一种垂直筛板及其在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的应用方法

摘要

本发明涉及一种垂直筛板及其在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的应用方法，解决了传统普通筛板传质效率和传质空间利用率低、筛孔易结垢堵塞、阻力大、塔顶粗乙酸乙酯产品酸度较难控制、操作弹性小的缺陷。一种应用在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的垂直筛板，酯化反应分离系统包括酯化塔、塔顶冷凝器、酯水分离器、塔釜反应器，垂直筛板设置在酯化反应塔中，其特征在于：垂直筛板具有特定形状的帽罩，塔板上开有文丘里喷嘴形式的升气孔，帽罩侧壁不同高度上开有多排小孔；塔板开孔率、开孔孔径、排列方式、孔间距，帽罩数量及结构尺寸，帽罩侧壁开孔数目、开孔孔径、高度、排列方式结构参数根据物料性质、精馏分离程度要求和阻力降要求按照推动力数学模型优化设计。所述金属塔板为垂直筛板或为普通筛板加垂直筛板混合型。

说明书

一、技术领域：

本发明涉及乙酸乙酯生产工艺，特别是公开一种垂直筛板及其在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的应用方法，通过在酯化精馏塔中应用垂直筛板，提高产品精馏效果，降低塔板阻力，增大操作弹性。

二、背景技术：

乙酸乙酯的一种比较成熟的、应用最为广泛的生产方法是在硫酸催化剂作用下乙酸与乙醇直接酯化反应合成，反应产物经过一系列蒸馏塔进行分离得到符合要求的乙酸乙酯产品。由于强酸催化剂及醋酸的存在，传统酯化反应分离系统中酯化塔几乎都是采用耐酸腐蚀的陶瓷填料形式，据调查也有极少数采用耐酸腐蚀金属制成的普通筛板形式板式塔。但是，陶瓷比表面积小，每米理论板数少，加工制作和拼装很难达到规定要求，使用过程中经常发生陶瓷破碎堵塞致使填料阻力过大，这些缺点限制了其应用，使得大规模生产时板式塔往往成为优先选择的形式。有时为了降低塔高，会考虑采用填料(但这并不是必须的)，或者设法提高塔板效率、减少塔板数量。当采用具有一定耐酸腐蚀能力的金属填料时，为了降低金属填料腐蚀失效的风险，一种有益的尝试是在填料下方设置一定数量的筛板。生产实践发现，普通筛板尽管能在一定程度上有效降低填料失效的风险，但也面临着如下问题：(1)塔板传质效率仍偏低，一般较难超过75％，往往在60％左右；传质空间利用率低，仅板上薄薄的一层鼓泡区被利用；板上液体横向分布难以均匀，尤其是塔径较大时，容易存在滞流传质死区；(2)阻力大，气体沿竖直方向穿透板上液层需要克服较大阻力；同时，随着时间的延长，由于腐蚀的存在，腐蚀产物以“渣泥”形式被气流雾沫夹带至塔板，致使筛孔容易结垢、堵塞，也使得阻力增加；(3)操作弹性小，一般在60％～130％范围，操作气速过低时易漏液，高时易雾沫夹带。曾经考虑采用传质效率较高的浮阀塔，但浮阀为使用过程中会发生转动、磨损、震动的活动部件，加之在酸腐蚀环境中使用容易造成传质单元脱落，因而最终没有实施。

三、发明内容：

本发明的目的在于解决传统普通筛板传质效率和传质空间利用率低、筛孔易结垢堵塞阻力大、操作弹性窄的缺陷。

本发明是这样实现的：一种垂直筛板及其在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的应用方法，乙酸、乙醇原料按一定比例进入有酸性催化剂存在的酯化反应体系，在蒸汽加热的条件下，于反应器内连续混合、酯化、蒸发，形成酯、水、醇、酸共沸物体系，进入酯化塔精馏、分离，在塔顶得到粗酯产品，酯化塔内装有金属塔板或金属填料加金属塔板，其特征在于：金属塔板为垂直筛板或为普通筛板加垂直筛板混合型。一种应用在乙酸乙酯酯化反应分离系统中的垂直筛板，酯化反应分离系统包括酯化塔、塔顶冷凝器、酯水分离器、塔釜反应器，垂直筛板设置在酯化反应塔中，其特征在于：垂直筛板具有特定形状的帽罩，塔板上开有文丘里喷咀形式的升气孔，帽罩侧壁不同高度上开有多排小孔；塔板开孔率、开孔孔径、排列方式、孔间距，帽罩数量及结构尺寸，帽罩侧壁开孔数目、开孔孔径、高度、排列方式结构参数根据物料性质、精馏分离程度要求和阻力降要求按照推动力数学模型优化设计。每层垂直筛板均有三个传热传质阶段：(1)下层塔板上升的气体经升气后，气流收缩，静压降低，板上液体靠本身的液柱静压及气流吸力进帽罩，与上升气流形成气液混合物，随气流上升完成第一阶段传热传质；(2)气液混合物打到罩顶后进行液体表面更新，在罩内空间完成第二阶段传热传质；(3)气液混合物经帽罩上部侧壁上的开孔水平喷出，在液层上部空间完成第三次传热传质过程后，液滴返回板上液层内，气体继续升至上层塔板。垂直筛板的独特特征在于：从帽罩内喷出的气液混合物流向是水平方向，而普通塔板或填料塔为垂直或斜向上方向，液滴的垂直速度分量很小，因而气流中的雾沫夹带很小，操作气速可以很高，塔板的开孔率可比浮阀塔板、泡罩塔板、筛板塔板更高。同时，由于操作气速高，气流自清洗能力强，且升气孔直径大，不易堵塞，抗结垢、防堵性能好；板上液面梯度小，液面横向混合好，大大减少了存在流动及传质死区的可能性。

本发明的有益效果是：生产期间操作更加稳定，塔顶粗酯酸度更加容易控制，塔板上结垢堵塞大大减缓，阻力减小，操作弹性增大，精馏效率提高，酯化塔塔顶粗酯含量得到提升，后续处理系统的负荷得到减轻，能耗降低。

四、附图说明：

附图1是本发明一种使用情况酯化塔结构示意图；

附图2是本发明垂直筛板结构示意图；

附图3是附图2的A-A向剖面图。

在图中：1、垂直筛板；2、普通筛板；3、金属填料；4、帽罩；5、降液板；6、帽罩侧壁孔；7、筛板升气孔；。

五、具体实施方式：

根据调查，目前在乙酸乙酯生产中还没有金属塔板与金属填料混合结构、且塔板又是垂直筛板与普通筛板混合型形式的酯化塔，有的只是散堆或规整陶瓷填料酯化塔，或者是单一的金属板式塔。鉴于金属填料的板相对较薄，使用寿命可能满足不了工艺要求，特别是对乙酸乙酯酯化反应这种需耐酸性能要求较高的精馏分离系统中，其耐酸性能存在一定的缺陷，注意到塔板较厚、持液量大缓冲能力强、相对使用寿命可延长等因素，对应不同塔高组份不同的工艺条件，在塔内装填高度为H＝0～20米各种不同型号规格不同材质的不锈钢填料，塔下部安装N块塔板，1≤N≤45，同时针对普通筛板操作弹性范围较窄、小孔筛板容易堵塞的缺点，设置一定数量的垂直筛板，塔板中除垂直筛板以外的其他形式塔板(包括普通筛板)的数量N₁满足0≤N₁≤N-1。塔板材质选用316L不锈钢。注意到填料高度H＝0～20米，这意味着填料并不是必须的，是任选项，当需要降低塔的高度时，选择部分装填填料是有效的方法之一；同时注意到包括普通筛板在内的垂直筛板以外的其他形式塔板数量N₁满足0≤N₁≤N-1，这意味着至少有1块垂直筛板被采用，而且包括普通筛板在内的其他形式塔板也并不是一定需要的，是任选项。

附图1为这种垂直筛板的一种应用方法示意图，图中填料和其他形式塔板仅为示意，并非必需的，是任选项。

垂直筛板具有特定形状的帽罩，可采用长条形、方形或圆形帽罩，具体可根据开孔率要求和传质空间要求进行设计。塔板上开有文丘里原理喷嘴形式的较大直径的升气孔，气液接触有较好的传质、传热效果。由于每层垂直筛板均有三个传质过程，板上液面梯度小、液面横向混合好，因而传质效率高、传质空间利用率好，据实际测定比浮阀塔效率高15～20％。而且，其正常操作弹性范围比浮阀塔大，气流雾沫夹带少，液滴的垂直速度分量很小，降液管(或降液板)面积可以比普通筛板塔、浮阀塔、泡罩塔小，有效开孔面积增大，塔板开孔率可以更高，塔的处理能力更大。由于板上开有一定数量的小孔，可以对应处理较低负荷工况，当负荷逐步增加时，帽罩侧壁的多排小孔将依次发挥作用，可以对应处理相应负荷的工况。结构上比浮阀塔简单，无活动部件。

附图2、3为这种垂直筛板的结构示意图，其中帽罩形状、数量等结构参数在图中仅作示意，具体以权利要求书和说明书为准。

酯化反应分离系统主要包括酯化塔、塔顶冷凝器、酯水分离器、塔釜反应器。乙酸、乙醇原料按一定比例进入有酸性催化剂存在的酯化反应分离系统之反应体系，进入此体系的原料组份及配比(重量)为：乙酸30～70％、乙醇28～50％、水2～20％、催化剂硫酸0.2～2％。在蒸汽加热的条件下，物料于反应器内连续混合、酯化、蒸发，形成酯、水、醇、酸共沸物体系，进入酯化塔精馏。塔顶汽相冷凝液一部分回流入塔内，一部分采出作为粗酯。控制反应器内温度105±5℃。所述的金属垂直筛板，在实施例中采用不锈钢薄板冲孔而成，板厚在2～4mm，开孔率在10～40％，开孔直径d₀为φ3～φ15，罩帽侧壁下排开孔直径d₁为φ3～φ10，上排开孔直径d₂为φ3～φ15，中间还可根据工艺要求开设数排直径在φ3～φ15的一定数量的小孔。帽罩高度H为50～350mm，侧壁开孔高度根据工艺设计负荷要求确定。塔板开孔率、开孔孔径、排列方式、孔间距，帽罩数量及结构尺寸，帽罩侧壁开孔数目、开孔孔径、高度、排列方式等结构参数主要根据物料性质、精馏分离程度要求和阻力降要求按照推动力数学模型优化设计。

实施例：

原料进料组份及配比(重量)为：酸度(以乙酸计)55.0％，醇(以乙醇计)40％，水分5％。按照上述要求选用合适厚度的316L不锈钢具有长条型帽罩的垂直筛板。实施例中采用316L的普通筛板和304及316L的金属规整填料。

本发明在实施例中采用不锈钢薄板制作垂直筛板，这不是对本发明的限制，本发明权利保护以权利要求书为准。

通过上述工业装置连续运行发现：生产期间操作更加稳定，塔顶粗酯酸度更加容易控制，塔板上结垢堵塞大大减缓，阻力减小，操作弹性增大，精馏效率提高，酯化塔塔顶可得到≥95％(重量)乙酸乙酯含量的粗酯，后续处理系统的负荷得到减轻，能耗降低。操作指标及结果如下：

  塔器型式  原有散堆陶瓷填料  塔  原有改进规整陶  瓷填料塔  实施例所述装有垂直  筛板的混合结构塔  塔顶温度(℃)  72.0±1.0  71.6±1.0  70.6±0.5  塔釜温度(℃)  96～108  103～108  105±1(稳定)  塔压差(mmH₂O)  2500  1200  250  塔顶产品  (w/w)％  酯  89.89  92.05  95.707  醇  4.58  3.89  1.33  水  5.50  4.045  2.96  酸  0.03  0.015  0.003

另外，经过冷模水力学试验和水力学计算发现，相同条件下：

单层塔板阻力：垂直筛板55mmH₂O，普通筛板85mmH₂O，浮阀塔板69mmH₂O；

塔板效率：垂直筛板85％，普通筛板60％左右，浮阀塔板70％左右；

操作弹性范围：垂直筛板30％～190％，普通筛板50％～128％，浮阀塔板50％～170％。

值得说明的是，以上作对比的塔板开孔率及主要参数按照与普通筛板一致的原则设计。由于垂直筛板相对来说仍然可以开更多的孔，因此开孔率继续增加后，垂直筛板的压降将进一步降低，操作上限将进一步增加。