РЕАКТОР ЭСТЕРИФИКАЦИИ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА
ESTERIFICATION REACTOR OF CIRCULATION TYPE

Область техники
Настоящее изобретение относится к реактору эстерификации циркуляционного типа, разработанному, в частности, для производства бис-гидроксиэтил терефталата (ВНЕТ), этерифицируя этиленгликоль (EG) и р-терефталевую-кислоту (РТА).
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В промышленности химического волокна процесс производства полиэтилентерефталата (PET) включает, во-первых, стадию смешивания этиленгликоля (EG) с р-терефталевой кислотой (РТА), чтобы сформировать жидкий раствор, затем жидкий раствор эстерифицируется под определенной температурой и определенным давлением, чтобы сформировать бис-гидроксиэтил терефталат (ВНЕТ), и полученный таким образом бис-гидроксиэтил терефталат конденсируется, чтобы сформировать полиэтилентерефталат. Во время этого процесса в настоящее время эстерификация осуществляется в полно-смесительном реакторе с мешалкой. Однако такой реактор эстерификации с мешалкой представляет собой сложное сооружение, и возникают проблемы в виде трудностей при его изготовлении и транспортировке, особенно когда аппарат имеет повышенные габариты.
В настоящее время эти проблемы могут быть решены, используя альтернативный способ обработки эстерификацией в полно-смесительном реакторе с циркуляцией тепловой мощности. Однако такой реактор нуждается в большом количестве этиленгликоля для работы в режиме циркуляции и, чтобы получить достаточную разницу в плотности, нужно испарить большое количество этиленгликоля. Из опытов известно, что в обычном процессе циркуляции тепловой мощности эстерификация может быть успешно осуществлена только если мольное отношение EG/PTA выше двух, и температура реакции выше 290°С. Циркуляция, испарение и охлаждение такого большого количества этиленгликоля в системе приводит к излишнему расходу энергии и в то же время вызывают проблемы, такие как слишком большой объем реакторной системы, вызывающий трудности при транспортировке, что ограничивает возможность создания образцов еще более масштабного оборудования.
После большого количества исследований изобретатели настоящего изобретения создали новый реактор эстерификации, в котором циркуляция тепловой мощности объединена с циркуляцией внешней мощности. Указанный новый реактор может снизить количество циркулирующего этиленгликоля, реализовать цель увеличения размера аппарата эстерификации для экономии энергии, снижения объема оборудования и удобства транспортировки.
Содержание изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый реактор эстерификации циркуляционного типа. Указанный реактор эстерификации решает известные проблемы реакторов эстерификации, например, такие, как сложность конструкции, слишком большой размер реактора, слишком высокой мольное отношение этиленгликоля и исходного сырья, чрезмерный расход энергии и усложненные программами для пуска/останова реакции и т.д. Таким образом, цель создания крупномасштабной установки для эстерификации может быть достигнута при условии уменьшения объема и стоимости оборудования, и эта установка облегчена для удобства транспортировки.
Цель настоящего изобретения достигнута путем создания нового реактора эстерификации циркуляционного типа согласно настоящему изобретению. Новый реактор эстерификации циркуляционного типа согласно настоящему изобретению включает нагревательное устройство, испаритель и привод с питанием от внешнего источника, отличающийся тем, что нагревательное устройство включает нагревательный реактор со змеевиком вертикального типа, в котором выпускной патрубок реактора соединен с указанным испарителем, а нижняя часть впускного патрубка нагревательного реактора, со змеевиком вертикального типа соединена с приводом с питанием от внешнего источника; испаритель содержит реакционный сосуд, верхняя часть которого является верхней зоной испарения; нижняя часть реакционного сосуда является нижней реакционной зоной; реакционный сосуд имеет выпускной патрубок для выпуска паровой фазы на своей верхней части и выпускной патрубок для выхода материала на своей нижней "боковой поверхности; при этом дно реакционного сосуда соединено с приводом с питанием от внешнего источника; привод с питанием от внешнего источника является механическим приводным устройством, получающим питание от внешнего источника, который установлен за пределами испарителя и, соответственно, связан с нагревательным устройством и испарителем, в результате чего реактор эстерификации циркуляционного типа включен в замкнутый контур циркуляции.
В предпочтительном варианте настоящего изобретения указанное нагревательное устройство включает впускной патрубок, нагревательный реактор со змеевиком вертикального типа, направляющий патрон, выпускной патрубок для вывода реагента и тарельчатый распределитель, используемый для однородного распределения материала, в котором нагревательное устройство сообщается с верхней зоной испарения указанного испарителя с помощью направляющего патрона и патрубка для вывода реагента.
В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения указанный тарельчатый распределитель расположен у впускного патрубка на дне нагревательного устройства.
В еще одном варианте настоящего изобретения указанный испаритель включает верхнюю зону испарения, нижнюю активную зону, выпускной патрубок для выхода паровой фазы и выпускной патрубок для выхода продукта реакции из реактора.
В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения указанный привод с питанием от внешнего источника является высокоэффективным, боковым и аксиальным транспортирующим устройством, расположенным в U-образной трубе, связанной с нагревательным устройством и испарителем. Привод с питанием от внешнего источника включает U-образную трубу, высокоэффективную лопастную мешалку вытесняющего типа, уплотнение, привод мешалки, вал мешалки и направляющую пластину.
В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения указанный реактор эстерификации дополнительно включает нагревательно-изолирующее устройство. Указанное нагревательно-изолирующее устройство включает рубашку с теплоносителем для выпускного патрубка реагента, рубашку с теплоносителем для зоны испарения испарителя и рубашку с теплоносителя для U-образной трубы.
В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения теплоноситель в указанном нагревательно-изолирующем устройстве используется в виде паровой фазы.
В реакторе эстерификации циркуляционного типа согласно настоящему изобретению используется сочетание циркуляции тепловой мощности и циркуляции внешней мощности, и объем реактора уменьшен благодаря полному использованию адаптивной пропорции между циркуляцией тепловой мощности и циркуляции внешней мощности. Кроме того, конструкция реактора является компактной. Пространство паровой фазы реактора увеличено, и пространство для вещества, захваченного из паровой фазы, уменьшено, поскольку выпускной патрубок паровой фазы расположен в верхней части реактора. Выпускное отверстие для реакционного материала находится на нижней лицевой стороне реактора. Реакционный материал течет в следующий реактор самотеком из-за разницы в высоте. Таким образом, перекачивающий насос не требуется с соответствующей экономией энергии. По сравнению с мешалкой верхнего типа, привод с питанием от внешнего источника с транспортирующим устройством бокового и аксиального типа используется в аппарате эстерификации с целью экономии энергии, уменьшения общего объема устройства, повышения безопасности устройства и сокращения капитальных затрат. Теплоноситель в паровой фазе, используемый в нагревательном устройстве и нагревательно-изолирующем устройстве, может снизить количество теплоносителя, позволяя снизить эксплуатационные расходы и уменьшить загрязнение окружающей среды.
Описание чертежа
чертеж - структурная схема предпочтительного варианта внешнего реактора эстерификации циркуляционного типа согласно настоящему изобретению.
Способ реализации изобретения
На чертеже настоящее изобретение описано подробно, но не ограничено следующим ниже описанием.
Во-первых, реактор эстерификации циркуляционного типа по настоящему изобретению включает нагревательное устройство 10, испаритель 20, привод 30 с питанием от внешнего источника и нагревательно-изолирующие устройства 14, 23, 26. Нагревательное устройство 10 включает впускной патрубок для реакционного материала 16, нагревательный реактор 11 со змеевиком вертикального типа, плоский тарельчатый распределитель 15, направляющий патрон 12 и выпускной патрубок 13 для реагента, в котором нагревательное устройство 10 сообщается с верхней зоной испарения 21 указанного испарителя через направляющий патрон 12 и выпускной патрубок 13 для реагента. Испаритель 20 включает верхнюю зону испарения 21, нижнюю активную зону 24, выпускной патрубок паровой фазы 22 и выпускной патрубок продукта реакции 25 в реакторе 28. Привод 30 с питанием от внешнего источника является высокоэффективным, транспортировочным устройством бокового и аксиального типа, расположенным в U-образной трубе 27, соответственно связанной с нагревательным устройством 10 и испарителем 20. Реактор включает U-образную трубу 27, привод мешалки 35, высокоэффективную лопастную мешалку вытесняющего типа 34, уплотнение 31, вал мешалки 32 и направляющую пластину 33. Нагревательно-изолирующее устройство включает рубашку с теплоносителем 14 для выпускного патрубка реагента, рубашку с теплоносителем 23 для зоны испарения испарителя и рубашку с теплоносителем 26 для U-образной трубы.
Исходное сырье вводится в аппарат эстерификации через входной патрубок для реакционного материала 16, причем нижняя часть нагревательного реактора со змеевиком вертикального типа соединена с U-образной трубой, и исходное сырье смешивается с оборотным материалом с помощью тарельчатого распределителя 15 с последующим вводом смеси в нагревательный реактор 11 со змеевиковым вертикального типа. Полученный жидкий шлам быстро нагревается до температуры реакции и частично испаряется в нагревательном реакторе 11 со змеевиком вертикального типа и затем вводится в реакционный сосуд 28 из испарителя 20 через направляющий патрон 12 и выпускной патрубок 13 для реагента в верхней части реактора 11 со змеевиковым теплообменником, при этом жидкий шлам реагирует в верхней зоне испарения 21. Сформированная паровая фаза выходит через выпускной патрубок паровой фазы 22 в верхней части реактора, а жидкая фаза подается в нижнюю реакционную зону 24 из испарительного устройства в реакторе для поддержания реакции. Часть сформированного материала вытекает из реактора эстерификации через выпускной патрубок реакционного материала 25. Кроме того, большая часть материала перерабатывается для последующей циркуляции через U-образную трубу 27, связанную с нагревательным устройством 10 и испарителем 20, так же как с приводом 30 с питанием от внешнего источника.
Например, при производстве бис-гидроксиэтил терефталата, используя этиленгликоль и р-терефталевую-кислоту в качестве исходного сырья для реакции эстерификации, необходимо иметь достаточную мощность циркуляции, чтобы обеспечить полное смешивание реагентов. В аппарате эстерификации по настоящему изобретению мощность циркуляция разделена на две части следующим образом. Первая часть - разница по плотности между низкой плотностью парожидкостной смеси, которая сформирована после поглощения тепла материала, и относительно высокой плотностью материала жидкой фазы в реакторе, при этом тепловая мощность сифона, преобразованная из этой части разницы плотности, определяется как мощность тепловой циркуляции. Вторая часть - мощность механической циркуляции, обеспечиваемая приводом с питанием от внешнего источника. Если используется только устройство тепловой циркуляция, такая циркуляции требует большого количества этиленгликоля для участия в процессе циркуляции и испарения, чтобы получить достаточную разницу в плотности. Экспериментальные данные, полученные на известном устройстве, показали, что в обычном процессе циркуляции тепловой мощности реакция эстерификации может быть выполнена без проблем только при мольном отношении EG/PTA свыше двух. При этом в системе перерабатывается, испаряется и охлаждается большое количество этиленгликоля, что связано с ненужной тратой энергии. Вместе с тем объем реакторной установки представляется слишком большим и вызывает трудности при транспортировке реактора эстерификации и также ограничивает возможность изготовления более крупномасштабных аппаратов. Напротив, реактор эстерификации, изготовленный по настоящему изобретению, может быть демонтирован на части во время транспортировки, что значительно сокращает объем и вес при транспортировке. Реакция эстерификации может быть выполнена без проблем при низком мольном отношении EG/PTA, когда мольное отношение EG/PTA предпочтительно выбрано между 1,0 и 1,90:1, более предпочтительно между 1,0 и 1,70:1, при этом общие габариты всех устройств могут быть снижены. Кроме того, аппарат эстерификации по настоящему изобретению имеет преимущество в виде экономии энергии и увеличения его размеров. Например, потребление энергии реактора эстерификации, изготовленного согласно настоящему изобретению, составляет приблизительно одну треть потребления известного реактора, и производительность в сутки может достигать 600-1500 тонн и более.
Поскольку в реакторе эстерификации по настоящему изобретению используется сочетание циркуляции тепловой мощности и циркуляции внешней мощности, изобретатели настоящего изобретения проделали большую работу по адаптации пропорции между мощностью тепловой циркуляции и циркуляции механической мощности реакционного материала в реакторе. В качестве примера производства бис-гидроксиэтил терефталата при использовании этиленгликоля и терефталевой кислоты в виде исходного сырья для реакции эстерификации было найдено, что наилучший экономический эффект аппарата достигается, когда отношение циркуляции тепловой мощности к циркуляции механической мощности находится между 0,1 и 0,6:1.
Для эффективного проведения реакции при использовании указанного тарельчатого распределителя 15 выгодно распределить исходное сырье однородно и затем подать его в нагревательное устройство 10.
Кроме того, выпускной патрубок реагента, зона испарения испарителя и U-образная труба в аппарате эстерификации по настоящему изобретению все снабжены рубашкой с теплоносителем, выполняющей функцию нагрева и изоляции, а теплоноситель паровой фазы используется здесь для увеличения эффективности подвода тепла. Поскольку для эстерификации требуется большое количество тепла, экономическая эффективность эстерификации повышается при использовании теплоносителя паровой фазы в аппарате эстерификации по настоящему изобретению.
Примеры
Ниже приводится подробное описание конкретного варианта воплощения настоящего изобретения при использовании этиленгликоля (EG) и терефталевой кислоты (РТА) в виде исходного сырья, чтобы осуществить эстерификацию для получения бис-гидроксиэтил терефталата (ВНЕТ).
Свежий жидкий шлам формируется при использовании этиленгликоля (EG) и терефталевой кислоты (РТА) в мольном отношении 1,0-1,7:1, подаваемого в аппарат эстерификации через впускной патрубок 16 для реакционного материала, в котором дно реактора 11 соединено с U-образной трубой, смешивается с оборотным материалом и затем вводится в нагревательный реактор 11 со змеевиком вертикального типа. Жидкий шлам быстро нагревается в реакторе 11, его температура повышается, и происходит реакция. При проведении реакции эстерификации часть этиленгликоля и воды испаряется и образует парожидкостную фазу, имеющую более низкую плотность в верхней части трубы реактора 11. Благодаря различной плотности (т.е. циркуляции тепловой мощности) и приводу 30 с питанием от внешнего источника (т.е. циркуляции внешней мощности) реакционный материал, расположенный в U-образной трубе 27, соответственно связанной с нагревательным устройством 10 и испарителем 20, подается в реакционный сосуд 28 из испарителя 20 через направляющий патрон 12 и выпускной патрубок 13 для реагента в верхней части реактора со змеевиковым теплообменником 11, и осуществляется разделение паровой и жидкой фаз. Выполняется эстерификация жидкого шлама и неиспарившегося этиленгликоля, чтобы сформировать этерифицированное вещество и воду под давлением 0,15-0,25 МПа и температурой 260-300°С. Оставшиеся вода и этиленгликоль частично испаряются при высокой температуре. Паровая фаза этиленгликоля и воды выходит из выпускного патрубка паровой фазы 22 в верхней части реактора, а жидкая фаза вводится в нижнюю реакционную зону 24 испарителя в реакторе, чтобы поддержать реакцию и отделение пара от жидкой фазы. Часть реакционного материала вытекает из реактора эстерификации через выпускной патрубок 25 для реакционного материала. При смешивании с новой порцией исходного сырья большая часть реакционного материала перерабатывается для следующей циркуляции через привод 30 с питанием от внешнего источника в U-образной трубе 27, соответственно связанной с нагревательным устройством 10 и испарителем 20. Было найдено, что наилучший экономический эффект устройства достигается, когда отношение мощности тепловой циркуляции к механической мощности циркуляция было предпочтительно между 0,1 и 0,6:1. Полученный продукт представлял собой бис-гидроксиэтил терефталат с уровнем эстерификации 90-96%.