用于乙烯酮连续吸收的多级开式涡轮转盘搅拌塔及其应用 【技术领域】
本发明涉及一种适用于乙烯酮连续吸收反应的塔式反应器及其应用方法。
背景技术
乙烯酮是一种重要的化工中间体，可以制备多种高附加值的精细化工产品，但是，乙烯酮性质极活泼，易聚合，无法贮存，而且有剧毒，因而在进行乙烯酮气液吸收反应时，乙烯酮的吸收效率成为一个关键性问题。
目前的乙烯酮塔式吸收工艺采用间歇式吸收，多个吸收塔轮流切换，如中国专利CN200610051620.3，此方法不能将乙烯酮完全吸收，造成物料的浪费，特别是到吸收后期，丙酮浓度逐步降低，对乙烯酮的吸收效率也逐步变差，同时，乙烯酮自聚等副反应增加。为保证乙烯酮的完全高效吸收，只能在产品浓度不是很高的情况下切换吸收塔，造成吸收液中产物浓度低，这必然增加了后续分离塔的负荷和能耗，以及增加原料在回收过程中的消耗，大大提高了设备成本和生产成本，同时，间歇吸收操作，也不能适应大规模生产的需要。
乙烯酮采用连续塔式吸收的主要困难在于：(1)吸收时使用的催化剂是一种密度大且具有较高粘度的液体，与料液并不能完全互溶，由密度差导致的催化剂与料液在塔内的停留时间差异将导致浓度分布不均匀，从而影响吸收的效果，而且催化剂在较高的温度下有可能粘附在塔内件上而导致堵塞。(2)吸收过程是一个放热反应，由此将造成的塔内料液气化，破坏塔的操作工况，因此，要求塔具有良好的换热效果，顺利移走反应热。(3)由于乙烯酮为有毒气体，要求在保证气液搅拌均匀的前提下使整个设备密封。
Oldshue和Rushton于1952年开发的多级搅拌塔(Oldshue J Y，Rushton JH.Continuous Extraction in a Multistage Mixer Column.ChemicalEngineering Progress，1952，48(6)：297-306)应用在液-液体系中取得了较好效果，如美国专利US4370470报道了一种使用多级搅拌塔生产聚亚芳基硫化物的方法，中国专利CN1235855发明了一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔用于液液萃取，苏元复等提出的开式涡轮转盘塔(Zhang S H，Ni X D，Su Y F.Hydrodynamics，Axial Mixing and Mass Transfer in Rotating Disk Contactors.Canadian Journal of Chemical Engineering，1981，59：573-682)应用于液～液-固复分解反应及LEACHEX(一种结合浸取-萃取的新方法)过程。但是，这些设计不能解决气液连续吸收问题，特别是丙酮吸收乙烯酮时使用的催化剂(ASA)密度大且与丙酮并不能完全互溶，以及由此导致催化剂与丙酮在塔内停留时间产生差异；另外，前述搅拌塔对催化剂及反应气体的分散作用比较差，直接应用于气液吸收效果不好。
因此，有必要探索一种连续塔式吸收设备和方法，使现有吸收流程简化为以单个吸收塔为主体设备的流程，进一步简化全流程，降低设备投资和能耗，使主体流程操作自动、控制稳定，吸收液中的产物纯度提高，降低后续分离负荷、原料单耗和能耗，从而克服传统工艺单体设备众多、控制复杂、制造维护要求高的缺点。
【发明内容】
本发明的目的是：克服传统工艺单体设备众多、控制复杂、制造维护要求高的缺点，提供一种操作自动、控制稳定、吸收液中的产物纯度高，能够连续并完全吸收乙烯酮的塔式反应器及其方法。
为达到上述目的，采用的技术方案是：用于乙烯酮连续吸收的多级开式涡轮转盘搅拌塔，包括置于搅拌塔下方的气相进料口e、出料口p，所述搅拌塔项部的液相进料口c、气相出口a，以及磁力驱动器，其特征在于：所述搅拌塔的澄清段上部置有气体分散器，所述搅拌塔中部为吸收段一和吸收段二，两吸收段间由视镜连接，所述吸收段内转轴上置有多级搅拌桨和固定环，所述固定环由定距管分隔连接，将整个塔的吸收段分为多级环流小室，每个所述搅拌桨都位于两相邻固定环的中间。
搅拌塔中部吸收段外侧分段置有冷却水夹套，可以分别控制该段反应温度。
吸收段内每个搅拌桨的转盘下表面置有3～6片涡轮叶片。
澄清段需要具备一定长度，保证夹带在出料液中的气泡能够完全上浮返回吸收段。
所述搅拌塔中部吸收段内的转轴上、中、下部，各有一个聚四氟乙烯支撑轴承支撑。
转轴由电机驱动磁力方式驱动，实现反应器可靠密闭。
所述多级开式涡轮转盘搅拌塔用于乙烯酮连续吸收的方法，其特征在于：含有催化剂的丙酮由塔顶液相进料口c打入塔内，乙烯酮气体由塔底气相进料口e进入塔内，在吸收段气液两相微分逆流接触反应后，尾气由塔顶气相出口排出，吸收液在澄清段充分分离气体后，由塔底出料口排出。
含催化剂的丙酮由塔顶连续进料，反应料液在塔内停留时间控制在0.5～5小时。吸收段分段控制反应温度控制范围分别为40～58℃。塔底采出的吸收液中产物醋酸异丙烯酯浓度控制范围为40～80％。
本发明的积极效果是：首次将多级开式涡轮转盘搅拌塔应用于气液连续吸收反应，特别是丙酮与乙烯酮的连续吸收反应，其中，针对气液吸收的特点和催化剂粘度高、密度大，容易沉降的特点，搅拌塔设置了水平的固定环以及固定环中间转盘式搅拌桨，两者共同组成了环流小室，搅拌桨采用涡轮叶片，推动液体的水平旋转及漩涡流动，在强大的剪切作用下，促进了气液混合均匀，催化剂分散和传热效果好，环流小室同时有效的抑制了轴向返混作用。分段夹套实现了分段精确控温，为吸收反应各个阶段提供了稳定地最优温度。采用本设备进行乙烯酮连续吸收，实现了连续逆流吸收，出口产物浓度高，乙烯酮吸收充分。
【附图说明】
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1搅拌塔结构示意图；
图2图1中塔内A局部结构放大图；
图3图2中B向结构示意图。
图中，1澄清段；2气体分散器；3吸收段一；4视镜；5吸收段二；6固定环；7搅拌桨；8液相进料段；9液位计；10磁力驱动器；11转轴支撑轴承；12搅拌桨桨叶；13转轴；14定距管。
【具体实施方式】
用于乙烯酮连续吸收的多级开式涡轮转盘搅拌塔，包括置于搅拌塔下方的气相进料口e、出料口p，所述搅拌塔项部的液相进料口c、气相出口a，以及磁力驱动器10，其特征在于：所述搅拌塔的澄清段1上部置有气体分散器2，所述搅拌塔中部为吸收段一3和吸收段二5，两吸收段间由视镜4连接，所述吸收段内转轴13上置有多级搅拌桨7和固定环6，所述固定环6由定距管14分隔连接，将整个塔的吸收段分为多级环流小室，每个所述搅拌桨7都位于两相邻固定环6的中间。塔内的液位由液位计9测定。
本发明提供的塔式反应器，如图1所示，其中，吸收段分为上下两部分，吸收段一3和吸收段二5均为不锈钢塔体。不锈钢塔体外有冷却夹套，可以分别控制反应温度。中间为玻璃塔体作为视镜4，用来观察塔内气液流动状况。塔最下段为澄清段，澄清段1需要具备一定长度，保证夹带在出料液中的气泡能够完全上浮返回吸收段。吸收段内壁按一定间距安装多个水平的固定环6，所述固定环6由定距管14分隔连接，将整个塔的吸收段分为多级环流小室，在旋转的中心转轴13上以同样的间距安装多个转盘式搅拌桨7，每个搅拌桨7都位于两相邻固定环6的中间，每室有一搅拌桨7对液相进行搅拌。每个搅拌桨7的转盘下表面置有3～6片有一定宽度的涡轮叶片。搅拌桨结构由图2和图3所示。转轴的上部、中间和下端各有一个聚四氟乙烯转轴支撑轴承11支撑。为保证气体的密封，搅拌方式采用磁力驱动器10驱动。
在操作时，催化剂和丙酮料液由塔顶加入，乙烯酮气体由塔底加入，图1中搅拌转轴由电机驱动，采用磁力驱动方式可实现反应器可靠密闭，转轴连带搅拌桨7旋转，液体沿着搅拌桨7转动的方向作旋转运动，在相邻两固定环6间旋转产生水平漩涡，从搅拌桨7的边端向塔壁运动，但固定环6及塔壁的阻挡使漩涡转向流回转轴，由此，液体的水平旋转及漩涡流动形成各级环流小室内的环流运动，能起到抑制轴向返混的作用。由于每片搅拌桨7下面3～6片涡轮叶片的剪切作用较强，能产生较强大的径向主体流动和湍动，保证了粘稠催化剂在料液中分散均匀，避免了催化剂沉积粘附在固定环6上，而且也使得乙烯酮气体分散均匀，乙烯酮吸收完全，反应选择性高。较强的机械搅拌也有助于强化传热，保证了反应热能够被迅速移出，分段的冷却水夹套实现了根据不同反应段分别控温的要求。在操作过程中，反应温度控制在40～58℃范围内较为适宜，同时，控制反应料液在塔内的停留时间0.5～5小时，即可以方便的控制塔底出料液产物浓度，实现乙烯酮完全吸收的情况下，塔底产物浓度最大，塔底采出的吸收液中产物醋酸异丙烯酯浓度控制范围为40～80％。
下面结合丙酮吸收乙烯酮生产醋酸异丙烯酯实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
丙酮以8L/h的液速由塔顶进液口泵入塔内，乙烯酮气体以1m3/h气速由塔底进气口进入塔内，整个过程为气液两相微分逆流接触，搅拌桨的转速500rpm/min，塔内保持液面稳定，出料速度8L/h，此时丙酮与催化剂混合液在塔内的停留时间为1小时，连续出料，塔底出料醋酸异丙烯酯含量达到60％，塔中吸收液醋酸异丙烯酯含量在45％，塔顶吸收液醋酸异丙烯酯含量在15％，尾气中未被吸收的乙烯酮仅占乙烯酮进料量的6％。
实施例2
丙酮以4L/h的液速泵入塔内，乙烯酮气体以1m3/h气速进入塔内，搅拌桨的转速达到300rpm/min，出料速度4L/h，此时丙酮与催化剂混合液在塔内的停留时间为2小时，塔底出料醋酸异丙烯酯含量达到70％，塔中吸收液醋酸异丙烯酯含量在60％，塔顶吸收液醋酸异丙烯酯含量在25％，尾气中未被吸收的乙烯酮仅占乙烯酮进料量的8％。
对比例
以传统的单釜间歇式丙酮吸收乙烯酮工艺进行对比，釜内有丙酮与催化剂混合液20L，采用锚式搅拌桨搅拌均匀，转速为180rpm/min。气体由釜底进入，气速为1m3/h，反应10小时，釜内吸收液中醋酸异丙烯酯含量才达到70％，而且随着反应的进行，釜内丙酮含量不断下降，吸收效率也不断降低，尾气中未被吸收的乙烯酮占乙烯酮进料量的比例由12％上升到接近50％。