离区壳体内；所述传动支撑桁架213呈环形同轴设置于所述溢流出口15的外周，用于支撑所述驱动电机211、所述传动轴212和所述填料床层214，且其靠近外边缘的底部设置有物料出口216；所述填料床层214安装于所述传动支撑桁架213内；所述传动轴212同轴穿入设置于所述分离区壳体内，且其底端位于所述溢流出口15的上方，顶端位于所述分离区壳体外；所述传动盘215水平且同轴固定至所述传动轴212的底端，且通过其边缘固定至所述传动支撑桁架213上；所述驱动电机211固定至所述传动轴212的顶端，用于驱动所述传动轴212转动从而依次带动所述传动盘215、所述传动支撑桁架213和所述填料床层214转动；

所述油酸分离腔22设置于所述分离区壳体内，且同时位于所述缩口结构14的外部和所述传动支撑桁架213的底部，用于经所述物料出口216接收来自所述填料床层214的物料并分离；所述油酸分离腔22还分别设置有酸相出口224和油相出口225，用于分别输出作为重组分的酸相和作为轻组分的油相；

所述换热区3包括盘管31，所述盘管31盘绕设置于所述管式反应器主体12上，且其进料端连接至油相出口225，其出料端连接至所述入口换热器11的壳程，且通过所述油相输出口16输出作为轻组分的油相。

本领域技术人员理解，所述管式反应器主体为竖直的排布，进料为按照工艺要求配比的有机物与酸溶液(硝酸溶液或硝酸-硫酸混合溶液)经过各自独立管路依靠各自的泵打入静态混合器内，在静态混合器中较高动能的两路原料，在静态混合器内部件的切割、位移、交换下实现两路物料快速混合，从而将硝化有机相-酸相混合后成为拟均一相，作为本发明的进料。

本发明中，所述溢流出口15设置有助于将反应后的反应液收集分布到旋转分离装置2内进行相分离。当反应后的反应液经所述溢流出口15进入旋转分离装置2后，拟均相的反应液滴在处于高动能的填料床层214的规整床层上，反应液滴受强离心力及重力的作用，会被规整填料中密集的立体丝网中的丝线沿床层的径向方向快速切割，在一瞬间，液滴被切割成很多较小的液滴，切割的同时，小型的液滴不断的相互碰撞或者与丝网碰撞开始产生相分裂，受密度及其他物性的影响，沿合外力的方向有着轻微的密度差异，即沿合外力的方向上，密度逐渐变大，另一方面切割形成的小液滴也会沿合外力方向不断的碰撞，聚并，从而不断发生破碎-相分裂-碰撞-聚并过程，沿着合外力方向上轻重两相的密度差越来越大，直至两相接近稳定，最后沿合外力方向上，反应液体经所述物料出口216被甩出，进入所述油酸分离腔22进行进一步分相。

本发明中，在轻组分室内油相经所述油相出口225输出至所述盘管31，并通过所述盘管31依次与所述管式反应器主体12内及所述入口换热器11的管程内的冷进料进行逆流的显热换热，热油相被充分的冷却之后从所述油相输出口16输出，并进入后续的洗涤分离工序，而冷的进料经换热后温度温度升高，相比于传统工序，由于其在旋转分离装置分离过程中相分离的效率高，能够有效减少酸洗过程的中酸洗水的用量，能够有效减少后续洗涤分离工序的负荷，提高分离效率，另一方面通过油相粗产品与原料的热交换，使得其粗产品出口温度相比于传统硝化工艺低，使得在稀酸浓缩工序分配到更多的热量；当浓缩产生的低压酸性蒸汽若能够通过机械压缩蒸汽(MVR)提高蒸汽的品位时，发出的较高温度的蒸汽除满足稀酸浓缩所需要的蒸汽之外，还可作为热公用工程给周围装置提供高温位的蒸汽，能够很大程度上进行热量回收。

本发明中，本发明的硝化反应器凭借反应-分离-换热的耦合，能够大大减少因产品相分离器、原料预热器、油相冷却器等设备布置导致占地面积大，设备投资费用较高的缺点，本发明集成度较高，设备投资费用少；利用其中的旋转分离装置，通过其外场强化能够快速地将反应后较高温度的油酸混合液实现快速相分离，从而快速分离酸相和油相，能够克服传统硝化工艺中油酸分离器中硝化物在高温混酸条件下长时间停留导致硝化物分解爆炸的工艺安全隐患，快速的相分离能够实现减少一个静态相分离器的使用，更重要的能够从本质上实现危险物料在较短时间内存在的条件，安全系数高，安全边界外延，除此之外，外场强化作用使油酸的相分离速率及效率明显提高，油酸分离的纯度较高，能够减少下游洗涤、汽提的分离强度；通过将反应与换热进行耦合利用，通过此操作，能够实现较高温度的分离产物将热量传递给反应入口端的原料，同时由于热量的传递，油相产物也被降温，降温后的油相产物由于温度降低热稳定也明显提高，通过换热节省传统冷却器与预热器，减少设备投资，热量交换减少了对冷热公用工程的需求，硝化反应热的热量利用率明显提高，除此之外，较高的传热推动力可以减少设备的换热面积，减少设备投资，换热速率增大能够明显提高油相产物的热稳定性，安全系数提高；综上所述，本发明的硝化反应器，具有集成度较高，设备投资费用少，安全系数高、热量利用率高的优势。

本发明中，气体出口23用于输出硝化反应过程中副反应产生的VOC气体，比如NOx、二氧化碳、二氧化硫、甲烷和氢气等。

在一种实施方式中，所述入口换热器11为竖直的圆形换热管。

本领域技术人员理解，进料经所述入口换热器11的管程进料至所述管式反应器主体12内，与其壳程物料进行逆流换热以升温预热。其中，由于所述入口换热器11内换热管的管径较小及换热管数量多，原料在换热管内湍动程度高，使得在所述入口换热器11内换热管的管内侧传热系数高，另一方面强烈的湍动使得进料能够得到很好的混合，经过加热的进料经所述入口换热器11内的换热管从下向上沿竖直方向进入所述管式反应器主体12内。

在一种实施方式中，所述管式反应器主体12内同轴设置有多个中空腔体，多个所述中空腔体沿其长度方向依次相接设置，用于物料流通；所述混合元件设置于相邻两个所述中空腔体的相接处。这种设置使得进料每向上流通一段距离就进行一次混合，避免进料向上流通过程中由于长时间停留产生相分离而影响硝化反应转化率。

在一种实施方式中，所述中空腔体的两端收口设置；优选所述中空腔体的两端之间为等径圆管。

所述中空腔体的两端收口设置，从而使向上流动的物料在其两端收口处的压力增大，进而使进入所述混合元件13的物料动能增大，有利于提高混合效果。

本领域技术人员理解，当物料进入每一个中空腔体时，由于工艺需求管径的变大及沿重力方向相反方向运动，使得拟均一相原料降速沿轴向向上运动，在降速后的缓慢运动过程中，部分拟均一相原料由于其微团结构不稳定、以及其微团结构相互碰撞及与反应器壁面碰撞，使得其微团结构发生相分离而重新回归有机相及酸相。而大部分的硝化反应为有机相与硝硫混酸非均相的液液界面反应，硫酸为催化剂，此工艺的一大要求是要求很严的混合条件，当混合效果较差时，远离混酸处的有机物就很难被硝化，接触混酸处的有机物很有可能会发生过硝化，或是产生其他的副反应，比如硝基酚类或有机硝化络合物等，这种情况下除了反应的转化率及选择性不达标之外，沉积在反应器内部的硝基酚类及有机硝化络合物这类物质由于其自身较差的热稳定性可能使反应器本身面临极大的工艺安全风险，为避免此类事情发生，在一种实施方式中，所述混合元件13包括混合板，所述混合板上以其中心为圆心沿径向方向分散设置有多个圆孔，所述圆孔的出口侧设置有喷嘴，所述喷嘴的喷口方向沿其径向方向设置。

混合元件13的前述设置，使得混合元件13与多中空腔体相结合，当由于原料长时间停留产生相分离时，利用混合元件13将临近相分离的两相原料依靠自身动能挤压到所述喷嘴，而进入喷嘴后，流体速度加快，湍动剧烈而快速混合，另一方面喷嘴的分布方式能够改善硝化反应器主体12内的径向混合效果，以此保证在硝化反应器主体12内混合良好。

在一种实施方式中，多个所述圆孔在所述混合板上呈辐射发散状分布；优选呈中心对称的辐射发散状分布，从而进一步提高对物料的混合效果。

在一种实施方式中，所述混合板上，所述圆孔的直径为10-25mm，比如12mm、14mm、15mm、16mm、18mm、20mm、22mm和24mm；所述喷嘴的出口直径为3-10mm，比如5mm、7mm和9mm。

在一种实施方式中，所述溢流出口15的上方还同轴设置有挡盘217，所述挡盘217位于所述传动盘215与所述溢流出口15之间；所述挡盘217通过其边缘固定至所述传动支撑桁架213上，从而使经所述溢流出口15溢流出的物料完全进入所述旋转分离装置21中的所述填料床层214内。

在一种实施方式中，所述挡盘217为上凸型挡盘；优选所述上凸型挡盘所对应的圆心角为90-180°，比如100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°和170°，有助于喷溅到其上的物料沿其弧形面顺滑地流入至所述填料床层214内，避免其再自所述溢流出口15滴落至所述管式反应器主体12内。

在一种实施方式中，所述油酸分离腔22由上至下、向外向内依次分隔设置为稳定腔221、重组分腔222和轻组分腔223，相邻两腔体之间依次设置有高度依次降低的第一溢流板和第二溢流板；

所述稳定腔221对应所述物料出口216设置，用于接收来自所述填料床层214的物料并对其进行减速；

所述重组分腔222设置有酸相出口224，用于接收经第一溢流板自所述稳定腔221溢流的减速物料并对其分相，得到位于下层的酸相和位于上层的油相，并自所述酸相出口224输出作为重组分的酸相；

所述轻组分腔223设置有油相出口225，用于接收经第二溢流板自所述重组分腔222溢流的物料，并自所述油相出口225输出作为轻组分的油相。

在一种实施方式中，所述第一溢流板和所述第二溢流板为柔性板。

本发明中，经过高动能的物料经所述物料出口216甩出至所述油酸分离腔22内的稳定腔221后会降低运动速度，具体地，物料碰撞到所述第一溢流板时，物料会与所述第一溢流板进行动量交换，使所述第一溢流板的动量增加，物料被减速，之后被减速的物料经所述第一溢流板溢流至所述重组分腔222；进入所述重组分腔222的物料由于密度不同而两相分离，作为重组分的酸相位于下层，并经所述酸相出口224输出；而其上层经所述第二溢流板溢流至所述轻组分腔223，并依次将所述盘管31和所述油相输出口16输出。

在一种实施方式中，所述稳定腔221的底部设置有排液孔；优选所述排液孔有6-8个；优选所述排液孔的直径为10-25mm，比如12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm和24mm，从而一方面便于在停车时将其中的物料经位于其底部的排液孔排空至所述重组分腔222，并自所述酸相出口224输出以排空；另一方面对运行过程中的物料流向和相分离影响较小，不影响所述重组分腔222内酸相的纯度。

在一种实施方式中，相邻两腔体之间依次设置有高度依次降低的第一底板和第二底板；所述第一底板和所述第二底板自上至下依次固定在所述分离区壳体上对应所述油酸分离腔22的位置；所述第一溢流板的底端固定至所述第一底板上固定端的相对端，所述第二溢流板的底端固定至所述第二底板上固定端的相对端；所述排液孔设置于所述第一底板上。

本领域技术人员理解，所述稳定腔221和所述重组分腔222内可进一步分别设置有液位计、界面计及其控制回路被，从而便于观察及控制。

在一种实施方式中，所述填料床层214内的填料可选择金属填料，比如304/316等；也可选择非金属，比如陶瓷、PVC树脂等。

在一种实施方式中，所述填料床层214内的填料为规整填料；优选所述规整填料为波纹板式填料和/或格栅式填料。

在一种实施方式中，所述传动支撑桁架213的顶部设置有排气孔，优选所述排气孔有6-8个，优选所述排气孔的直径为10-15mm，比如11mm、12mm、13mm和14mm，从而便于VOC气体排出。

本发明还提供一种利用前述硝化反应器进行硝化反应的硝化反应方法，如图1所示，在一种实施方式中，所述硝化反应方法包括以下步骤：

(1)将有机物与酸溶液的混合物料自所述管式反应器主体12的底部入口送入所述入口换热器11的管程，预热后在所述管式反应器主体12内由下至上流动，并经所述混合元件13混合，然后流经所述缩口结构14后自所述溢流出口15溢流至所述旋转分离装置21；

(2)溢流至所述旋转分离装置21的混合物料在所述驱动电机211的作用下在所述填料床层214内进行旋转分相，然后自所述物料出口216输出至所述油酸分离腔22；

(3)输出至所述油酸分离腔22的混合物料经油酸分离后，自所述酸相出口224输出作为重组分的酸相，自所述油相出口225输出作为轻组分的油相至所述盘管31；

(4)输出至所述盘管31的油相对所述管式反应器主体12内的物料进行换热升温，然后进入所述入口换热器11的壳程对其管程进料进行换热升温，然后自所述油相输出口16输出油相。

本发明中，所述步骤(1)中，有机物与酸溶液的混合物料(在一种实施方式中，其进料温度为40-80℃，比如50℃、60℃和70℃)送至所述入口换热器11的管程，经与其壳程逆流换热后，混合物料在所述入口换热器11的出口温度为60-100℃；混合物料沿所述管式反应器主体12的轴向不断反应生成硝基油相物质(比如硝基苯)和水，由于反应物料及产物为油水两相，当在所述管式反应器主体12中停留一段时间后，油酸两相就会分层，这十分不利于反应，为使硝化过程一直保持一种拟均一相的状态，物料每隔一段时间就会经所述混合元件13进行混合，使其保持拟均一相状态；由于反应是放热反应，加上反应产物中的油相对进料(有机物与酸溶液的混合物料)进行逆流换热，这样使得所述管式反应器主体12内的温度沿流动方向增大，温度沿轴向变化率取决于区域内反应及产品对其内部的加热，最终使得物料在所述管式反应器主体12的出口温度为120-160℃，反应产物进入旋转分离装置21进行油酸分离。

本发明中，所述步骤(2)中，溢流出口15出来的反应后混合液进入一定转速的所述旋转分离装置21中，在所述填料床层214内弯折的流道内进行流动，流道内填充丝网填料，在离心场作用下，油酸两相不断进行聚结-混合-聚结过程，使得经所述物料出口216甩出至所述油酸分离腔22的混合液能够快速分相并获得更高的分离纯度，由于其优良的分离速率及效率，使得油酸两相停留时间变短，油酸两相在所述油酸分离腔22内进行分离，其中，重组分的酸相采出至废酸浓缩系统，轻组分的油相则送至所述盘管并经盘管和入口换热器对所述管式反应器主体12内的物料进行换热升温，油相经与换热后降温，再采出；本领域技术人员理解，酸相、油相的采出量由油酸界面计进行控制，采出的流速由旋转分离系统的体系压力控制。

本领域技术人员理解，所述有机物是可以与酸发生硝化反应的有机物，比如苯、甲苯、二甲苯等。

本领域技术人员理解，所述酸溶液可以是硝酸溶液或硝酸-硫酸混合溶液。在一种实施方式中，所述酸溶液是硝酸-硫酸混合溶液，其中在为获得硝酸-硫酸混合溶液而对硝酸和硫酸进行混合时，所述硫酸的浓度为60-85wt％(比如65wt％、70wt％、75wt％和80wt％)，优选所述硝酸的浓度为50-75％(比如55wt％、60wt％、65wt％和70wt％)，优选所述硫酸与所述硝酸的摩尔比为(10-20):1，比如11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1和19:1。

在一种实施方式中，所述有机物与所述硝酸的摩尔比为1.01-1.30，比如1.05、1.10、1.15、1.20和1.25。

在一种实施方式中，所述步骤(3)中，输出至所述油酸分离腔22的混合物料按照以下步骤进行油酸分离：

输出至所述油酸分离腔22的混合物料首先落入所述稳定腔221进行减速，得到减速物料；

减速物料经第一溢流板自所述稳定腔221溢流至所述重组分腔222进行分相，得到位于下层的酸相和位于上层的油相；

位于下层的酸相经所述酸相出口224自所述重组分腔222采出；

位于上层的油相经第二溢流板自所述重组分腔222溢流至所述轻组分腔223，并经所述油相出口225输送至所述盘管31

所述轻组分腔223设置有油相出口225，用于接收的物料，并自所述油相出口225输出作为轻组分的油相。

本发明以下实施例和对比例中所用原料如下：

苯，分析纯、阿拉丁试剂；

硝酸，工业级、阿拉丁试剂；将其用去离子水稀释至69wt％，得到69wt％的硝酸溶液；

硫酸，工业级、阿拉丁试剂；将其用去离子水稀释至69wt％，得到69wt％的硫酸溶液；

相关参数的测定/计算方法如下：

反应热量回收率：

设进入所述管式反应器主体12的进料(有机物与硝酸和硫酸的混合物料)的总质量为M，单位为kg/h，其比热容为CP1，单位为KJ/(kg*℃)；进料的入口温度(即，所述管式反应器主体12的入口温度，也是入口换热器11的入口温度)为t1，出口温度(即，溢流出口15的出口温度)为t2，单位为℃；

设反应后分离出的油相质量为m，单位为kg/h，其比热容为CP2，单位为KJ/(kg*℃)；油相入口温度(即，盘管31的入口温度，也是油相出口225的出口温度)为T2，油相出口温度(即，油相输出口16的出口温度)为T1，单位为℃；

则根据公式计算反应热量回收率。

实施例1(S1)

利用如图1所示反应-分离-换热相耦合的硝化反应器对苯进行硝化反应；

(1)将苯与硝酸和硫酸的混合物料自所述管式反应器主体12的底部入口进料(进料温度为66℃)至所述入口换热器11的管程，与其壳程换热升温后在所述管式反应器主体12内一边发生硝化反应，一边由下至上流动，并经所述混合元件13混合，然后流经所述缩口结构14后自所述溢流出口15溢流至所述旋转分离装置21；其中，

所述混合物料是以浓度为69wt％的硝酸溶液、浓度为69wt％的硫酸溶液、以及苯按照硫酸与硝酸的摩尔比为22:1、苯与硝酸的比例为1.08:1进行混合得到；

在反应放热及产物逆流给热综合作用下，自所述溢流出口15溢流的物料温度为122℃；

(2)溢流至所述旋转分离装置21的物料在所述驱动电机211的作用下在所述填料床层214内停留3min进行旋转分相，然后自所述物料出口216输出至所述油酸分离腔22；

(3)输出至所述油酸分离腔22的物料经油酸分离后，自所述酸相出口224输出作为重组分的酸相(120℃)，自所述油相出口225输出作为轻组分的油相(120℃)至所述盘管31；

(4)输出至所述盘管31的油相对所述管式反应器主体12内的物料进行换热升温，然后进入所述入口换热器11的壳程对其管程进料进行换热升温，然后自所述油相输出口16输出油相(70℃)。

经计算，反应热量回收率为6％左右；

与传统硝化反应器中未进行反应热量回收相比，反应热量多回收6％左右。

实施例2(S2)

与实施例1相比，仅具有如下区别：

步骤(1)中，硫酸与硝酸的摩尔比为20:1；自所述溢流出口15溢流的物料温度为126℃；

步骤(3)中，酸相和油相的温度为123℃。

经计算，与传统硝化反应器相比，反应热量多回收6％左右。

实施例3(S3)

与实施例1相比，仅具有如下区别：

步骤(1)中，硫酸与硝酸的摩尔比为18:1；苯与硝酸和硫酸的混合物料经所述入口换热器11升温至67℃；自所述溢流出口15溢流的物料温度为132℃；

步骤(3)中，酸相和油相的温度为129℃。

经计算，反应热量回收率为7％左右；

与传统硝化反应器中未进行反应热量回收相比，反应热量多回收7％左右。

实施例4(S4)

与实施例1相比，仅具有如下区别：

步骤(1)中，硫酸与硝酸的摩尔比为15:1；苯与硝酸和硫酸的混合物料经所述入口换热器11升温至67℃；自所述溢流出口15溢流的物料温度为142℃；

步骤(3)中，酸相和油相的温度为138℃。

经计算，反应热量回收率为8％左右；

与传统硝化反应器中未进行反应热量回收相比，反应热量多回收8％左右。

实施例5(S5)

与实施例1相比，仅具有如下区别：

步骤(1)中，硫酸与硝酸的摩尔比为12:1；苯与硝酸和硫酸的混合物料经所述入口换热器11升温至67℃；自所述溢流出口15溢流的物料温度为155℃；

步骤(3)中，酸相和油相的温度为151℃。

经计算，反应热量回收率为8％左右；

与传统硝化反应器中未进行反应热量回收相比，反应热量多回收8％左右。

根据实施例1-5可知，与传统硝化反应器中未进行反应热量回收相比，本发明的反应-分离-换热相耦合的硝化反应器能够集反应-分离-换热于一体，反应热量回收率可达6-8％；

且无需另外配套设置分离装置和换热装置，减少设备投投资和成本，减少占地面积。

Claims (10)

1.一种反应-分离-换热相耦合的硝化反应器，其特征在于，所述硝化反应器包括同轴设置的反应区(1)、分离区(2)和换热区(3)；

所述反应区(1)包括管式反应器主体(12)；所述管式反应器主体(12)的底部入口内设置有入口换热器(11)，用于经其管程通入进料；所述管式反应器主体(12)的内部设置有混合元件(13)，所述管式反应器主体(12)的顶部设置有由下至上依次收缩的缩口结构(14)；所述管式反应器主体(12)还设置有溢流出口(15)，所述溢流出口(15)设置于所述缩口结构(14)的顶部；所述管式反应器主体(12)上对应所述入口换热器(11)的位置设置有油相输出口(16)；

所述分离区(2)包括同轴设置的分离区壳体、旋转分离装置(21)和油酸分离腔(22)；所述分离区壳体的顶部设置有气体出口(23)；

所述旋转分离装置(21)包括驱动电机(211)、传动轴(212)、传动支撑桁架(213)、填料床层(214)和传动盘(215)；所述传动支撑桁架(213)、所述填料床层(214)和所述传动盘(215)设置于所述分离区壳体内；所述传动支撑桁架(213)呈环形同轴设置于所述溢流出口(15)的外周，用于支撑所述驱动电机(211)、所述传动轴(212)和所述填料床层(214)，且其靠近外边缘的底部设置有物料出口(216)；所述填料床层(214)安装于所述传动支撑桁架(213)内；所述传动轴(212)同轴穿入设置于所述分离区壳体内，且其底端位于所述溢流出口(15)的上方，顶端位于所述分离区壳体外；所述传动盘(215)水平且同轴固定至所述传动轴(212)的底端，且通过其边缘固定至所述传动支撑桁架(213)上；所述驱动电机(211)固定至所述传动轴(212)的顶端，用于驱动所述传动轴(212)转动从而依次带动所述传动盘(215)、所述传动支撑桁架(213)和所述填料床层(214)转动；

所述油酸分离腔(22)设置于所述分离区壳体内，且同时位于所述缩口结构(14)的外部和所述传动支撑桁架(213)的底部，用于经所述物料出口(216)接收来自所述填料床层(214)的物料并分离；所述油酸分离腔(22)还分别设置有酸相出口(224)和油相出口(225)，用于分别输出作为重组分的酸相和作为轻组分的油相；

所述换热区(3)包括盘管(31)，所述盘管(31)盘绕设置于所述管式反应器主体(12)上，且其进料端连接至油相出口(225)，其出料端连接至所述入口换热器(11)的壳程，且通过所述油相输出口(16)输出作为轻组分的油相。

2.根据权利要求1所述的硝化反应器，其特征在于，所述溢流出口(15)的上方还同轴设置有挡盘(217)，所述挡盘(217)位于所述传动盘(215)与所述溢流出口(15)之间；所述挡盘(217)通过其边缘固定至所述传动支撑桁架(213)上。

3.根据权利要求2所述的硝化反应器，其特征在于，所述挡盘(217)为上凸型挡盘，优选所述上凸型挡盘所对应的圆心角为90-180°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的硝化反应器，其特征在于，所述油酸分离腔(22)由上至下、向外向内依次分隔设置为稳定腔(221)、重组分腔(222)和轻组分腔(223)，相邻两腔体之间依次设置有高度依次降低的第一溢流板和第二溢流板；

所述稳定腔(221)对应所述物料出口(216)设置，用于接收来自所述填料床层(214)的物料并对其进行减速；

所述重组分腔(222)设置有酸相出口(224)，用于接收经第一溢流板自所述稳定腔(221)溢流的减速物料并对其分相，得到位于下层的酸相和位于上层的油相，并自所述酸相出口(224)输出作为重组分的酸相；

所述轻组分腔(223)设置有油相出口(225)，用于接收经第二溢流板自所述重组分腔(222)溢流的物料，并自所述油相出口(225)输出作为轻组分的油相。

5.根据权利要求4所述的硝化反应器，其特征在于，所述稳定腔(221)的底部设置有排液孔；优选所述排液孔有6-8个；优选所述排液孔的直径为10-25mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的硝化反应器，其特征在于，所述填料床层(214)内的填料为规整填料；优选所述规整填料为波纹板式填料和/或格栅式填料。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的硝化反应器，其特征在于，所述传动支撑桁架(213)的顶部设置有排气孔，优选所述排气孔有6-8个，优选所述排气孔的直径为10-15mm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的硝化反应器，其特征在于，所述管式反应器主体(12)内同轴设置有多个中空腔体，多个所述中空腔体沿其长度方向依次相接设置，用于物料流通；所述混合元件设置于相邻两个所述中空腔体的相接处；

优选地，所述中空腔体的两端收口设置。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的硝化反应器，其特征在于，所述混合元件(13)包括混合板，所述混合板上以其中心为圆心沿径向方向分散设置有多个圆孔，所述圆孔的出口侧设置有喷嘴，所述喷嘴的喷口方向沿其径向方向设置。

10.利用权利要求1-9中任一项所述硝化反应器进行硝化反应的硝化反应方法，其特征在于，所述硝化反应方法包括以下步骤：

(1)将有机物与酸溶液的混合物料自所述管式反应器主体(12)的底部入口送入所述入口换热器(11)的管程，预热后在所述管式反应器主体(12)内由下至上流动，并经所述混合元件13混合，然后流经所述缩口结构(14)后自所述溢流出口(15)溢流至所述旋转分离装置(21)；

(2)溢流至所述旋转分离装置(21)的混合物料在所述驱动电机(211)的作用下在所述填料床层(214)内进行旋转分相，然后自所述物料出口(216)输出至所述油酸分离腔(22)；

(3)输出至所述油酸分离腔(22)的混合物料经油酸分离后，自所述酸相出口(224)输出作为重组分的酸相，自所述油相出口(225)输出作为轻组分的油相至所述盘管(31)；

(4)输出至所述盘管(31)的油相对所述管式反应器主体(12)内的物料进行换热升温，然后进入所述入口换热器(11)的壳程对其管程进料进行换热升温，然后自所述油相输出口(16)输出油相。