專利名稱：基于固體催化劑的酯化反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于固體催化劑的酯化反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
脂肪酸酯，例如長鏈脂肪酸酯，可通過脂肪酸酸和醇類在酸性催化劑的作用下經(jīng)酯化反應(yīng)合成。目前工業(yè)上常用的催化劑為硫酸、苯磺酸等可溶解或可均勻分散于反應(yīng)液中的有機酸或無機酸，稱為均相催化劑。均相催化劑與反應(yīng)原料的接觸效果優(yōu)良，因此催化效率較高；然而在反應(yīng)結(jié)束后酸性催化劑難以從反應(yīng)體系中分離回收并加以重復(fù)利用，通常只能隨廢水排出。為此，人們開發(fā)了多種固體酸性催化劑用于酯化反應(yīng)，這些催化劑在反應(yīng)過程中不溶于反應(yīng)液，稱為非均相催化劑。非均相催化劑在反應(yīng)完成后易于通過過濾、離心或沉降等機械分離手段分離回收，并可重復(fù)用于后續(xù)反應(yīng)，因此可節(jié)約資源并減少污染。 在工業(yè)上利用非均相催化劑催化長鏈酸的酯化反應(yīng)通常需要滿足以下條件(1)長鏈脂肪酸和醇獲得良好接觸。由于長鏈脂肪酸和醇存在較大的極性差異，而且往往不能互溶，因此需要較為強烈的攪拌混和作用強化二者的接觸；(2)較高的反應(yīng)溫度。在一定范圍內(nèi)，溫度升高有利于酯化反應(yīng)的進行，因此反應(yīng)系統(tǒng)需保持在較高的反應(yīng)溫度下；(3)反應(yīng)液與催化劑的良好接觸。為了提高非均相催化劑與反應(yīng)液的接觸效果，通常采用強化攪拌，增大催化劑比表面積，增大催化劑用量(固液比)等手段；(4)合理的固體催化劑分離回收和重復(fù)利用方法；( 醇用量高于化學(xué)計算量數(shù)。過量醇使反應(yīng)平衡趨向于生成長鏈脂肪酸酯，使反應(yīng)更徹底。目前可采用三類反應(yīng)器實施非均相酯化反應(yīng)。其一，釜式反應(yīng)器。利用機械攪拌強化脂肪酸和醇的接觸，并使固體催化劑懸浮分散于反應(yīng)液中；利用外置的離心機或過濾機分離回收固體催化劑。其二，固定床反應(yīng)器。將固體催化劑填充于反應(yīng)管中形成多孔固定床，反應(yīng)液流經(jīng)固定床的空隙時與催化劑接觸，隨后從固定床出口排出并直接與催化劑分離。其三，流化床反應(yīng)器。反應(yīng)液在循環(huán)泵的驅(qū)動下，在反應(yīng)器內(nèi)形成湍流，帶動固體催化劑顆粒懸浮分散，從而使各相得到良好接觸；反應(yīng)結(jié)束后，停止反應(yīng)液循環(huán)，固體催化劑和反應(yīng)液通過沉降分離，反應(yīng)液排出后，固體催化劑可重復(fù)使用。在固體催化劑催化長鏈脂肪酸的酯化反應(yīng)中，流化床反應(yīng)器相對于其它兩類具有一定的優(yōu)勢。相對于釜式反應(yīng)器，(1)無機械攪拌機構(gòu)，設(shè)備密封性能好，能夠承受更高的溫度和壓力；(2)反應(yīng)器壁面表面積大，傳熱效率高，無需設(shè)置蛇管換熱，維修簡便；(3)大高徑比反應(yīng)器本身具有催化劑沉降分離回收能力，理論上可不必再設(shè)置離心機或過濾機分離催化劑。相對于固定床反應(yīng)器，(1)床層壓降小，無需裝備高壓泵；(2)長鏈脂肪酸和醇得到持續(xù)攪拌混合，接觸效果好；C3)對催化劑顆粒尺寸以及孔徑無嚴格限制；(4)催化劑更換方便。然而，常規(guī)的流化床反應(yīng)器仍存在較大的局限性，難以直接應(yīng)用于長鏈脂肪酸酯的工業(yè)生產(chǎn)。其主要原因為(1)固體催化劑在反應(yīng)過程中受到強烈的流體剪切，而且顆粒之間相互碰撞，造成催化劑顆粒破碎或磨損，形成微小的催化劑粉末。這些催化劑粉末難以通過靜置沉降完全分離回收，不僅需要更長的沉降時間，而且會在反應(yīng)液出料時混雜其中，造成較大損失；( 大量固體催化劑懸浮于反應(yīng)液中，反復(fù)流經(jīng)循環(huán)泵，對循環(huán)泵葉輪和蝸殼造成持續(xù)的磨損，導(dǎo)致循環(huán)泵壽命顯著下降；(3)固體顆粒含量必須控制在循環(huán)泵的正常工作范圍內(nèi)，導(dǎo)致催化劑用量受到極大限制，無法通過大幅提高固液比而提高反應(yīng)效率。

實用新型內(nèi)容針對上述各類反應(yīng)器存在的局限性，本實用新型提出一種具有兩級分離結(jié)構(gòu)的循環(huán)式流化床反應(yīng)裝置。本實用新型裝置是一種基于固體催化劑的酯化反應(yīng)裝置，包括反應(yīng)管，界定出反應(yīng)室；進料泵，其出口連接至反應(yīng)管底端部，用于將反應(yīng)原料和/或來自反應(yīng)室的反應(yīng)液部分送入反應(yīng)室；循環(huán)泵，其進口與反應(yīng)室相連接，且被連接為可選擇地在反應(yīng)室高度方向上的多個位置將反應(yīng)物料輸出反應(yīng)室；及固液分離器，其進口與循環(huán)泵的出口相連接，用于將來自循環(huán)泵的反應(yīng)物料分離成所述反應(yīng)液部分和富含固體催化劑的漿體部分。其中，固液分離器的輕相出口作為粗產(chǎn)品出口，且連接至進料泵入口以使所述反應(yīng)液部分可回流至反應(yīng)室；并且固液分離器的重相出口作為回收固體催化劑出口，且連接至反應(yīng)器底端部以使所述漿體部分可回流至反應(yīng)室。在優(yōu)選的反應(yīng)裝置中，所述固液分離器為旋液分離器。在優(yōu)選的反應(yīng)裝置中，所述反應(yīng)管的高徑比為6 1-18 1。在優(yōu)選的反應(yīng)裝置中，還包括從反應(yīng)管底端部伸入反應(yīng)室的吸入式噴射混合器， 其進口與進料泵的出口相連，反應(yīng)原料和回流的反應(yīng)液部分經(jīng)該吸入式噴射混合器噴射入反應(yīng)室下部。本實用新型的酯化反應(yīng)裝置，由于采用具有大高徑比的管式反應(yīng)器，在反應(yīng)管下段形成湍流區(qū)時，可在上段保持為利于固體催化劑沉降的分離區(qū)；另外，設(shè)置在外部的固液分離裝置對經(jīng)沉降的反應(yīng)物料進一步分離。這樣的設(shè)計不僅可大幅提高催化劑的分離效果，并可降低催化劑對循環(huán)泵的磨損。經(jīng)回流形成的強混合還可有效提升長鏈脂肪酸酯化效率。

圖1為本實用新型一優(yōu)選實施方式的酯化反應(yīng)裝置的示意圖；及圖2示出了圖1所示吸入式噴射混合器的吸入混合效應(yīng)和循環(huán)流效應(yīng)。
具體實施方式
以下，通過具體實施方式
分別介紹本實用新型反應(yīng)裝置主要結(jié)構(gòu)特征及其優(yōu)點。圖1為本實用新型一優(yōu)選實施方式的酯化反應(yīng)裝置的示意圖。反應(yīng)裝置中，按料液輸送次序，依次為進料泵1，吸入式噴射器2，反應(yīng)管4，升降式出料管5，循環(huán)泵3，和旋液分離器6。以上各部分按圖示通過管路連接，并可設(shè)置閥門調(diào)節(jié)流量和壓力。旋液分離器的輕相出口即上出口連至進料泵，并在反應(yīng)結(jié)束時作為粗產(chǎn)品出口 ； 旋液分離器的重相出口即下出口至反應(yīng)管底部的催化劑回流進料口，亦可從該出口回收催化劑。進料泵為通常的液體輸送泵，例如可以選擇具有較高揚程的離心泵。其用于反應(yīng)原料(例如，長鏈脂肪酸、醇)的輸入；在反應(yīng)過程中，還接受來自旋流分離器上出口的流體，使泵出物料獲得較高動量，以利于反應(yīng)室下部物料的充分混合。長鏈脂肪酸與醇分子極性差異大，互溶程度低。因此在反應(yīng)過程中，未參與反應(yīng)的醇會因密度較低，而傾向于擴散到反應(yīng)管上部。而在反應(yīng)管上部主體流動為層流，為醇向反應(yīng)管上部的擴散創(chuàng)造了良好的條件。因此在反應(yīng)過程中，反應(yīng)管上部具有較高的醇含量。當上部液相經(jīng)循環(huán)泵再經(jīng)旋液分離器后，輕相中醇含量將進一步上升。因此輕相通過進料泵輸入(優(yōu)選地，經(jīng)過吸入式噴射混合器)時，輸入流體中醇含量較高。由此在反應(yīng)室下部形成的局部高“醇油比”(即醇分子和脂肪酸分子的摩爾數(shù)之比)非常有利于酯化反應(yīng)的進行和脂肪酸利用率的提高。進料泵輸出物料經(jīng)吸入式噴射混合器進入反應(yīng)室，可獲得更強烈的混合。吸入式噴射混合器置于反應(yīng)管底中部。來自進料泵的流體具有較高的能量，通過噴射孔時流速急劇上升，靜壓力下降，對吸入口外的反應(yīng)液造成吸力，使之被吸入后與噴射流體迅速混合， 并經(jīng)過混合管和擴散管后排出。吸入液中存在較大比例的長鏈脂肪酸和固體催化劑，而噴射口噴出的液相中存在較大比例的醇，二者在噴射混合器中得到強烈混合，獲得良好的接觸效果。由于吸入口附近的流體被不斷吸入噴射混合器，并不斷從噴射混合器出口獲得補充，因此在混合器外部形成局部循環(huán)流，有利于提高總體混和效果。圖2示出了吸入式噴射混合器的吸入混合效應(yīng)和循環(huán)流效應(yīng)。此外，噴射器最好設(shè)計為使噴射流體和吸入流體的體積比為6-20 1，這有利于在反應(yīng)器中局部形成醇比例較高的區(qū)域，使反應(yīng)向有利于酯化的方向進行。反應(yīng)器采用反應(yīng)管，由于其較大的高徑比，有利于在不同區(qū)段保持不同的流動狀態(tài)，如湍流狀態(tài)或?qū)恿鳡顟B(tài)。該反應(yīng)管下段可形成為混合區(qū)，流體流速高且流向混亂，其液相流動形態(tài)為湍流，其中各成分得到強烈而持續(xù)的混合；該反應(yīng)管上段可形成為分離區(qū)，流體流速低且主體流動向上，其液相流動形態(tài)為層流，大部分固體催化劑在沉降作用下下沉進入混合區(qū)，大部分未反應(yīng)的醇因密度較低而富集到上層。反應(yīng)管壁面為換熱面，用于提高或保持反應(yīng)管內(nèi)的反應(yīng)溫度。優(yōu)選地，反應(yīng)管的高徑比為6 1至18 1。圖1所示反應(yīng)管為等徑管，但本實用新型并不限于此，也可以是變徑管，只要有利于在不同區(qū)段保持強混合的湍流狀態(tài)或?qū)恿鳡顟B(tài)。升降式出料管為自反應(yīng)管頂部伸入反應(yīng)室的管子，可升降調(diào)節(jié)管口在反應(yīng)管中的位置。圖1具體示出的升降管出料口處于反應(yīng)結(jié)束后的出料位置。在反應(yīng)過程中，出料管口位于層流區(qū)上部，以輸出催化劑顆粒含量低的反應(yīng)物料，優(yōu)選地位于反應(yīng)管內(nèi)上液面以下1-lOcm。在反應(yīng)完成后，出料管口位于反應(yīng)管底部催化劑沉積層上方處，例如，在使用吸入式噴射混合器的情況下，可以將出料管口設(shè)在吸入式噴射混合器吸入口以上1-lOcm。循環(huán)泵接受來自升降式出料管的反應(yīng)物流體，使其獲得較高動量，從而在旋液分離器中獲得較高流速。由于反應(yīng)過程中流體從固體催化劑含量較低的層流區(qū)輸出，所以循環(huán)泵較少受到固體催化劑的損傷，反過來，只有較少的固體催化劑顆粒因泵輸送而破碎成細小粉末。旋液分離器用于固體催化劑和反應(yīng)液的高效分離，具有遠高于沉降分離的分離因數(shù)。在反應(yīng)過程中，接受來自循環(huán)泵的流體，將其中殘留的固體催化劑顆粒與液相分離，并使其分別從下出口和上出口排出。在反應(yīng)完成后，接受來自循環(huán)泵的流體，將其中殘留的固體催化劑與反應(yīng)產(chǎn)物分離，在上出口獲得輕相，作為粗產(chǎn)物排出；在下出口獲得重相，其中含大量固體催化劑顆粒，回流到反應(yīng)管底部。由于旋液分離器分離因數(shù)高，因此當固體催化劑因磨損和碰撞產(chǎn)生較小顆粒時，仍可將絕大部分催化劑顆粒分離回收。為徹底回收粗產(chǎn)物流體中的固體催化劑顆粒，可進一步串聯(lián)1-2級旋流分離器。以上為本實用新型裝置的優(yōu)選實施方式，其可作以下變動，仍可獲得類似的效果。例如，旋液分離器可以用其它固液分離設(shè)備替代，如連續(xù)排渣的離心機。升降式出料管可用其它能調(diào)節(jié)出料位置的結(jié)構(gòu)來取代，例如，可以在反應(yīng)管管壁不同高度處設(shè)置多個出料口。以下簡要描述利用本實用新型酯化裝置實施長鏈脂肪酸酯化反應(yīng)的過程。但應(yīng)理解，雖然本實用新型的裝置針對長鏈脂肪酸酯化而開發(fā)，但其同樣適用于基于固體催化劑的其它酯化反應(yīng)。用進料泵將反應(yīng)原料(長鏈脂肪酸和醇)送入反應(yīng)管內(nèi)，與新加入反應(yīng)管內(nèi)或存留的固體催化劑顆?；旌?。待液面上升至反應(yīng)管上部預(yù)定高度，開始循環(huán)操作開啟循環(huán)泵從液面下方出料泵至旋液分離器，反應(yīng)物料分離成所述反應(yīng)液部分和富含固體催化劑的漿體部分；反應(yīng)液部分經(jīng)進料泵入口回流至反應(yīng)室，漿體部分直接回流至反應(yīng)室，從而形成反應(yīng)物外循環(huán)。循環(huán)反應(yīng)期間，反應(yīng)物料在反應(yīng)室下段呈湍流狀態(tài)，使得作為反應(yīng)原料的長鏈脂肪酸和醇與固體催化劑顆粒充分混合；在反應(yīng)室上段基本上呈層流狀態(tài)，使得其中的固體催化劑顆粒因部分沉降至下方湍流區(qū)而維持較低的含量；且反應(yīng)室的循環(huán)出料位置設(shè)置在層流狀態(tài)區(qū)。其中循環(huán)出料位置最好設(shè)置在反應(yīng)室液面以下I-IOcm處。反應(yīng)結(jié)束后，待固體催化劑顆粒沉降至反應(yīng)管底部后，以固體催化劑顆粒沉降層靠上方處作為出料位置，用循環(huán)泵輸出固體催化劑含量較低的反應(yīng)液至所述固液分離裝置，經(jīng)進一步固液分離后作為粗產(chǎn)品輸出。沉降至反應(yīng)室底部的催化劑顆粒和旋液分離器分離的催化劑顆?？苫厥?，或留存于反應(yīng)室待下批反應(yīng)使用。綜上所述，本實用新型的酯化反應(yīng)裝置在實施酯化反應(yīng)時，具有以下優(yōu)點(1)催化劑分離效果好。具有兩級固體催化劑分離機構(gòu)(反應(yīng)管中的分離區(qū)和旋液分離器)，即使對于因磨損或碰撞產(chǎn)生的微小催化劑顆粒仍具有良好的分離回收效率，從而減少了催化劑損失。( 降低泵的磨損程度。固體催化劑在進入循環(huán)泵和進料泵前，大部分得到分離，對泵的磨損顯著下降，而且催化劑在整個反應(yīng)體系中的用量，不受泵工作性能的限制。(3)混和效果好。在吸入式噴射混合器內(nèi)部，長鏈脂肪酸、醇以及固體催化劑得到強烈混合，而在吸入式混合器外部，還構(gòu)成了主體的循環(huán)流，提高了總體混和效果。(4)反應(yīng)效率高。在局部可形成高醇比例的區(qū)域，有利于長鏈脂肪酸的酯化反應(yīng)。相對于常規(guī)反應(yīng)器，可降低初始醇用量，從而節(jié)省回收醇的能量消耗。(5)操作靈活。出料管口可升降調(diào)節(jié)，對于反應(yīng)過程的不同階段或進料組成的變化可作針對性的調(diào)節(jié)，從而保持反應(yīng)效果的穩(wěn)定性。(6)反應(yīng)啟動快。反應(yīng)結(jié)束后，從旋流分離器下出口流出的催化劑泥漿含有一定量的反應(yīng)液，其中含有大量長鏈脂肪酸酯。由于長鏈脂肪酸酯對長鏈脂肪酸以及醇均具有良好的溶解力，因此能在下一次反應(yīng)的初始階段作為一種助溶劑，大幅降低長鏈脂肪酸和醇的界面張力，從而改善兩種反應(yīng)物的接觸效果，進而提高初始反應(yīng)效率。此外，該反應(yīng)器仍具備高溫高壓性能好，結(jié)構(gòu)簡單，維護簡便，傳熱效率高等優(yōu)點。
權(quán)利要求1.一種基于固體催化劑的酯化反應(yīng)裝置，其特征在于，包括反應(yīng)管，界定出反應(yīng)室；進料泵，其出口連接至反應(yīng)管底端部，用于將反應(yīng)原料和/或來自反應(yīng)室的反應(yīng)液部分送入反應(yīng)室；循環(huán)泵，其進口與反應(yīng)室相連接，且被連接為可選擇地在反應(yīng)室高度方向上的多個位置將反應(yīng)物料輸出反應(yīng)室；及固液分離器，其進口與循環(huán)泵的出口相連接，用于將來自循環(huán)泵的反應(yīng)物料分離成所述反應(yīng)液部分和富含固體催化劑的漿體部分，其中，固液分離器的輕相出口作為粗產(chǎn)品出口，且連接至進料泵入口以使所述反應(yīng)液部分可回流至反應(yīng)室；并且固液分離器的重相出口作為回收固體催化劑出口，且連接至反應(yīng)器底端部以使所述漿體部分可回流至反應(yīng)室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)裝置，其特征在于，所述固液分離器為旋液分離器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，所述反應(yīng)管的高徑比為 6 1-18 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，還包括從反應(yīng)管底端部伸入反應(yīng)室的吸入式噴射混合器，其進口與進料泵的出口相連，反應(yīng)原料和回流的反應(yīng)液部分經(jīng)該吸入式噴射混合器噴射入反應(yīng)室下部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，將所述吸入式噴射混合器的尺寸設(shè)置為，在反應(yīng)期間可在反應(yīng)室下段形成湍流區(qū)而在反應(yīng)室上段基本上形成層流區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，所述吸入式噴射混合器設(shè)計為噴射流體與吸入流體的體積比為6 1-20 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)裝置，其特征在于，循環(huán)泵經(jīng)由伸入反應(yīng)室的可調(diào)式出料管與反應(yīng)室相連，該可調(diào)式出料管的取料位置可在反應(yīng)室高度方向上調(diào)節(jié)；或者，循環(huán)泵經(jīng)由布置在反應(yīng)管不同高度上的多個出料口與反應(yīng)室連接，使得可選擇地在反應(yīng)室高度方向上的多個位置將反應(yīng)物料輸出反應(yīng)室。
專利摘要基于固體催化劑的酯化反應(yīng)裝置。裝置包括反應(yīng)管；進料泵，出口連接至反應(yīng)管底端部將反應(yīng)原料和來自反應(yīng)室的反應(yīng)液部分送入反應(yīng)室；循環(huán)泵，進口與反應(yīng)室相連接，被連接為可選擇地在反應(yīng)室高度方向上多個位置將反應(yīng)物料輸出；及固液分離器，進口與循環(huán)泵出口相連，將來自循環(huán)泵的反應(yīng)物料分離成反應(yīng)液部分和富含固體催化劑的漿體部分。固液分離器的輕相出口作為粗產(chǎn)品出口，且連接至進料泵以使反應(yīng)液部分回流至反應(yīng)室；并且重相出口作為回收固體催化劑出口，且連接至反應(yīng)器底端部以使?jié){體部分回流至反應(yīng)室?？纱蠓岣叽呋瘎┓蛛x效果，降低催化劑對循環(huán)泵的磨損，還可提升脂肪酸酯化效率。
文檔編號B01J8/24GK202047020SQ20102066091
公開日2011年11月23日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者劉大川, 劉曄, 吳莉, 高新蕾 申請人:武漢工業(yè)學(xué)院