CN206418056U - 一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，其特征在于，包括依次连接的第一物料罐、用于一次酯化反应的第一微通道反应器和第二微通道反应器、第一刮膜式蒸发器、用于二次酯化反应的第三微通道反应器、第二刮膜式蒸发器、第一冷却器；所述第一刮膜式蒸发器与第三微通道反应器之间的连接管道的支路上连接有第二物料罐；所述第一冷却器设置有酯化反应物料的出料口。本实用新型有利于缩短反应时间、提高生产效率。

Description

一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置

技术领域

本实用新型涉及环保材料生产领域，更具体地说，它涉及一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置。

背景技术

环氧植物油类的新型环保增塑剂产品的合成方法主要包括酯化、乙酰化及环氧化等步骤，目前主要采用间歇式反应釜进行生产，存在的主要问题是间歇式反应时间长，每步反应需要10到20个小时，导致副反应增多，影响产品质量；且在反应釜中利用机械搅拌装置时传热传质效率低，易超温超压，难以及时调节；产品质量不稳定，批次之间存在差异等。以最后一步环氧化反应为例，采用无溶剂法硫酸催化，即按一定比例加入乙酰化后的中间产物、甲酸和浓硫酸后，在不断搅拌下双氧水采用逐渐滴加的方式加入反应釜以防止反应过于剧烈。这种方法反应时间长，通常需要十几个小时反应才能终止；容易生成副产物，影响产品的纯度和收率；且生产过程不安全，若温度控制不当容易发生冲料事故甚至发生爆炸。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有利于缩短生产环保增塑剂的酯化反应中间产物的反应时间、提高其生产效率的的酯化反应单元装置。

本实用新型可以通过采取以下技术方案予以实现：

一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，包括依次连接的第一物料罐、用于一次酯化反应的第一微通道反应器和第二微通道反应器、第一刮膜式蒸发器、用于二次酯化反应的第三微通道反应器、第二刮膜式蒸发器、第一冷却器；所述第一刮膜式蒸发器与第三微通道反应器之间的连接管道的支路上连接有第二物料罐；所述第一冷却器设置有酯化反应物料的出料口。

优选地，它还包括控温系统，所述控温系统包括分别与所述第一物料罐、第一微通道反应器、第二微通道反应器、第三微通道反应器、第二物料罐相连通的循环导热油管道，以及与所述第一冷却器相连通的循环水管道。

优选地，所述第一物料罐和第一微通道反应器之间设置有计量泵、压力表和温度计；在第一刮膜式蒸发器与第三微通道反应器、第二物料罐和第三微通道反应器之间均设置有计量泵和压力表；所述第三微通道反应器的出料口设置有温度计。

优选地，所述第一物料罐、第二物料罐之中均设置有搅拌装置。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：利用该酯化反应单元装置进行生产的环保增塑剂产品的酯化中间产物可以达到和间歇式反应釜中生产的酯化中间产物一样的指标要求，但是反应时间仅需几分钟，大大缩短了生产时间，提高了生产效率。

附图说明

图1是本实用新型的酯化反应单元的结构示意图；

图2是乙酰化反应单元的结构示意图；

图3是环氧化反应单元的结构示意图；

图4是水洗碱洗单元的结构示意图；

图5是脱水脱酸单元的结构示意图；

图6是活性炭吸附单元的结构示意图；

图7是薄膜处理系统的结构示意图；

图8是分子蒸馏系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

如图1-8所示，一种生产环保增塑剂的反应装置，包括依次连接的酯化反应单元1、乙酰化反应单元2、环氧化反应单元3；所述酯化反应单元1、乙酰化反应单元2、环氧化反应单元3均包括有相连接的物料罐和微通道反应器。

微通道反应器，也称微尺度或微结构反应器，其特征尺寸在几十到几百微米，远小于传统反应器的特征尺寸，但对分子水平的反应而言，该尺度依然非常大，因此不会改变化学反应机理和本征动力学特性。微通道反应器是通过改变流体的传热、传质及流动特性强化化工过程的，具有温度和反应时间控制精准、结构安全、无放大效应和产品质量稳定等优点。

本实施例中，微通道反应器均为增强混合型通道结构，其结构可以为心型结构、球型结构、球型带挡板结构或水滴状结构，通道管径为0.25~5mm。

酯化反应单元1包括依次连接的第一物料罐11、用于一次酯化反应的第一微通道反应器12和第二微通道反应器13、第一刮膜式蒸发器14、用于二次酯化反应的第三微通道反应器15、第二刮膜式蒸发器16、第一冷却器17；第一刮膜式蒸发器14与第三微通道反应器15之间连接有第二物料罐18。第一物料罐11、第一微通道反应器12、第二微通道反应器13、第三微通道反应器15、第二物料罐18均外接有循环导热油。在第一物料罐11、第二物料罐18中均设置有搅拌装置，在第一物料罐11与第一微通道反应器12之间设置有计量泵、压力表及温度计，用于输送物料，监测物料的压力和温度；第二微通道反应器13的物料进口和出口处均设置有温度计，用于监测物料的温度。

在第一刮膜式蒸发器14与第三微通道反应器15、第二物料罐18与第三微通道反应器15之间均设置有计量泵、压力表，用于输送物料，监测物料的压力；两股物料混合后，靠近第三微通道反应器15设置有温度计，用于监测混合物料的温度。第一冷却器17通过循环水进行冷却降温。

其中，一次酯化反应可以为酯交换反应或酯化反应，二次酯化反应可以为酯化反应或酯交换反应，在一次酯化反应中设置相互连接的第一微通道反应器12和第二微通道反应器13，可以根据需要进行不同阶段的温度的设置，提高反应程度。酯交换和酯化反应为可逆反应，并且在酯交换反应的过程中可能会伴随产生酯化反应，产生水分，影响反应的进程，因此需要设立第一刮膜式蒸发器14，去除酯化反应产生的水分，避免影响后面的第三微通道反应器15的酯化反应，同时在第三微通道反应器15之后设立第二刮膜式蒸发器16，去除产生的水分，避免对后续乙酰化反应造成影响，同时在乙酰化反应的过程中，由于去除掉了水分，能够促进进一步的酯化反应。

乙酰化反应单元2包括依次连接的第四微通道反应器22、第三刮膜式蒸发器23、第五微通道反应器24、第四刮膜式蒸发器25、第二冷却器26；第四微通道反应器22与第一冷却器17连接，第一冷却器17和第四微通道反应器22之间连接有第三物料罐21。第四微通道反应器22、第五微通道反应器24均外接有蒸汽，第二冷却器26外接有循环水。

乙酰化反应会产生水分，影响反应进程，因此需要脱水。经第一冷却器17冷却至一定温度的两次酯化后的物料与来自于第三物料罐21中的物料混合后进入第四微通道反应器22中进行初步乙酰化反应，然后经第三刮膜式蒸发器23脱水后经过计量泵再进入第五微通道反应器24进行进一步的乙酰化反应，反应结束后物料经第四刮膜式蒸发器25脱水后进入第二冷却器26。

在第一冷却器17与第四微通道反应器22之间设置有两个温度计，靠近第一冷却器17的温度计用于监测酯化反应后经第一冷却器17冷却的物料温度，靠近第四微通道反应器22的温度计用于监测两股物料混合后的温度。若两股物料混合后温度低于乙酰化反应所需温度，则关小第一冷却器17中循环水的流量，提高酯化反应后的物料温度，进而提高两股物料混合后的温度。这样设计的好处在于依靠酯化反应后物料本身的温度对混合后的两股物料温度进行调节，不需要外加换热器，从而达到降低能耗的目的。

在第三物料罐21与第四微通道反应器22、第三刮膜式蒸发器23与第五微通道反应器24、第四刮膜式蒸发器25与第二冷却器26之间均设置有计量泵和压力表，用于输送物料并监测物料压力。在第四微通道反应器22、第五微通道反应器24和第二冷却器26的物料出口处均设置有温度计，用于监测物料的温度。

环氧化反应单元3包括依次连接的第一暂存罐31、第一预热器32、第六微通道反应器33、第七微通道反应器34、第八微通道反应器35、第二暂存罐36；第一预热器32和第六微通道反应器33之间连接有并联的第四物料罐37和第五物料罐38；第二冷却器26和第一暂存罐31连接。由于环氧化反应属于强放热反应，第六微通道反应器33、第七微通道反应器34均采用外接循环水进行控温。第八微通道反应器35外接有循环冷冻水，采用冷冻水使物料温度急速下降至30℃左右，进行淬灭，停止反应。第一预热器32外接有蒸汽。

乙酰化反应结束后的物料经第二冷却器26冷却后进入第一暂存罐31，经第一预热器32稍微预热后与来自第四物料罐37、第五物料罐38的两股物料一起进入第六微通道反应器33和第七微通道反应器34进行环氧化反应，然后进入第八微通道反应器35淬灭，环氧化反应结束后物料进入第二暂存罐36中静置分层，上层酸水去污水处理池，下层粗产品等待后处理。

第一暂存罐31与第六微通道反应器33、第四物料罐37与第六微通道反应器33、第五物料罐38与第六微通道反应器33之间均设置有计量泵和压力表，用于输送物料并监测物料压力。在第一预热器32、第六微通道反应器33、第七微通道反应器34和第八微通道反应器35物料出口处均设置有温度计，用于监测物料的温度。

以上的刮膜式蒸发器均为降膜式蒸发器。

一种生产环保增塑剂的反应装置，它还包括后处理单元；所述后处理单元包括依次连接的水洗碱洗单元4、脱水脱酸单元5、脱色脱臭单元。

水洗碱洗单元4包括依次连接的外接有蒸汽的第二预热器41、第一分离机44、第二分离机47；所述第二预热器41和第一分离机44之间分别连接有第一热水罐42、第一碱水罐43；第一分离机44和第二分离机47之间分别连接有第二热水罐45、第二碱水罐46；第二预热器41与第二暂存罐36连接。在第二暂存罐36和第二预热器41之间设置有计量泵和压力表，用于输送物料并监测物料压力。

脱水脱酸单元5包括依次连接的第一干燥塔51、第一脱酸塔52、第二脱酸塔53、第二干燥塔54，第一干燥塔51与第二分离机47连接；依次连接的第二分离机47、第一干燥塔51、第一脱酸塔52、第二脱酸塔53、第二干燥塔54的相邻两台设备之间均设置有外接蒸汽的预热器。每两个塔之间均设置有计量泵和压力表，用于输送物料并监测物料压力。四个塔的不同之处在于，第一干燥塔51仅设置有真空装置，用于脱除经分离机水洗后的粗产品中的大部分水分；第一脱酸塔52和第二脱酸塔53中增加了通蒸汽装置，通过气提作用脱除粗产品中残留的酸性物质，以达到进一步降低酸值的目的；第二干燥塔54中不仅有真空装置和通蒸汽装置，而且增加了通氮气装置，用于脱除粗产品中残留的水分，以及一些无法在第一脱酸塔52和第二脱酸塔53中脱除的低分子物质。

脱色脱臭单元包括活性炭吸附单元6和分子蒸馏脱臭单元。

活性炭吸附单元6包括与过滤机62连接的一个或者多个依次连接的外接有蒸汽且内置有活性炭吸附剂的反应釜，所述反应釜与第二干燥塔54连接。在本实施例中，反应釜设有两个。两个反应釜（61,63）结构相同，其内部均设置有蒸汽加热装置、机械搅拌装置、真空装置和通氮气装置。

经脱水、脱酸后的粗产品在反应釜中与活性炭和活性白土在80~90℃时混合搅拌1~2 h，通过二者的吸附作用脱除粗产品中的有色基团，以达到脱色的目的，然后经过滤机62进行固液分离，得到的粗产品进入最后一步后处理分子蒸馏脱臭单元。

分子蒸馏脱臭单元包括依次连接的薄膜处理系统7、分子蒸馏系统8。

薄膜处理系统7包括依次连接的第三暂存罐71、第三预热器72、薄膜蒸发器73、第一重组分接收罐74；第三暂存罐71与过滤机62连接，第一重组分接收罐74与薄膜蒸发器73下部连通，薄膜蒸发器73的上部与第一冷凝器75的上部连通，第一冷凝器75的下部连通有第一轻组分接收罐76。第一轻组分接收罐76、第一重组分接收罐74和缓冲罐依次连通，并通过与缓冲罐相连的普通真空机调节气压；第一轻组分接收罐76底部设有电动流量控制阀；第一冷凝器75的上端与下端分别与循环水进管和循环水出管连通。薄膜处理系统7与第三暂存罐71之间的流量控制系统设置在第三预热器72与第三暂存罐71间的油管上，其包括阀组、电动流量控制阀、流量控制器和转子流量计，电动流量控制阀和第三暂存罐71之间设有阀组，电动流量控制阀和第三预热器72之间设置转子流量计，转子流量计和电动流量控制阀之间连接有流量控制器，转子流量计的两端分别串联阀门后又与一阀门并联。薄膜处理系统上的预热温控系统是在温控器的控制下，将来自导热油进管的导热油经过四通阀分别被泵入到第三预热器72和薄膜蒸发器73，导热油的流量经阀门调节，从第三预热器72和薄膜蒸发器73排出的导热油再经四通阀进入到导热油出管。

分子蒸馏系统8包括依次连接的再热器81、分子蒸馏器82、第二重组分接收罐83；再热器81与第一重组分接收罐74连通，分子蒸馏器82下部还分别连通有第二轻组分接收罐84、第二冷凝器85，第二冷凝器85依次连通有冷阱86、缓冲罐、高真空机组；第二冷凝器85和冷阱86的下部均与第二轻组分接收罐84连通；第二轻组分接收罐84和第二重组分接收罐83的上部相互连通。再热器81下端与第一重组分接收罐74相连通的油管上设有流量控制系统，再热器81的上端与分子蒸馏器82上部连通，第二冷凝器85与冷阱86液性连通，冷阱86、缓冲罐和高真空机组依次连通；第二轻组分接收罐84上部和第二重组分接收罐83上部连通，第二轻组分接收罐84上部和底部均设置有电动流量控制阀；分子蒸馏器82的下部与循环水进管和循环水出管连通；第二冷凝器85的上端与下端分别与循环水进管和循环水出管连通；冷阱86的顶部与冷冻水进管和冷冻水出管连通。再热器81与第一重组分接收罐74之间的流量控制系统以及分子蒸馏系统8上的预热温控系统的作用方式与如前所述的薄膜处理系统7中相似。

在本实施例中，分子蒸馏系统8设置有相互连接的两组。先利用薄膜蒸发技术对经活性炭吸附脱色后的粗产品进行脱气脱水，然后利用两级分子蒸馏脱除脂肪酸和低分子醇，最终获得脱色脱味的、品质较高的新型环保增塑剂产品A。

一种用于生产新型环保增塑剂的方法，采用上述的生产环保增塑剂的反应装置，包括酯化反应、乙酰化反应、环氧化反应。

在酯化反应中，植物油可以为大豆油、亚麻油、棕榈油、蓖麻油的一种或多种；多元醇可以为1,4-丁二醇、甘油、季戊四醇、三羟甲基丙烷的一种或多种；酯交换催化剂可以为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙的一种或多种，酯化催化剂可以为钛酸四丁酯、磷酸、磷酸钠的一种或多种；二元酸可以为己二酸、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、对苯二甲酸的一种或多种。

在乙酰化反应中，乙酰化试剂可以为乙酰氯、冰醋酸、乙酸酐；催化剂为浓硫酸、对甲苯磺酸、酸性例子交换树脂的一种或几种。

在环氧化反应中，催化剂可以为硫酸、磷酸。

以下按照如上所述的微通道反应装置及方法制备二元酸双一乙酰环氧植物油酯环保增塑剂：

（1）酯化反应：将750g大豆油、150g甘油、0.25g氢氧化钠催化剂加入第一物料罐，加热搅拌，混合预热至170℃，使三种物料混合均匀；通过计量泵将混合物料打入第一微通道反应器进行反应，第一微通道反应器的温度为170℃，停留时间为150s；随后将反应物料打入第二微通道反应器进行反应，第二微通道反应器的温度为200℃，停留时间为150s，完成一次酯化反应，所述一次酯化反应其实为酯交换反应，形成大豆油单酯，反应产物经过第一刮膜式蒸发器脱水；将12.5g己二酸与0.6g磷酸催化剂加入第二物料罐，加热搅拌，混合预热至180℃，使两种物料混合均匀，通过计量泵将混合物料与一次酯化反应脱水后的产物打入第三微通道反应器，第三微通道反应器的温度为200℃，停留时间为150s，完成二次酯化反应，所述二次酯化反应其实为酯化反应，形成二元酸双植物油酯，反应产物经过第二刮膜式蒸发器脱水，然后进入第一冷却器进行冷却降温至120℃；（2）乙酰化反应：将122g乙酰化试剂冰醋酸和1.2g乙酰化催化剂对甲苯磺酸加入到第三物料罐混匀，通过计量泵将该混合物与步骤（1）后的产物一起打入第四微通道反应器，第四微通道反应器的温度为80℃，停留时间为100s，进行初步乙酰化反应，随后经过第三刮膜式蒸发器脱水；随后进入第五微通道反应器，第五微通道反应器的温度为90℃，停留时间为100s，完成乙酰化反应；反应产物经过第四刮膜式蒸发器脱水，然后进入第二冷却器进行冷却降温至50℃；

（3）环氧化反应：将步骤（2）的产物打入第一暂存罐，所述第四物料罐为甲酸罐，第五物料罐为双氧水和磷酸的混合罐，将第一暂存罐、第四物料罐、第五物料罐的物料通过计量泵依次打入第六微通道反应器，其中，甲酸16g，磷酸0.6g，双氧水150g，第六微通道反应器的温度为60℃，停留时间为150s；随后进入第七微通道反应器，第七微通道反应器的温度为70℃，停留时间为150s；然后进入第八微通道反应器进行淬灭，第八微通道反应器的温度为30℃，反应结束；随后进入第二暂存罐静止分层，上层酸水去污水处理池，下层粗产品等待进入后处理单元；

（4）水洗碱洗：将步骤（3）的下层粗产品测试酸值，若酸值合格，则抽入第一分离机中进行水洗；若酸值不合格，则在第一分离机中进行碱洗，然后再进入第二分离机中进行水洗；碱洗水洗温度均设置为70℃；

脱水脱酸：水洗后的粗产品进入第一干燥塔，温度为110℃，进行抽真空除水分；随后分别依次进入第一脱酸塔、第二脱酸塔，脱除粗产品中的酸性物质，第一脱酸塔温度为120℃，第二脱酸塔的温度为130℃；随后进入第二干燥塔，温度为140℃；

脱色脱臭：随后将粗产品进入活性炭吸附单元的反应釜中，粗产品与反应釜内部的活性炭和活性白土在85℃下混合搅拌1.5h，进行脱色，随后进入过滤机进行固液分离；随后将脱色的粗产品依次进入分子蒸馏脱臭单元的薄膜处理系统和分子蒸馏系统进行脱臭处理，最终得到新型环保增塑剂产品。

将二元酸双一乙酰环氧植物油酯环保增塑剂同时按照中国专利CN105085442的间歇式反应釜的方法进行制备，反应时间为24h，将粗产物经过本发明的后处理单元进行处理，分别对以下节点进行测试：

中间产品1：一次酯化反应后产物；

中间产品2：二次酯化反应后产物；

中间产品3：乙酰化反应后产物。

在微通道反应装置和间歇式反应釜中得到的中间产品1、中间产品2和中间产品3指标对比如表1：

表1

同时对在微通道反应装置和间歇式反应釜中得到产物分别进行后处理后得到的产品指标对比如表2：

表2

检测项目	指 标	微通道反应装置	间歇式反应釜
				外观	浅黄色透明液体	浅黄色透明液体	浅黄色透明液体
色度(Pt-Co) ≤	150	130	125
				酸值(以KOH计)/(mg/g) ≤	3	2.25	2.12
碘值/% ≤	3	1.98	1.87
				环氧值/% ≥	3.5	3.65	3.72
密度(20℃)/(g/cm3)	0.9900~1.0500	1.0300	1.0350
				闪点/℃ ≥	250	260	265
水分(重量)/% ≤	0.2	0.09	0.07

采用微通道反应装置得到的新型环保增塑剂产品可以达到和在间歇式反应釜中一样的指标要求，但其每一步的反应时间仅需几分钟，而在间歇式反应釜需要4~10h，因此采用微通道反应装置的反应时间远小于利用间歇式反应釜，从而极大地提高了生产效率。

在实际生产时，可以根据需要对所用原料的配比、温度、时间进行调节。

以上结合较佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (4)

1.一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，其特征在于，包括依次连接的第一物料罐、用于一次酯化反应的第一微通道反应器和第二微通道反应器、第一刮膜式蒸发器、用于二次酯化反应的第三微通道反应器、第二刮膜式蒸发器、第一冷却器；所述第一刮膜式蒸发器与第三微通道反应器之间的连接管道的支路上连接有第二物料罐；所述第一冷却器设置有酯化反应物料的出料口。

2.根据权利要求1所述的一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，其特征在于，它还包括控温系统，所述控温系统包括分别与所述第一物料罐、第一微通道反应器、第二微通道反应器、第三微通道反应器、第二物料罐相连通的循环导热油管道，以及与所述第一冷却器相连通的循环水管道。

3.根据权利要求2所述的一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，其特征在于，所述第一物料罐和第一微通道反应器之间设置有计量泵、压力表和温度计；在第一刮膜式蒸发器与第三微通道反应器、第二物料罐和第三微通道反应器之间均设置有计量泵和压力表；所述第三微通道反应器的出料口设置有温度计。

4.根据权利要求3所述的一种生产环保增塑剂的酯化反应单元装置，其特征在于，所述第一物料罐、第二物料罐之中均设置有搅拌装置。