CN1620329A - 与自然循环蒸发器特殊结合的反应塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于进行化学反应的装置，其包括经连接件互相连接的至少一个蒸馏塔和/或至少一个容器以及至少一个循环蒸发器，其中液体从蒸馏塔的底部或堆叠填充床或堆积填充床或湿滤器，或者作为低于循环蒸发器较低管板的外部进料流完全或部分地引入所述蒸发器。

Description

与自然循环蒸发器特殊结合的反应塔

本发明涉及一种用于进行化学反应的设备，包括至少一个蒸馏塔和/或至少一个容器以及至少一个循环蒸发器，它们通过相应的连接件互相连接。

使用蒸馏塔进行的化学反应，例如聚氨酯化学过程，是已知的，例如，在甲苯二胺(TDA)的制备中，通过在第一步骤中进行甲苯的硝化反应，得到甲苯二胺异构体的混合物，这种单硝基化混合物的分离在工业规模上一般仅能通过多个蒸馏步骤进行。

尤其是还包括蒸馏装置的各种混合装置也用于合成工业上重要的异氰酸酯，例如，经光气化合成甲苯二异氰酸酯(TDI)或二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)。

这类合成中的问题包括以下事实，在专用的反应组分混合不充分以及反应条件不利的情况下，经常不能达到平稳的反应过程，即反应中的最佳转化率(尤其是对于收率的大小，这是决定性的)。随后得到的含量增加的副产物以及同样聚集在反应装置底部的未转化原料迄今是在昂贵且费时的附加步骤和处理中从主产物中分离出来的(PUR-KunststoffhandbuchNo.7，第3版，Hanser Verlag，第77页，3.2.2段)。

已知用于改进反应转化率的设备是在所用反应塔内包括一个空间上分隔的底部(热/冷)的设备。借助于分隔的底部，可以防止从与反应塔连接的蒸发器中排出的热流再次与反应塔的底部冷物质接触。结果，一方面获得了热的底部部分，从其中移出底部产物进行进一步的处理；另一方面获得了冷的底部部分。存在于底部上方的来自反应塔最低塔板的冷流体，以及热底部部分的、由于空间布置而从中溢流出来的那部分，与冷的底部部分混合。

热底部部分与冷底部部分的体积比率较低可以视作这种装置的缺点。但迄今为止，克服这一缺点的努力尤其受各个装置的设计和尺寸的限制而并未成功。

另一种已知装置尝试通过增加热底部部分的尺寸以解决这一问题。在该装置中，省去了冷和热底部部分的空间分隔，使得冷的底部部分当然存在于热的底部部分之下。来自反应塔最低塔板的液体在连接件之前直接引入，底部产物可以从所述连接件移出并且该连接件通常存在于塔底，即冷的底部部分中。

但实际上，由于热的底部部分，冷液体在通往其运输管线的过程中已经开始蒸发，这样，具有气态成分的液体在连接件之前通过，这可以视为该装置的缺点。随即被蒸发的这些液体中的气态成分在连接的蒸发器中引起循环的恶化。这通常导致故障或结垢。在本文中，结垢理解为表示在例如管线的各个内表面形成了不希望的沉积，所述结垢在相对较高的温度下形成。

此外，Kister(Henry Kister，Distillation operation，MacGraw-Hill，1989，第97页)描述了作为自然循环蒸发器操作的单程蒸发器用于启动塔的用途。但并未提及自然循环蒸发器和单程蒸发器的结合。

本发明的一个目的在于提供一种装置，通过该装置可以经济地进行化学反应，例如上述TDI或MDI的制备，且避免了上述缺点并同时提高了反应的转化率。

我们已经发现，这一目的可以通过下述用于进行化学反应的装置进行，其包括经连接件互相连接的至少一个蒸馏塔和/或至少一个容器以及至少一个循环蒸发器，其中液体从蒸馏塔的塔板或堆叠填充床或堆积填充床或湿滤器，或者作为低于循环蒸发器较低管板的外部进料流完全或部分地引入所述蒸发器。

可以使用该装置进行的化学反应优选是动力学控制的反应、吸热平衡反应或质量传递，因为在这些情况下的较高温度以及体积恒定的液体导致反应更快且转化率更高。

但特别优选进行异氰酸酯、尤其是TDI和MDI的制备。

使用的蒸馏塔优选是多段连续的板式塔。

或者也可以使用连续、半间歇或间歇操作的管式塔、滞留板式塔、降膜塔、喷雾塔、泡罩塔、含堆积填充物的塔、含堆叠填充物的塔以及滞留填充塔。

在立式塔中，由于涉及能量的原因，在大部分情况下，通常液相从顶部流向底部，而气相由底部流向顶部。对于本发明而言，优选使用其中的相可以逆流、交叉流、并流、交叉并流和交叉逆流形式添加的立式塔，各个流动形式是通过内部部件决定的。

在本发明的上下文中，液体应理解为表示在蒸馏塔中得到的冷凝液和/或从蒸馏塔中提供的最低塔板移出的液体进料。对于塔中的塔板典型的是，通常在由塔板上升的蒸汽和从中流出的液体之间存在一个热平衡。但是，在塔板上也可能没有热力学平衡。在优选使用的塔板的情况下，带有强制液体传递的塔板和不带强制液体传递的塔板之间应当有所区别。此外，可以将塔板设计为交换塔板以增加灵活性。根据特定的流路，可以在带有强制液体传递的塔板的情况下使用例如交叉流塔板、偏向流塔板或径向流塔板。

堆积填充床优选是均匀分布在塔的整个高度上并且建立在承载栅板上的或多或少规则排列的填充物。床体由规则的成型体组成，填充物的尺寸变化很大并趋向于构成一个非常大的表面积以及为气体提供一个自由通行的大截面。优选使用的填充物类型是环形体，诸如腊希环和鲍尔环，以及马鞍形体，诸如槽鞍形和弧鞍形，其也可以由各种材料制成，例如陶瓷、金属、玻璃和塑料。

与具有不规则结构的堆积填充床相比，堆叠填充物，其整体形式也被称为堆叠填充床，构成了有序的塔填充物。堆叠填充物的材料的选择主要是通过腐蚀性能以及流动参数确定的。堆叠填充物可以是不同的，例如具有或不具有表面结构(例如筛板、膨胀金属)的无孔板和带，并且可以含有纺织、粘结和编织材料。

此外，在新的设备中，循环蒸发器是自然循环蒸发器。

用于本发明的蒸发器一般可以是任何已知的蒸发器。但优选使用强制循环蒸发器，例如升膜蒸发器、离心式蒸发器和旋转蒸发器，以及循环蒸发器，例如罗伯特蒸发器、斜管蒸发器和长管蒸发器，以及自然循环蒸发器。还可以使用降膜蒸发器，但随之液体必须在管板之上引入。

特别优选提供的单程蒸发器是一种用于蒸发液体的装置，液体在单程通过装置的过程中完全或部分蒸发。

所定义的自然循环蒸发器是一种无需使用泵便可操作的蒸发器，待蒸发的液体在管束的管中通常通过蒸汽冷凝而被加热，并被部分蒸发。进料和管束之间的流体密度差导致出现自然循环。

蒸馏塔和蒸发器之间的连接件优选是管道形式。或者也可以使用挡板、轴或软管。

在进一步的优选实施方案中，从蒸馏塔或容器的进料中移出液体并引入所述蒸发器的较低管板下方的循环蒸发器。

此外，在本发明设备的优选实施方案中，引入循环蒸发器的液体优选经循环蒸发器较低管板下方的至少一个进料和/或分配器体系，与循环自蒸馏塔或容器的的热底部部分的液体混合。

优选使用的进料和/或分配器体系包括浸渍管、直接进料、切向进料、喷嘴单元或喷射单元。

所述体系尤其优选包括低于循环蒸发器较低管板的环形管或者在直接进料的情况下使用静态混合元件。

在本发明的进一步优选的实施方案中，蒸馏塔或容器具有分隔的底部，分隔的底部具有至少一个冷的底部部分和至少一个热的底部部分。

该分隔可以通过分隔元件，例如分隔壁(如果待分隔的是空间内聚的底部区域)实现，或者采用以下方式空间分隔：底部部分是有间距的，使得尽可能地防止了相互的温度影响。底部一般可以分为多于两个的部分，各底部部分的尺寸可以自由确定。

在本发明进一步的实施方案中，当新装置用于发生反应的混合物时，使用相同的结构尺寸达到热的底部部分的最大化和冷的底部部分的最小化。

在本发明的上下文中，混合物可以是一种或多种纯组分的均相或非均相混合物。均相混合物优选是液体。非均相混合物优选是一种或多种液相、气相和/或一种或多种固相。

应当理解，结构尺寸是指用于在反应中实现相当转化的装置的结构尺寸。因此，较小的结构尺寸意味着有毒或其它有害物质的含量较低。

按照组装的形式，新装置具有的优点是在与热液体混合时蒸发的冷液体稳定了自然循环，并改善了传热，由此阻碍了结垢。

除了在塔底避免了两相流动之外，混合两种液体使得在这种结合中实现了较低的入口和出口温度，以及在特定的加热介质温度下，蒸发器中的较大温差。

来自优选使用的自然循环蒸发器的排出物的温度优选对应于底部温度，并因此等于单程蒸发器中的蒸发器出口温度。自然循环蒸发器的入口温度优选在底部温度和排出物的温度之间，并且通过得到的循环比确定。

尤其是对于TDI工艺而言，天然循环蒸发器和单程蒸发器的结合通过将热的底部部分最大化，使得反应的转化率得以提高。因此，光气的停留时间可以减少，结垢的危险降低或者对所需产物TDI的转化率升高，这对应了更高的收率。

在动力学控制的反应、吸热平衡反应或质量传递中使用本发明尤其有利，因为此时较高的温度以及相同的液体体积使得反应更快，转化率更高。

此外，根据本发明，可以使用所述新型装置，进行由甲苯二胺(TDA)及其胺盐酸盐和光气制备甲苯二异氰酸酯(TDI)的工艺。

由亚甲基二苯二胺(MDA)及其胺盐酸盐和光气制备二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)的工艺也可以使用该装置进行。

根据本发明，该装置用于进行TDI或MDI制备工艺的用途也是可以实现的。

以下参照附图，更详细地阐述本发明的优选实施方案。

图1是新装置的示意图。

图1所示的装置1描述了本发明的优选实施方案。用于进行TDI工艺的装置1包括具有最低塔板12和热的底部部分14和用于冷液体的出料16、蒸汽空间17和用于热液体的出料18，自然循环蒸发器20和相应的连接管线22和24，以及自然蒸发器的进料25和流出管26，用于连接蒸馏塔10和自然循环蒸发器20。

自然蒸发器20尤其包括蒸发器管束28、分配器环30和进料25以及流出管26。

在TDI工艺过程中，来自蒸馏塔10的热底部部分14的液体通过出料18、连接管线24和进料25进入分配器环30。同时，在蒸馏塔10的最低塔板12上收集的液体经出料16从蒸馏塔10除去，并经连接管线22同样进入自然循环蒸发器20的分配器环30。

进入自然循环蒸发器20的分配器环30的这两种液体优选在分配器环30中混合。冷液体蒸发并稳定自然循环，并且同时改善了传热。

自然循环蒸发器20中的实际蒸发过程通过蒸发器管束28的加热进行，从分配器环30进入蒸发器管束28的各个管的液体被加热。如果管壁的温度足够高，液体通过初始在管壁上形成的鼓泡开始在蒸发器管束28的管中沸腾。它们由于浮力而开始移开，上升至管的上端并经溢流管26以蒸汽形式进入蒸汽空间17。蒸汽鼓泡的形成使得蒸发器管束28的管中的平均密度降低，这样管中的流体静压低于蒸馏塔10的热底部部分14的流体静压。该流体静压差异导致液体由蒸馏塔10的热底部部分14流向自然循环蒸发器20的蒸发器管束28，以补偿压差。由蒸馏塔10的热底部部分14流向自然循环蒸发器20的蒸发器管束28的液体将较高管板上方的各蒸发器管中的两相混合物进而提升至蒸汽空间17，形成的蒸汽鼓泡夹带了部分液体。这些液滴通过重力或适合的分离器从蒸汽空间17中分离出来，并落回至蒸馏塔10的热底部部分14中。因此出现了自动循环流动。

出料32作为底料排出。通过它，底部产物可以在流速控制下移出，以便例如在下游反应器中进一步处理或加工。

Claims (10)

1、一种用于进行化学反应的装置(1)，包括经连接件互相连接的至少一个蒸馏塔(10)和/或至少一个容器以及至少一个循环蒸发器，其中液体从蒸馏塔(10)的塔板(12)或从堆叠填充床或从堆积填充床或从湿滤器，或者作为低于循环蒸发器较低管板的外部进料流完全或部分地引入所述蒸发器。

2、权利要求1的装置(1)，其中循环蒸发器是自然循环蒸发器(20)。

3、权利要求1或2的装置(1)，其中液体从蒸馏塔(10)或容器的进料中移出，并在循环蒸发器的较低管板下方引入所述蒸发器。

4、上述权利要求任一项的装置(1)，其中蒸馏塔(10)或容器具有分隔的底部。

5、上述权利要求任一项的装置(1)，其中分隔的底部具有至少一个冷的底部部分和至少一个热的底部部分。

6、上述权利要求任一项的装置(1)，其中当所述装置用于进行反应的混合物时，采用相同的结构尺寸实现热的底部部分的最大化和冷的底部部分的最小化。

7、上述权利要求任一项的装置(1)，其中将进入(20)循环蒸发器的液体，优选经由该自然循环蒸发器的较低管板下方的至少一个分配器体系(30)，与从蒸馏塔(10)或容器的热底部部分(14)循环的液体混合。

8、一种使用上述权利要求1-7任一项的装置(1)由甲苯二胺(TDA)及其胺盐酸盐和光气制备甲苯二异氰酸酯(TDI)的方法。

9、一种使用上述权利要求1-7任一项的装置(1)由亚甲基二苯二胺(MDA)及其胺盐酸盐和光气制备二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)的方法。

10、权利要求1-7任一项的装置(1)用于进行权利要求8或9的方法的用途。